PHEV動(dòng)力系統(tǒng)匹配及控制策略研究

胡秋玲

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引言

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源轉(zhuǎn)型需求的增大，在政策扶持的有利條件下，各大車企都紛紛投入新能源車型的研發(fā)。相比于純電汽車存在的續(xù)駛里程短、充電困難等諸多問(wèn)題，混合動(dòng)力汽車由于相對(duì)可靠，滿足使用需求而被推廣。在混合動(dòng)力汽車中，插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Plug-in HEV，PHEV)可以兼顧純電和燃油汽車的優(yōu)勢(shì),它可外接充電作純電動(dòng)車節(jié)能減排，又可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電作增程混動(dòng)車增加續(xù)駛里程，還可以發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)作傳統(tǒng)燃油車[1]。

各大車企在混動(dòng)開(kāi)發(fā)上都有相關(guān)技術(shù)，如豐田ECVT行星齒輪混動(dòng)技術(shù)、本田I-MMD技術(shù)、通用Voltec雙行星齒輪混動(dòng)技術(shù)等。這類混動(dòng)技術(shù)都有一個(gè)共同的問(wèn)題，它們的變速箱都相對(duì)復(fù)雜，且其中一個(gè)電機(jī)始終作為發(fā)電機(jī)使用，沒(méi)有利用發(fā)電機(jī)既可發(fā)電又可驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)上述PHEV系統(tǒng)都是將兩個(gè)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)處于同一驅(qū)動(dòng)軸上，沒(méi)有充分利用地面附著力提升整車動(dòng)力。

此研究針對(duì)上述混動(dòng)車存在的問(wèn)題，提出一種全新的PHEV結(jié)構(gòu)，進(jìn)行動(dòng)力總成的參數(shù)匹配，并進(jìn)行相關(guān)控制策略的研究，最后利用Cruise和Simulink軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)驗(yàn)證。

1 PHEV混動(dòng)形式及動(dòng)力參數(shù)匹配

1.1 PHEV混動(dòng)形式

目前根據(jù)電機(jī)布置位置不同可分為P0、P1、P2、PS、P3、P4，如圖1所示。P0為電機(jī)布置在帶輪處，通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連接；P1為電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)之后離合器之前，與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性相連；P2為電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間，與發(fā)動(dòng)機(jī)之間有離合器，在離合器后變速箱前;PS為電機(jī)集成在變速箱內(nèi)部；P3為電機(jī)布置在變速器輸出端；P4為電機(jī)布置在后橋[2]。

根據(jù)耦合方式不同，動(dòng)力耦合裝置可分為轉(zhuǎn)矩耦合式、轉(zhuǎn)速耦合式以及混合耦合式3 類。轉(zhuǎn)矩耦合式各動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立，轉(zhuǎn)速符合一定的比例關(guān)系，動(dòng)力耦合器輸出的轉(zhuǎn)矩等于各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩的線性和；轉(zhuǎn)速耦合式各動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速相互獨(dú)立，而轉(zhuǎn)矩則成一定比例關(guān)系，動(dòng)力耦合器輸出的轉(zhuǎn)速等于各動(dòng)力源轉(zhuǎn)速的線性和；混合耦合式是一種采用前面2種耦合方式的動(dòng)力耦合[3]。

圖1 電機(jī)布置位置

研究采用PS+P4的轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)，如圖2所示，前橋由發(fā)動(dòng)機(jī)和集成電機(jī)PS單擋變速箱組成以驅(qū)動(dòng)前輪，后橋由單電機(jī)P4和單擋變速箱組成以驅(qū)動(dòng)后輪。電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)前后輪分布，可充分利用輪胎與路面的附著力，增加整車動(dòng)力性能。同時(shí)前橋發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的變速箱集成電機(jī)，由2個(gè)離合器K1和K2的開(kāi)閉切換工作模式，實(shí)現(xiàn)純電、增程、混動(dòng)、燃油驅(qū)動(dòng)等多種工作模式。

圖2 PHEV結(jié)構(gòu)形式

1.2 PHEV動(dòng)力參數(shù)匹配

1.2.1 功率匹配

(1)通過(guò)最高車速計(jì)算所需功率

以最高車速計(jì)算時(shí)，不考慮爬坡度和加速度[4-5]，功率應(yīng)滿足：

(1)

式中：P1為通過(guò)最高車速計(jì)算的動(dòng)力總成所需功率，kW；ηT為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；m為計(jì)算載荷工況下汽車的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ua為汽車行駛速度，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2。

(2)通過(guò)最大爬坡度計(jì)算所需功率

以最大爬坡度計(jì)算時(shí)，不考慮加速度[4-5],功率應(yīng)滿足：

(2)

式中:P2為通過(guò)最大爬坡度計(jì)算的動(dòng)力總成所需功率，kW；α為道路坡角，rad。

(3)通過(guò)加速時(shí)間計(jì)算所需功率

以百公里加速時(shí)間計(jì)算時(shí)，不考慮爬坡度[4-5]，功率應(yīng)滿足：

(3)

