并聯(lián)混動商用車控制策略及整車性能仿真研究

穆加彩+張振東+周哲+朱敏杰+董旭峰+饒洪宇

摘 要：為了提高整車動力性能，根據(jù)整車性能要求對動力總成參數(shù)進行了匹配和控制策略設計。以上海交通大學和某商用車技術(shù)中心開發(fā)的某款車型為例，采用Simulink建立模型進行仿真分析， 結(jié)果表明混合動力汽車比基礎車型動力性能提高很多。

關(guān)鍵詞：整車性能；動力性能；參數(shù)匹配；控制策略；仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.171049

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0155-04

1 P2.5概念

常見的并聯(lián)式混合動力汽車布局有P0、P1、P2、P3、P4。對于P0～P4，P的含義是指電機的位置，用不同的數(shù)字代號表示放在不同的位置。P0～P4缺點：增加了電機，使整車空間變得更小，布局更緊密，加大了整車重量。針對上述問題，上海交通大學與某商用車技術(shù)中心合作進行P2.5研究。P2.5就是將驅(qū)動電機布置在變速器奇數(shù)輸入軸上，這種布局方案取消了倒擋輪系，可以通過電機倒轉(zhuǎn)達到倒車目的，同時不需要起動電機。由于電機與變速箱采用集成設計，所以整車布置空間足夠，驅(qū)動電機可有較大功率。

2 整車結(jié)構(gòu)與參數(shù)匹配

2.1 P2.5并聯(lián)混動輕商整車結(jié)構(gòu)

考慮技術(shù)和成本等因素，并聯(lián)混動輕商整車結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，由柴油發(fā)動機、電池、驅(qū)動電機、變速器、主減速器以及自動離合器組成[1]。

本文研究的P2.5并聯(lián)混動方案是在某商用車基礎上開發(fā)的FF車型，匹配2.5T柴油機和6MT變速器，整車基本參數(shù)如表1所示，性能目標如表2所示。

2.2 動力源總功率確定

根據(jù)整車動力性能目標（最高車速、加速時間、最大爬坡度），確定混合動力整車的系統(tǒng)總功率。根據(jù)最高車速確定的最大功率Pmax1為：

根據(jù)加速性能確定的最大功率Pmax2為：

根據(jù)爬坡性能確定的最大功率Pmax3為：

f=f0+f1（v100）+f4（v100）4，其中：αmax=arctan（imax），式中ηt為整車動力傳動系的機械效率，取0.912，汽車一檔旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ=1.3，滿載質(zhì)量時m=3 500kg，重力加速度g=9.806m/s2，風阻系數(shù)CD=0.364，迎風面積A=1.998×2.552×80%=4.08m2，f為滾動阻力系數(shù)。

式（4）中，f0=0.012，f1=0.002 6，f4=0.002。此次研發(fā)汽車阻力是通過滑行試驗得出3個滑行阻力系數(shù)a、b、c，接著用一個關(guān)于速度v的二次函數(shù)表示汽車滾動阻力和空氣阻力之和，所以a=265.4，b=1.794，c=0.065 89。式（1）中，根據(jù)整車性能目標，電量消耗時（發(fā)動機和電機都在最高負荷下工作）的最高車速為150km/h，因此vmax=150km/h，求得Pmax1=92.15kW；式（2）中，由于dv/dt是瞬態(tài)值，所以通過公式（2）無法直接求出，可以先計算出最高車速和最大爬坡度的整車總功率需求，然后通過仿真看其是否達到0～100km/h、40～80km/h、60～100km/h、80～120km/h加速時間的設計目標，如果沒達到則接著增加功率，直到滿足整車性能目標為止，得到的功率值就是該混合動力汽車在加速瞬態(tài)過程中的總功率需求；式（3）中，根據(jù)整車性能目標，imax=35%，根據(jù)基礎車型的動力性，考查整車20km/h的最大爬坡度，令vi=20km/h，f=0.012 523，求得Pmax3=71.72kw，整車動力源總功率必須滿足上述3項動力性能指標。所以，該混合動力汽車動力源總功率需求為：

由于動力系統(tǒng)各部件的損耗大約為10kW左右，得到動力源總功率Ptotal=103kW。

2.3 發(fā)動機參數(shù)設計

根據(jù)發(fā)動機和電機特點，可讓發(fā)動機提供變化較慢的穩(wěn)態(tài)功率，如以巡航車速行駛的功率要求Pe1、爬坡功率要求Pe2、循環(huán)工況的平均功率為P[3]e3，而電機提供瞬態(tài)變化的峰值功率，可將整車動力學方程分為兩項，即：

