混合動力車輛動力技術(shù)對比研究

謝召艷

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

引言

現(xiàn)代動力傳動系統(tǒng)的基本功能是在提供高效率和良好的行駛質(zhì)量的同時，將轉(zhuǎn)矩傳遞給輪胎接口。車輛控制系統(tǒng)（包括液壓離合器控制），必須提供理想的發(fā)動機(jī)控制和傳輸速度和轉(zhuǎn)矩，在換擋期間以達(dá)到最好的可能結(jié)果。車輛位移瞬變是指速度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量的不連續(xù)性的結(jié)果。為了減少動力車輛的瞬態(tài)響應(yīng)，必須將這些不連續(xù)點降至最低，一種溫和的混合動力電動車輛能夠提高駕駛舒適性、改變質(zhì)量和提高駕駛性能和降低制造成本。這種結(jié)構(gòu)要求在輸出軸上安裝一個低功率電動機(jī)，并連接到一個受控電源；這種配置可以增加動力總成的功能，同時減少換擋時的轉(zhuǎn)矩孔，提高駕駛性能[1-3]。

主電機(jī)控制器的主要輸入信號是：離合器位置，ICE負(fù)載（從速度和節(jié)氣門角度計算）和選定的擋位。電機(jī)的功能是通過在離合器分離時提供牽引力來消除或減小換擋期間的轉(zhuǎn)矩孔，并且還為轉(zhuǎn)矩振蕩提供阻尼，特別是在換擋和起步（反沖擊）期間，在某些駕駛情況下，電動機(jī)也可以用作發(fā)電機(jī)。

混合動力汽車的主要趨勢旨在提高換擋質(zhì)量，增加動力系統(tǒng)的混合動力或電氣化。通過應(yīng)用精確的瞬態(tài)離合器控制技術(shù)，可以在不使用液力變矩器的情況下提高換檔質(zhì)量。在換擋過程中容易產(chǎn)生振蕩，這些振蕩是噪聲、振動和粗糙（Noise、Vibration、Harshness，NVH）的來源。在這些情況下，NVH的阻尼來源于扭振吸收器和離合器、傳動部件和差速器中的摩擦損失。由于從動總成系統(tǒng)中消除了液力變矩器，阻尼減少，但是，通過使用手動變速箱（Manual Transmission，MT）齒輪系，實現(xiàn)了高效率的變擋。在混合動力電動車輛（Hybrid Electric Vehicles，HEV）動力系統(tǒng)中，可以控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以快速抑制動力系瞬態(tài)振蕩，這種控制技術(shù)通常被稱為“反沖擊”。車輛動力傳動系控制的建模和分析對于近年來變速器的發(fā)展至關(guān)重要。

本文研究了前輪驅(qū)動輕度混合動力傳動系的動力學(xué)。提出了具有多個自由度系統(tǒng)的綜合分析，并且所得到的運(yùn)動方程組可以很容易地集成到車輛模型中。通過廣義牛頓第二定律來推導(dǎo)模型，對動力總成進(jìn)行建模的目的是在使用電驅(qū)動裝置時識別可能的改進(jìn)。通過對混合動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的手動變速箱傳動系統(tǒng)相比較，重點分析了較低擋位的性能，這是由于在較低擋位時，傳遞到驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩更大，軸的偏轉(zhuǎn)也更大。這種較大的偏轉(zhuǎn)意味著在較低的傳動比下軸扭轉(zhuǎn)較高，產(chǎn)生較大的振蕩。

1 混合動力車輛動力系統(tǒng)建模研究

發(fā)動機(jī)的簡化模型在建模和控制應(yīng)用程序中很常用，包括經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵约案敿?xì)的動態(tài)研究，這些研究使用基于發(fā)動機(jī)燃燒的轉(zhuǎn)矩變化用于瞬態(tài)動力系研究。本文所開發(fā)的模型利用三維查找表的簡單發(fā)動機(jī)元件，這個元素被插入到兩個動力傳動系模型中，這兩個模型將在本節(jié)中介紹。車輛動力總成系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩可通過以下模型進(jìn)行表示，包括平均發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、分段離合器模型，車輛阻力轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型等。

