一種三模式混合動力汽車的行車工況簡要分析

孟祥飛，王微，徐元利，王仁廣

(1.天津科技大學(xué)機械學(xué)院，天津 300457；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

混合動力汽車動力總成功能的開發(fā)是根據(jù)汽車具體應(yīng)用情況確定的。這種應(yīng)用實際上就是使用工況，而汽車的實際使用工況是多種多樣的，甚至說是復(fù)雜的。在確定汽車使用情況時,由于需要考慮實際使用環(huán)境、操作狀態(tài)、駕駛員操作相互作用等因素，必須把所有可能的情況都考慮到。對于具體的混合動力汽車，需要根據(jù)其實際的操作模式，逐一分析。從大的方面來說實際情況可以分為行駛使用情況、非行駛使用情況、濫用情況、環(huán)境相關(guān)使用情況、及特定使用情況等多個方面?；旌蟿恿ζ噷嶋H使用情況主要包括原地停車、起步、加速、等速 、減速等，而減速又分為空擋滑行、帶擋滑行、制動3種情況。文中主要結(jié)合一種三模式構(gòu)型的混合動力總成，對其驅(qū)動使用工況進行詳細討論。

1 混合動力總成構(gòu)型介紹

三模式總成的主要結(jié)構(gòu)基本同參考文獻[1]中的結(jié)構(gòu)接近，具體如圖1所示。主要組成部分有一個發(fā)動機ICE(Internal Combustion Engine)、第一電機M1、第二電機M2、第一行星排P1、第二行星排P2、動力電池B、以及位于電池和電機間的逆變器等。其中的主要差別在于新的結(jié)構(gòu)中加入了兩個離合器，通過添加兩個離合器可以進一步提高總成的性能。兩個離合器在控制系統(tǒng)指令下結(jié)合或者松開來控制第一行星排的相應(yīng)部件，從而實現(xiàn)電動驅(qū)動(E模式)、動力分配式混合動力驅(qū)動(H 模式)、并聯(lián)混合動力驅(qū)動 (C 模式)3個驅(qū)動形式。

圖1 三模式HEV總成結(jié)構(gòu)簡圖

三模式HEV(Hybrid Electric Vehicle)總成能夠通過兩個離合器的控制來實現(xiàn)3種不同的驅(qū)動模式。其中E模式主要用在低速和汽車起步情況下，同時要動力電池的SOC處在比較充足的電量情況下。在E模式下C1結(jié)合，發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)動被鎖止，第一行星排P1的行星架被鎖止，這種情況下兩個電機都可以參與車輛驅(qū)動。H模式是一種發(fā)動機的動力分割模式。在常規(guī)的動力分割模式下，電機M1用作發(fā)電機來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機的動力被分割成齒圈和太陽輪兩個方向向外傳遞，大部分通過P1的齒圈傳遞到車輛驅(qū)動軸，另一部分通過P1的太陽輪傳遞到電機M1驅(qū)動其發(fā)電，是實際上的功率耦合[2]。H模式適合用于較高車速下，發(fā)動機可以直接輸出來單獨驅(qū)動車輛，相當于傳統(tǒng)車輛的直接擋。在C模式下，實際是一種并聯(lián)混合動力模式，兩個電機的工作狀態(tài)根據(jù)需要可以分成用作助力電機還是動力分割電機，其轉(zhuǎn)速不可調(diào)，單扭矩可調(diào)，是實際意義上的扭矩耦合狀態(tài)。

2 驅(qū)動使用工況

驅(qū)動使用工況是汽車實際使用的主要方面之一，通過駕駛員同車輛的交互作用來實施目標動作，這些動作同汽車行駛情況的具體方面直接對應(yīng)。下面分具體工況進行說明。

2.1 原地停車

(1)發(fā)動機停機。車速為0；擋位可能處在任何可能位置；制動踏板可以踩下或不踩；加速踏板松開；沒有機械功率傳遞到車輪上；電力能源是高壓電池，它為車上高低壓負載供電；變速器和電機都無動力輸出。

(2)發(fā)動機工作。車速為0；如果變速桿在D/R位置，則制動踏板踩下；變速桿在其他位置時，制動踏板可能踩下或不踩；無機械功率輸出到車輪；電力能源來自發(fā)動機(發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機)，電池SOC不變。變速器處在功率分配混動模式下，發(fā)動機可能帶動發(fā)電機發(fā)電，為DC/DC和高壓附件供電。

(3)發(fā)動機發(fā)電。車速為0；變速桿處于可能位置；如果在D/R位置，制動踏板踩下，其他位置可以不踩；當在D/R位置時，踩下加速踏板，電能來自發(fā)動機，動力電池充電。