Pv是和車速相關(guān)的穩(wěn)態(tài)功率（kW），ηt是整車動力傳動系傳動效率，m是整車質(zhì)量（kg），g是重力加速度（9.806m/s2），f是滾動阻力系數(shù)，CD是汽車空氣阻力系數(shù)，A是汽車迎風面積（m2），Pdv是和加速度相關(guān)的瞬態(tài)功率（kW）。

一般情況下，巡航車速Vcruise介于車輛的平均車速Vaver和最高車速Vmax之間。根據(jù)性能目標要求，電量平衡時（發(fā)動機提供所有功率，電機不工作）的最高車速是120km/s，所以，v=120km/s，ηt=0.912，帶入式（6）得Pe1=52.25kW。將爬坡車速vi和坡度指標imax帶入式（3），可計算出爬坡功率要求Pe2。根據(jù)基礎車型的動力性能指標計算整車20km/h時的最大爬坡度，即vi=20km/h，imax=35%，求出Pe2=71.72kW。

選擇發(fā)動機功率時循環(huán)工況下的平均功率P[5]e3也很關(guān)鍵，即

式（8）中，Tcyc為循環(huán)工況測試時間，Pwh為發(fā)動機瞬時功率。根據(jù)整車參數(shù)計算可得各循環(huán)工況下整車需求平均功率，如表3所示。

綜述，發(fā)動機功率至少要滿足上述3種情況下所確定的功率要求，即

所以Pe_min=71.72kW，而發(fā)動機的所有部件消耗10kW左右的功率，因此確定發(fā)動機的最小功率為82kW。根據(jù)整車性能指標，選擇一款1.9T柴油發(fā)動機，其發(fā)動機的最大功率為107.1kW?；A車型額定轉(zhuǎn)速為3 800rpm，發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速為4 800rpm，最大扭矩為300Nm，最大扭矩轉(zhuǎn)速點轉(zhuǎn)速范圍為1 600～3 400rpm，換擋轉(zhuǎn)速設置在發(fā)動機達到最大扭矩值附近，選擇1 600rpm。發(fā)動機外特性如圖2所示。endprint

2.4 電機參數(shù)設計

本文選擇永磁同步電機作為研發(fā)混合動力汽車的驅(qū)動電機。

2.5 電池參數(shù)設計

本文選擇磷酸鐵鋰電池作為混和動力汽車的動力電池。其電壓為320V，單體工作電壓為3.2V左右，最高電壓4.2V。

2.6 最小傳動比選擇

最小傳動比根據(jù)汽車在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速下能達到的最大車速確定：

式（10）中：n為發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速， r為車輪滾動半徑， i0為主減速比，ig為變速箱速比。將最高車速和發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速帶入式（10）得到igi0=4.21。

2.7 最大傳動比選擇

確定最大傳動比，主要考慮整車低負荷下的驅(qū)動性能。

式（11）中：ig1為變速箱1檔傳動比，αmax為最大爬坡度。由于是并聯(lián)驅(qū)動，因此Ttqmax為發(fā)動機和電機的最大扭矩之和，Ttqmax=360Nm。將參數(shù)帶入式（11）中，求出：ig1i0≥12.65。由于是改裝車，可以確定主減速比為3.51，則最低檔速比ig1≥3.604，最高檔速比ig6≤1.199。為了改善整車動力性，該混合動力汽車采用6檔DCT雙離合變速箱，各檔位速比分別3.989、2.236、1.48、1.101、0.869、0.714，主減速比為3.51。

3 P2.5電驅(qū)動控制策略

整體控制方案如圖3所示，由車輛控制器、發(fā)動機控制器、電動機控制器和機械制動控制器組成。車輛控制器在電驅(qū)動系運行中起中樞作用。按照組件與駕駛員ua≤0.377rnigi0指令匯集的數(shù)據(jù)，車輛控制器應實現(xiàn)各種運行模式，并向每個組件控制器給出正確的控制指令。

3.1 峰值電源最大荷電狀態(tài)控制策略

控制策略的基本準則是盡可能地利用發(fā)動機為基本動力源。峰值電源最大荷電狀態(tài)控制策略見圖4。圖4描繪了混合牽引、單發(fā)動機牽引、單電動機牽引和再生制動各運行模式對應于車速的最大功率曲線，繪出不同情況下通過點A、B、C和D表示的功率指令[7]。

3.2 電驅(qū)動系運行模式

（1）單電機牽引模式。車速小于底線Veb時，發(fā)動機不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機不工作，只有電動機單獨驅(qū)動車輛。發(fā)動機功率、電牽引功率和峰值電源放電功率可表達為：