1.1 混合動力系統(tǒng)配置

圖1給出了一種基本的輕度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其利用永久耦合到變速器輸出軸的電機(jī)（EM）。

圖1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這種配置允許EM直接驅(qū)動車輪，由于電機(jī)位于變速器的下游，因此它通過主減速器與車輪具有固定的恒定速比。在變速箱模型中，齒輪1、2、3、4和5（G）連接到輸入和輸出軸，并通過閉合的離合器（C）驅(qū)動，同步器用S表示。在傳統(tǒng)手動變速器中，必須在同步之前松開離合器，將同步器與發(fā)動機(jī)慣性隔離。動力傳動系統(tǒng)的性質(zhì)要求在發(fā)動機(jī)和變速箱之間連接一個干式離合器，如圖2所示，來自聯(lián)軸器的阻尼必須在系統(tǒng)中加以識別，這種阻尼與連接離合器片的的螺旋彈簧以及各個片段在相對移動時彼此之間的摩擦有關(guān)[4-7]。

圖2 車輛離合器組成結(jié)構(gòu)圖

以下給出混動車輛電機(jī)選擇過程的詳細(xì)說明，這種車輛配置的明顯局限在于，不可能將EM與車輪隔離開來，因此在電動機(jī)慣性滑行時存在附帶損失，換擋過程中的速度同步使用手動變速箱中常用的標(biāo)準(zhǔn)同步器完成，具有低成本和高可靠性。在研究過程中由于所提出的HEV系統(tǒng)的性質(zhì)，可以通過拆除同步器來節(jié)省材料，而使用電子節(jié)氣門控制來實現(xiàn)速度同步，可以以非常高的準(zhǔn)確度實現(xiàn)速度同步。

動力系統(tǒng)可在較大的運(yùn)行速度下提供轉(zhuǎn)矩并將其傳送到路面上。因此，必須考慮驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、齒輪減速和車輛阻力轉(zhuǎn)矩，以精確模擬動力傳動系統(tǒng)。動力系統(tǒng)是一種簡單的后變速器并聯(lián)混合動力配置，它采用了一個低功率的四缸發(fā)動機(jī)，通過一個機(jī)器驅(qū)動的離合器連接到一個五速手動變速箱，在最終傳動之前，電動機(jī)通過與變速器輸出軸進(jìn)行連接實現(xiàn)動力傳輸。在實際的車輛動力研究過程中需要考慮發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)模型、動力系統(tǒng)慣性模型和車輛阻力矩模型等[8-9]。

1.2 動力總成模型研究

利用高階動力總成模型的集總參數(shù)方法構(gòu)建高階動力傳動系統(tǒng)模型，利用動力傳動系的軸剛度和旋轉(zhuǎn)慣性特征，結(jié)合物理布局，為不同動力傳動系配置生成具有代表性的模型。動力總成模型使用扭轉(zhuǎn)集中參數(shù)來捕捉系統(tǒng)的換擋特性，慣性元件代表動力總成的主要部件，如發(fā)動機(jī)、飛輪、離合器鼓、離合器片、帶主減速器的同步器、軸、差速器、電動機(jī)、車輪和車輛慣性等。這些元件受到各種負(fù)載如滾動阻力和空氣拖曳力，扭轉(zhuǎn)軸剛度由連接主要部件的彈簧元件表示，損耗表示為阻尼元件。

圖3顯示了安裝在前輪車輛上的電機(jī)的模型布局，可以應(yīng)用假設(shè)來降低動力總成的復(fù)雜性。首先是將變速器中的空轉(zhuǎn)齒輪的慣性，主齒輪和同步器慣性集中在一起，從而消除了傳動部件；然后假定齒輪中沒有齒隙，也沒有嚙合同步器，從而消除了模型中的高剛度元件，這個假設(shè)減少了計算需求；最后車輪和車軸的對稱性可以將這些慣性集中在一起，作為一個單一元件，對變速箱和差速器的附加損耗與接地減振元件進(jìn)行建模。