式中:P3為通過(guò)加速時(shí)間計(jì)算的動(dòng)力總成所需功率，kW；T為加速時(shí)間，s；dt為計(jì)算過(guò)程的迭代步長(zhǎng)，s；x為擬合系數(shù)。

根據(jù)最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間分別得出3個(gè)所需功率值，取最大值以滿足上述三者要求。即整車功率應(yīng)滿足：

P=max(P1,P2,P3)

(4)

在分配3個(gè)動(dòng)力源功率時(shí)，首先要滿足各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)的最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間所需功率要求；其次，此研究存在四驅(qū)模式，要考慮前后軸動(dòng)力分配；最后要滿足各個(gè)動(dòng)力總成的功率需求。如發(fā)動(dòng)機(jī)功率要考慮在經(jīng)濟(jì)區(qū)的巡航功率及發(fā)電功率、PS電機(jī)要滿足發(fā)電功率需求等。

1.2.2 變速箱速比匹配

考慮混動(dòng)機(jī)艙布置空間有限、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等因素，設(shè)計(jì)采用單擋速比。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速偏差較大，故設(shè)計(jì)相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)速比與電機(jī)速比，再通過(guò)主減速比輸出。

變速箱速比主要通過(guò)最高車速及最大爬坡度計(jì)算選取。

(1)以最高車速計(jì)算

以最高車速推算變速箱速比，速比應(yīng)滿足：

(5)

式中:ig為變速器速比；i0為主減速器速比；rd為車輪滾動(dòng)半徑，m;n為轉(zhuǎn)速，r/min。

(2)以最大爬坡度計(jì)算

以最大爬坡度推算變速箱速比，速比應(yīng)滿足：

(6)

式中:Ttq為動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

變速箱所選速比的范圍是在上述2個(gè)速比之間。

1.2.3 動(dòng)力電池匹配

PHEV混動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)就是能夠純電行駛一段里程，所以動(dòng)力電池電量需滿足純電續(xù)駛里程要求[6]。

(7)

式中：EB為動(dòng)力電池電量，kW·h；ηmc為電機(jī)及控制器效率；ηq為動(dòng)力電池平均放電效率；ηd為動(dòng)力電池放電深度；Pt為對(duì)應(yīng)車速下所需驅(qū)動(dòng)功率，kW。

由于PHEV混動(dòng)系統(tǒng)純電續(xù)駛里程低于純電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池電量相對(duì)較小，因此需要考慮動(dòng)力電池的充放電倍率是否能滿足行駛功率需求。如穩(wěn)態(tài)充電功率要滿足兩電機(jī)純電行駛時(shí)的額定功率需求，瞬時(shí)放電功率需要滿足電機(jī)峰值功率需求。

2 PHEV工作模式及控制策略

2.1 PHEV工作模式

根據(jù)K1和K2的開(kāi)閉，以及三動(dòng)力源的工作狀態(tài)，PHEV可分為多種工作模式:(1)K1、K2斷開(kāi)，電機(jī)P4工作為純電后驅(qū)動(dòng);(2)K1連接、K2斷開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)PS發(fā)電給P4為純電驅(qū)動(dòng)，多余電量提供給動(dòng)力電池;(3)K1斷開(kāi)、K2連接，電機(jī)PS和P4實(shí)現(xiàn)純電四驅(qū);(4)K1、K2連接，電機(jī)PS和P4不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)燃油前驅(qū);(5)K1、K2連接，電機(jī)P4不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)以特定扭矩輸出，部分扭矩克服路面附著力進(jìn)行前輪驅(qū)動(dòng)，多余的扭矩帶動(dòng)PS電機(jī)發(fā)電到動(dòng)力電池;(6)K1、K2連接，發(fā)動(dòng)機(jī)以特定扭矩輸出，部分扭矩克服路面附著力進(jìn)行前輪驅(qū)動(dòng)，多余的扭矩帶動(dòng)PS電機(jī)發(fā)電，電機(jī)P4工作。能源優(yōu)先由PS發(fā)電提供，如果PS所發(fā)電量不夠，則由動(dòng)力電池補(bǔ)充；如果PS所發(fā)電量大于P4所需功率，則PS所發(fā)電量供給P4，多余電量充入動(dòng)力電池;(7)K1、K2連接，發(fā)動(dòng)機(jī)及PS電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)前橋，P4不工作，實(shí)現(xiàn)混動(dòng)前驅(qū);(8)K1、K2連接，發(fā)動(dòng)機(jī)及PS電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)前橋，P4驅(qū)動(dòng)后橋，實(shí)現(xiàn)混動(dòng)四驅(qū)。

對(duì)于整個(gè)工作模式， K1、K2的開(kāi)閉及三動(dòng)力源的工作狀態(tài)為控制對(duì)象?？刂撇呗孕韪鶕?jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)這些控制對(duì)象進(jìn)行控制。