Pe是發(fā)動機輸出功率，PL為駕駛員給出的驅(qū)動功率指令，Pm是電動機的輸出功率，Ppps-d是峰值電源的放電功率，ηm是電動機效率。（2）混合牽引模式。圖4中，當點A表征的指令驅(qū)動功率大于發(fā)動機所能提供的功率時，發(fā)動機和電動機同時向驅(qū)動輪傳遞功率。通過控制發(fā)動機節(jié)氣門，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)在其最佳運行線上（點A），產(chǎn)生功率Pe，電動機提供剩余部分的功率需求。電動機的輸出功率和峰值電源的放電功率為：

（3）峰值電源充電模式。圖4中，當點B表征的指令驅(qū)動功率PL小于發(fā)動機在最佳運行線上所產(chǎn)生的功率，且峰值電源的荷電狀態(tài)處于其頂線之下時，在最佳運行線上（點b）運轉(zhuǎn)的發(fā)動機功率Pe、電動機輸出功率和峰值電源的充電功率為：

式中，ηt，e，m是由發(fā)動機至電動機傳動裝置的效率。（4）單發(fā)動機牽引模式。當指令的驅(qū)動功率（圖4中點B）小于發(fā)動機運轉(zhuǎn)在其最佳運行線上所產(chǎn)生的功率，且峰值電源的荷電狀態(tài)已到達其頂線時，采用單發(fā)動機牽引模式。此時，電系統(tǒng)關(guān)閉，發(fā)動機提供功率。發(fā)動機功率、電動機功率和蓄電池組功率可表示為：

（5）單再生制動模式。當車輛制動，且所要求的制動功率小于電系統(tǒng)所能供給的最大再生制動功率（圖中點C）時，電動機作為發(fā)電機使用，產(chǎn)生等同于所需的制動功率，此時發(fā)動機熄火或怠速。電動機的輸出功率和峰值電源的充電功率為：

（6）混合制動功率。當所需制動功率大于電力系統(tǒng)所能供給的最大再生制動功率（圖中點D）時，此時電動機應產(chǎn)生最大的再生制動功率，而機械制動系統(tǒng)則應控制剩余部分的制動功率。電動機的輸出功率、蓄電池組的充電功率和機械制動功率為：

4 建模與仿真分析

4.1 駕駛室模型

駕駛室模型主要用來模擬駕駛員的駕駛行為。通過模型可以觀察到整車在整個NEDC循環(huán)工況中速度和加速度的關(guān)系，圖5所示為駕駛室模型的頂層程序框圖。

駕駛室模型根據(jù)整車傳動系關(guān)系驗證車速跟隨情況，通過循環(huán)工況中的車速、已知車輪半徑、后橋速比信息求出發(fā)動機轉(zhuǎn)速，再結(jié)合PID控制求出油門踏板百分比信號，得出所匹配的1.9T柴油發(fā)動機的Pedal map，如圖6所示。

4.2 整車性能仿真

根據(jù)編寫的后處理文件，Simulink能實現(xiàn)車輛動力性指標計算，對P2.5并聯(lián)混動汽車分別進行最高車速的電量消耗、電量平衡、最大爬坡能力、全油門0～100km/h加速、40～80km/h加速、60～100km/h加速、80～120km/h加速性能仿真，其全油門加速性仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，前200s左右，車速持續(xù)增快，然后下降，最后保持平衡，這是因為前期全油門時整車控制系統(tǒng)判斷此時需求扭矩很大，因此發(fā)動機和電機同時工作。當SOC≤0.3時，通過前期的工作模式設定，電池被保護，不再工作，因此200s之后的穩(wěn)定車速為單發(fā)動機牽引模式下的最高車速。通過Simulink對圖7放大分析，可得出前200s車速曲線斜率為0時，其對應的整車最高車速為186km/h，后段車速曲線斜率為0時，其對應的整車最高車速為150.6km/h。0～100km/h加速時間為16.3s，40～80km/h加速時間為7.5s，60～100km/h加速時間為10.6s，80～120km/h加速時間為13s。整車最大爬坡能力仿真主要依據(jù)直角三角形關(guān)系，通過Simulink計算得出其imax=51%。

將目標車型的整車性能仿真數(shù)據(jù)與基礎車型的整車性能數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，整車動力性能仿真結(jié)果全部滿足要求，說明本文的控制策略符合實際情況。將目標車型的各性能參數(shù)與基礎車型對應參數(shù)進行對比，結(jié)果表明，與基礎車型相比，混合動力汽車的動力性能大大提高。

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