圖3 集中參數(shù)模型適用于配備HEV的動力總成

式（1）定義了廣義的運(yùn)動方程：

式中：I是以kg·m2為單位的慣性矩陣，C是以Nm·s/rad為單位的阻尼矩陣，K是以Nm/rad為單位的剛度矩陣，T是以Nm為單位的轉(zhuǎn)矩矢量，θ是以rad為單位的旋轉(zhuǎn)位移，θ˙是以 rad/s為單位的角速度，θ¨是以rad/s2為單位的角加速度；傳動比減速副和最終傳動副的齒數(shù)比表示為γ。每個元件的運(yùn)動方程是：

如果離合器接合，則方程（4）和（5）統(tǒng)一，并且離合器構(gòu)件的慣性結(jié)合。方程（11）是所得到的運(yùn)動方程，在接合離合器的情況下，系統(tǒng)的總自由度減少。如果離合器分離，則系統(tǒng)具有八個自由度，而如果離合器接合，則只有7個自由度。

混合動力汽車的靈活性允許發(fā)動機(jī)/電機(jī)配置的多種選擇，這種配置靈活性可以研究不同配置對車輛性能和瞬態(tài)振動抑制的影響。在如圖1所示的建議配置中，使用用于功率轉(zhuǎn)換的恒定齒輪比，電機(jī)將定位在變速器輸出軸上，如圖3所示?；旌蟿恿ζ噭恿偝傻呐渲萌Q于一系列設(shè)計考慮因素，最終決定組件的布局，互連和大小。當(dāng)考慮混合動力系統(tǒng)時，引入式（10）并且用式（8）代替分析傳統(tǒng)動力系時使用的式（7）。

2 2種動力技術(shù)對比研究

混動車輛控制策略與變速控制相結(jié)合需要考慮許多因素，包括離合器位置、擋位狀態(tài)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置和傳動軸速度。本節(jié)通過2種動力技術(shù)進(jìn)行模擬研究，即使用驅(qū)動器在回路或開環(huán)電子控制來控制離合器和齒輪驅(qū)動，這2種方法都具有時間和成本效益，并且均可較簡單地應(yīng)用于自動化系統(tǒng)，而無需進(jìn)行任何修改。本文對混合動力車輛的幾種動力技術(shù)進(jìn)行對比研究，主要是車輛控制策略的分析對比。首先是內(nèi)燃機(jī)（internal combustion engine，ICE）啟動，該方式主要在車輛初始啟動時使用；第二和第三是加擋，減擋過程。在ICE啟動期間，車輛可以3種模式供電：僅通過發(fā)動機(jī)、通過發(fā)動機(jī)和電動機(jī)、僅通過電動機(jī)；在第一種（僅發(fā)動機(jī)）模式中，第一擋接合，并且離合器打開，從而沒有轉(zhuǎn)矩傳遞到車輪；當(dāng)離合器開始接合時，由于作用在其摩擦表面上的軸向負(fù)載，通過輸入軸發(fā)生向第一齒輪組的漸進(jìn)轉(zhuǎn)矩傳遞，然后系統(tǒng)將控制權(quán)交給“升級”制度。

通常情況下，會使用ICE啟動的純電動模式，這些情況包括合適的高SOC，怠速啟停已經(jīng)停止發(fā)動機(jī)和來自駕駛員的低轉(zhuǎn)矩請求；在這種情況下，二擋以零速接合，并且離合器打開，使得它不會由電動機(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)。電機(jī)提供所需轉(zhuǎn)矩的100%，直到換擋計劃需要切換到二檔，或者低SOC導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起動，此時，發(fā)動機(jī)啟動，系統(tǒng)切換到“升擋”控制模式，已經(jīng)預(yù)先選擇了所需的擋位。在駕駛員提出高轉(zhuǎn)矩要求的情況下，ICE啟動可以使發(fā)動機(jī)和電動機(jī)都使發(fā)動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)推進(jìn)；因為在高轉(zhuǎn)矩時，1-2轉(zhuǎn)矩孔不能被電機(jī)完全充滿，所以可以通過以最大轉(zhuǎn)矩操作電機(jī)直到1-2擋完成，使其最小化。這一控制策略能夠最大限度地提高駕駛性能，每當(dāng)需要更高的擋位時，就會使用升擋機(jī)制，如圖4所示為車輛換擋時間表。