2.2 PHEV控制策略

控制策略的總原則是在保證動(dòng)力性的情況下盡可能地提高經(jīng)濟(jì)性。PHEV比傳統(tǒng)燃油車節(jié)省能源的原因就在于它可以通過(guò)控制策略讓各動(dòng)力總成工作在高效區(qū)。除了三動(dòng)力源的工作效率之外，PHEV系統(tǒng)還存在能源轉(zhuǎn)換效率及動(dòng)力電池充放電效率問(wèn)題。因此，整個(gè)控制策略就是讓各個(gè)系統(tǒng)工作效率達(dá)到最高。

首先，根據(jù)動(dòng)力電池的SOC與內(nèi)阻關(guān)系，確定禁止放電限定值和禁止充電限定值，將電池內(nèi)阻消耗率最低范圍作為電池的主動(dòng)充電區(qū)。如駕駛員啟動(dòng)車輛時(shí)，若電量較高，則車輛進(jìn)入純電行駛，電池進(jìn)入放電狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到充放電循環(huán)下限時(shí)，進(jìn)入充放電循環(huán)；若啟動(dòng)車輛時(shí)電量較低，則車輛進(jìn)入混動(dòng)充電模式，直到充放電循環(huán)上限時(shí)，進(jìn)入充放電循環(huán)，使電量始終在這一范圍內(nèi)，如圖3所示。

圖3 電池充放電循環(huán)

其次，發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終在高效區(qū)工作，在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下，高效扭矩大于驅(qū)動(dòng)所需扭矩時(shí)，可以將多余的扭矩提供給PS發(fā)電，PS可以直接提供電量P4驅(qū)動(dòng)或者進(jìn)入動(dòng)力電池。當(dāng)高效扭矩低于驅(qū)動(dòng)所需扭矩時(shí)，可以P4或PS電機(jī)補(bǔ)足。如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)間在轉(zhuǎn)速2 000～3 500 r/min，此時(shí)輸出扭矩在80～120 N·m，功率在18～45 kW之間。盡量讓發(fā)動(dòng)機(jī)在此區(qū)間工作，大于驅(qū)動(dòng)所需功率則將多余功率用于充電，小于驅(qū)動(dòng)所需功率則由P4或PS電機(jī)補(bǔ)足。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)效率MAP圖

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非經(jīng)濟(jì)段直驅(qū)和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇，需要對(duì)比效率后確定。由于是單速比，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)無(wú)法驅(qū)動(dòng)，此時(shí)由P4或PS驅(qū)動(dòng)。隨著車速提高，發(fā)動(dòng)機(jī)能驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換電能效率及電機(jī)效率，最終確定是由發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)還是由發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)點(diǎn)發(fā)電由電機(jī)P4驅(qū)動(dòng)。

由于是三動(dòng)力源，在電量充足的情況下，可以實(shí)現(xiàn)四驅(qū)及三動(dòng)力源同時(shí)驅(qū)動(dòng)工況。根據(jù)駕駛意圖，出現(xiàn)急加速、高速、起步、爬坡等工況時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)四驅(qū)或三動(dòng)力源同時(shí)驅(qū)動(dòng)。

另外根據(jù)路況出現(xiàn)打滑現(xiàn)象時(shí)也可以進(jìn)入四驅(qū)模式，充分利用路面附著力。

3 仿真分析

混動(dòng)模型在AVL Cruise軟件中建立，如圖5所示。

圖5 混動(dòng)模型

整車主要參數(shù)如表1所示，性能目標(biāo)要求見(jiàn)表2。

在Simulink軟件中建立混動(dòng)控制策略，與AVL Cruise軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試。

表1 整車參數(shù)

表2 整車性能目標(biāo)

圖6為PHEV混動(dòng)扭矩控制策略示意圖，根據(jù)SOC及車速確定初步扭矩分配值；再考慮起步、急加速、打滑等工況，進(jìn)行扭矩調(diào)整；最后考慮安全性，進(jìn)行相應(yīng)降扭等保護(hù)措施。

圖6 PHEV混動(dòng)扭矩控制策略

根據(jù)聯(lián)調(diào)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算值如表3所示，完全滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)要求。

表3 整車性能計(jì)算值

圖7所示為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)分布圖，圖8所示為文中混動(dòng)模型在充電循環(huán)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布圖。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，混動(dòng)控制策略能讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)集中在低油耗高扭矩區(qū)域，比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)集中在高油耗低扭矩區(qū)域有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖7 傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

圖8 PHEV混動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

4 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了全新的PHEV插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變速箱的簡(jiǎn)化，優(yōu)化了整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。實(shí)現(xiàn)了單擋速比即可達(dá)到高爬坡度、百公里加速時(shí)間5 s以及最高車速200 km/h的目標(biāo)。通過(guò)控制策略優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，使各系統(tǒng)都在高效區(qū)工作，實(shí)現(xiàn)整車的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。利用AVL Cruise與Simulink對(duì)控制策略聯(lián)合仿真，可以提前評(píng)估動(dòng)力匹配及策略的準(zhǔn)確性，縮短后期實(shí)車標(biāo)定周期。