(4)外部充電。車速為0；變速桿在P，車內(nèi)無人，加速和制動踏板都不踩；無機械功率輸出、電能來自外部電網(wǎng)，電網(wǎng)為動力電池充電；動力電池通過DC/DC為車載電壓系統(tǒng)供電。

2.2 純電驅(qū)動

汽車通過電機驅(qū)動前進或倒車；制動踏板松開、變速桿位于D/R，加速踏板踩下；機械功率來自電動機，電能來自動力電池，動力電池SOC下降；發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)。純電動模式下，動力電池SOC必須高于設(shè)定值，車速可能只能低于一個設(shè)定值，具體取決于動力電池和電機的大小。

2.3 H模式驅(qū)動

汽車處于H驅(qū)動模式，發(fā)動機工作在功率分配模式，電機工作具體取決于汽車運行狀態(tài)和混動系統(tǒng)狀態(tài)。該模式可以實現(xiàn)較好驅(qū)動和較高燃油效率，常用在SOC較低、車速處于中低速情況下。

(1)發(fā)動機開，常規(guī)運行。在這種情況下，汽車運行在中低速度和中高驅(qū)動功率狀況。制動踏板松開、加速踏板踩下，變速桿位于D/R。車輛驅(qū)動功率來自發(fā)動機和電動機，另外一個電機發(fā)電。根據(jù)具體情況，動力電池可能充電或放電。這種發(fā)動機開的混動模式使用時SOC可能較低。

(2)發(fā)動機開，低負荷巡航。這種情況下，汽車運行在中低車速和中低功率需求狀態(tài)。其他情況跟上面的情況基本相同。

(3)發(fā)動機關(guān)。這種發(fā)動機關(guān)的混動模式只用在低車速和低功率需求情況下。車輪驅(qū)動功率來自電機，動力電池放電。

2.4 C模式驅(qū)動

這種模式下，汽車行駛主要依靠發(fā)動機，電機可能電動或發(fā)電，車速恒定或者在高于設(shè)定值時增速。制動踏板松開、變速桿位于D、加速踏板踩下。

(1)并聯(lián)常規(guī)驅(qū)動。汽車行駛只依靠發(fā)動機驅(qū)動，同時發(fā)動機帶動電機發(fā)電給高壓負載供電但動力電池不充電，車速恒定或者高于設(shè)定值時增速。這種情況主要用在高中速巡航模式下，SOC較高。

(2)并聯(lián)驅(qū)動和充電。汽車行駛只依靠發(fā)動機驅(qū)動，電機發(fā)電給動力電池充電和高壓負載供電，車速恒定。這種情況主要用在高中速巡航時功率需求中等且SOC較低時。

(3)電機助力驅(qū)動。汽車行駛主要依靠發(fā)動機，電機輔助驅(qū)動，車速加速。動力源為發(fā)動機和電機，電力能源為動力電池。這種情況下主要用在車速較高和功率需求較大時。

2.5 減速

(1)回饋-發(fā)動機關(guān)閉(H模式)。汽車混動驅(qū)動情況下開始減速，發(fā)動機關(guān)，制動踏板踩下，變速桿處于D/R，加速踏板松開，動力源來自驅(qū)動車輪(車輛動能)。但電機發(fā)電，動力電池充電。在這種情況下動力電池SOC必須高于最低設(shè)定值，否則發(fā)動機會起動。

(2)回饋-發(fā)動機關(guān)閉(E模式)。汽車純電驅(qū)動情況下開始減速，發(fā)動機關(guān)，制動踏板踩或不踩，變速桿位于D/R，加速踏板松開。動力源來自車輪，雙電機發(fā)電，動力電池充電。

(3)回饋-發(fā)動機開(H模式)。汽車減速行駛，制動踏板松開或踩下，變速桿位于D/R，加速踏板松開。動力來自車輪，一個電機發(fā)電為系統(tǒng)供電或充電(發(fā)電足夠的話)，另外一個電機由發(fā)動機帶動發(fā)電。

(4)回饋-發(fā)動機開(C模式)。汽車減速行駛，發(fā)動機處于斷油模式；制動踏板松開或踩下，變速桿位于D/R，加速踏板松開；動力來自車輪，電機發(fā)電，電池充電。

(5)空擋滑行。汽車減速行駛，空擋；制動踏板踩下或松開，加速踏板踩下或松開；機械動力來自車輪，電力能源是高壓電池，電機不發(fā)電；發(fā)動機可以是開或者關(guān)兩種可能狀態(tài)。

2.6 發(fā)動機起動/停機

2.6.1 發(fā)動機起動

(1)停車時的發(fā)動機起動。此時車速為0；變速桿位于處于P位置，制動踏板踩下或松開，加速踏板松開。無機械功率輸出到車輪。發(fā)動機起動前的能量來自動力電池，之后來自發(fā)動機。