圖4 車輛換擋時間表

手動變速箱同步器用于匹配目標(biāo)擋位的速度并將其物理鎖定到軸上。同步器由一個爪形離合器和一個錐體組成：爪形離合器在錐體之后嚙合并使齒輪達(dá)到軸的速度，同步器在加速車輛方面提供更好的性能，并且在換檔期間沒有連續(xù)的轉(zhuǎn)矩傳遞的情況下更舒適地駕駛；當(dāng)同步器與電動轉(zhuǎn)矩填充器相結(jié)合時，硬件理想情況下不會導(dǎo)致路面牽引力矩的損失，還可以通過減少離合器摩擦片的磨損從而減少維護(hù)，更好地將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步到變速箱速度。

根據(jù)以上提出的控制策略分別采用仿真模擬的方式進(jìn)行性能測試。

圖5顯示了在最大節(jié)氣門條件下0～100 km/h的加速期間車輛的速度。

與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)相比，通過模擬以評估該車輛基準(zhǔn)測試的性能提升，在換擋過程中，實施了轉(zhuǎn)矩-填充控制方法。除了換擋期間，油門保持固定在100%開度。該仿真結(jié)果表明，使用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充傳動系統(tǒng)加速時間縮短了大約1.5 s，并且每次換擋期間的減速度都顯著降低。

圖5 ICE和混動車型的0～100 km/h加速度比較

圖6 表示在按照圖2所示動力結(jié)構(gòu)體系下的0～100 km/h行駛循環(huán)之后，當(dāng)從第二擋向第五擋升擋時，傳統(tǒng)和混動傳動系統(tǒng)的輸出軸轉(zhuǎn)矩對比。

圖6 0～100 km/h加速周期內(nèi)的輸出軸轉(zhuǎn)矩曲線

在每次升擋事件中，都有3個離散的轉(zhuǎn)矩振蕩響應(yīng)，分離離合器引起第一轉(zhuǎn)矩激勵，當(dāng)離合器打開時，發(fā)動機(jī)和飛輪的慣性與變速器分離；這種慣性的突然變化引起轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的激勵，同步齒輪導(dǎo)致第二個較小的激勵。當(dāng)前一擋失步，下一擋鎖定在輸出軸上時，由于同步器吸收的能量以及風(fēng)阻和軸承損失，會導(dǎo)致副軸速度發(fā)生變化，當(dāng)離合器重新接合時會發(fā)生第三次尖峰。圖中清楚地顯示了輸出軸上的轉(zhuǎn)矩激勵，比較原動力傳動系和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充傳動系的轉(zhuǎn)矩分布，當(dāng)系統(tǒng)以轉(zhuǎn)矩補(bǔ)給模式運(yùn)行時，顯示轉(zhuǎn)矩孔減少了約175 N·m，并且振蕩峰顯著減小。

3 結(jié)論

混合動力系統(tǒng)已經(jīng)成為業(yè)界的主要研究對象，本文對常見的混動動力模式進(jìn)行分析研究，對通用的混動系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，其集成了一臺電動機(jī)，通過減少換擋期間的轉(zhuǎn)矩孔來提供駕駛性能和舒適性，采用電動機(jī)需要開發(fā)車輛換擋控制策略，以通過在由換擋引起的瞬時振動期間主動控制電動機(jī)輸出來提高動力系統(tǒng)阻尼的性能。通過對轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充傳動系統(tǒng)可以與自動手動變速箱和傳統(tǒng)手動變速箱同樣成功使用，證明了電機(jī)的功率和占空比限制了其他系統(tǒng)組件（如電池和變流器）的尺寸和成本。