(2)行駛狀態(tài)下發(fā)動機起動。汽車電動行駛到一定車速以上，制動踏板松開，變速桿位于D/R，加速踏板踩下。機械功率來自電機。發(fā)動機起動之前的電力能源為高壓動力電池，之后為發(fā)動機和動力電池。SOC必須高于最低限值。

(3)回饋狀態(tài)下發(fā)動機起動。汽車在平路面上電動行駛開始減速，加速踏板松開，變速桿位于D。制動踏板踩下或松開(擋位結(jié)合)，動力源為驅(qū)動車輪，電力能源為電機。

(4)常規(guī)發(fā)動機起動。汽車停車；制動踏板踩下或松開，變速桿位于D/R，加速踏板踩下或松開。發(fā)動機通過常規(guī)的低壓起動機起動，這種起動方法作為一種發(fā)動機備用起動方法，在電機起動不可使用情況下采用。

(5)推車起動。汽車在擋位結(jié)合狀態(tài)下，靠外力推動車輛，通過車輪旋轉(zhuǎn)來起動發(fā)動機。這種情況下很少使用。

(6)跨接起動。通過外部搭線來起動發(fā)動機，需要借助同系統(tǒng)電壓相同的汽車或設(shè)備來完成。

2.6.2 發(fā)動機停機

(1)停車狀態(tài)下的發(fā)動機停機。車速為0；變速桿處于可能位置，制動踏板踩下或松開，加速踏板松開。沒有機械功率輸出到車輪。發(fā)動機發(fā)電，電力能源來自發(fā)動機，SOC不變。電機在發(fā)動機停機時提供阻力距使得發(fā)動機平穩(wěn)減速。這種停機模式由駕駛員觸發(fā)。

(2)行駛狀態(tài)下發(fā)動機停機。汽車通過發(fā)動機驅(qū)動行駛，制動踏板松開，變速桿處于D/R位置，加速踏板踩下。汽車動力來自發(fā)動機和電機，車輛滿足純電驅(qū)動的所有條件，發(fā)動機停機。

(3)回饋模式下發(fā)動機停機。在平路上汽車通過發(fā)動機驅(qū)動，開始減速，加速踏板松開，變速桿位于D，制動踏板踩下或松開。機械動力來自車輪，電能來自電機，滿足純電行駛的所有條件，發(fā)動機停機。

(4)緊急情況下發(fā)動機停機。如果系統(tǒng)檢測到嚴重故障或者遇到嚴重安全問題，發(fā)動機緊急停機觸發(fā)，此時的發(fā)動機停機不受邊界條件限制。

3 其他情況

(1)非驅(qū)動使用工況?；旌蟿恿ζ囋诜切旭偳闆r下，具體使用情況內(nèi)容也非常繁雜，主要有汽車停車、汽車模式選擇、汽車上電、汽車下電、駕駛員乘客保護、舒適要求、環(huán)境適應(yīng)、防盜、儲存、車輛維護、修理、生產(chǎn)、試驗臺測試、報廢處置、拖車等情況。

(2)濫用情況。濫用情況實際上是不正常和錯誤操作，但實際使用情況下也可能遇到，設(shè)計時也需要仔細考慮。主要有行車時同時踩下加速/制動踏板、變速桿誤操作、行車時上電、行車時斷電、行車時施加駐車制動、碰撞、超載行駛、加錯機油、加錯燃料、缺少機油、燃料不足、冷卻液缺失、行駛時開門、無駕駛員情況下行車、胎壓不合適情況下行車、 拖拉其他車輛、被其他車輛拖車、運輸不當、被盜等情況。

(3)使用場景相關(guān)的使用情況。這在汽車實際行駛中都可能遇到。 如白天、夜晚，直路、彎路，瀝青路、混凝土路、泥土路、沙子路，平路行駛、上坡、下坡，潮濕路面、干燥路面、雪路面、冰路面，高速、鄉(xiāng)村公路等,設(shè)計時也要加以考慮。

4 結(jié)束語

介紹一種三模式混合動力總成，并以此為基礎(chǔ)較為詳細地介紹了其實際行駛模式，并簡要介紹了非驅(qū)動情況、濫用情況和使用場景相關(guān)情況，有助于對實際工作模式的準確理解，同時對控制策略的確定也有輔助作用。

參考文獻:

[1]WANG R G,ZHANG L T,YU C,et al.Development of a New Type Power Train for HEV[J].Advanced Materials Research,2013,694/695/696/697:1587-1590.

[2]趙航，史廣奎.混合動力電動汽車技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.