并聯(lián)型混合動力汽車DCT經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律研究

王 緒，黃 英，岳蕓鵬，李 剛

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 北汽股份有限公司 汽車研究院，北京 101300）

混合動力汽車的動力性與經(jīng)濟(jì)性主要受到兩方面的影響，一方面需要優(yōu)化能量管理與轉(zhuǎn)矩分配策略；另一方面需要制定合理的換擋策略，使發(fā)動機(jī)和電機(jī)工作在高效區(qū)[1]。換擋規(guī)律的好壞對整車的經(jīng)濟(jì)性、動力性、舒適性都有很大影響，這也是DCT的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

陳亮[3]以系統(tǒng)綜合效率最優(yōu)作為衡量指標(biāo)設(shè)計(jì)了DCT混合動力汽車在純電動模式、發(fā)動機(jī)模式、混合驅(qū)動模式、行車充電模式下的經(jīng)濟(jì)型升擋曲線，但是由于研究重點(diǎn)的限制，并未設(shè)計(jì)出降擋曲線。何仁等[4]以系統(tǒng)綜合效率最優(yōu)作為遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)對換擋點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了某裝備AMT的并聯(lián)型混合動力汽車在混合驅(qū)動模式下的換擋規(guī)律。趙韓等[5]針對某6擋DCT設(shè)計(jì)了最佳動力性換擋規(guī)律，最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律和綜合換擋規(guī)律，對整車油耗和換擋沖擊度進(jìn)行仿真。

目前應(yīng)用最廣泛的換擋規(guī)律是雙參數(shù)換擋，本文選取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和車速作為換擋參數(shù)，以等效燃油消耗最優(yōu)為衡量指標(biāo)設(shè)計(jì)了某P2.5構(gòu)型混合動力汽車在純電動模式、發(fā)動機(jī)模式、混合驅(qū)動模式和行車充電模式下的最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，并且針對此裝備DCT的P2.5構(gòu)型混合動力汽車特殊的結(jié)構(gòu)形式，提出了混合擋位的概念。建立混合動力汽車的仿真模型，對燃油經(jīng)濟(jì)性與動力性進(jìn)行仿真分析。

1 P2.5構(gòu)型系統(tǒng)方案

P2.5構(gòu)型混合動力傳動系統(tǒng)共有兩個(gè)動力源、一個(gè)永磁同步電機(jī)和一個(gè)汽油機(jī)，動力耦合裝置采用的是雙離合變速器。P2.5構(gòu)型與P2構(gòu)型不同的是其控制換擋和控制發(fā)動機(jī)動力傳遞的離合器都是變速器中的離合器，此外，主減速器與同步器等也都包含在動力傳動系統(tǒng)中，所以結(jié)構(gòu)更加緊湊。P2.5構(gòu)型插電式混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖 1 P2.5結(jié)構(gòu)方案

由圖可知，A、B、C、D分別為變速器中的4個(gè)同步器；C1與C2為兩個(gè)濕式多片離合器，C1與變速器輸入內(nèi)軸相連，內(nèi)軸連接偶數(shù)擋位（2、4、R擋），C2與變速器輸入外軸相連，外軸連接奇數(shù)擋位（1、3、5擋），通過濕式離合器的分離和接合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式。各個(gè)驅(qū)動模式的不同擋位下離合器與同步器的工作狀態(tài)見表1。

表1 各擋位離合器與同步器的工作狀態(tài)

P2.5構(gòu)型混合動力系統(tǒng)純電動模式有2個(gè)前進(jìn)擋EV2、EV4和1個(gè)倒擋EVR2，發(fā)動機(jī)模式有5個(gè)前進(jìn)擋ICE1、ICE2、ICE3、ICE4、ICE5和1個(gè)倒擋ICER，混動模式有6個(gè)前進(jìn)擋ICE1EV2、ICE2EV2、ICE3EV2、ICE3EV4、ICE4EV4、ICE5EV4和1個(gè)倒擋ICEREVR2，某些混動擋位（如ICE1EV4、ICE2EV4和ICE5EV2），雖然從機(jī)械上能實(shí)現(xiàn)，但是這3種擋位不滿足合理換擋的原則。合理換擋要滿足的第1個(gè)條件是相鄰混合擋位之間不跳擋，即混合擋位按照從高到低或從低到高換擋時(shí)，發(fā)動機(jī)和電機(jī)都不能跳擋，同時(shí)為了降低擋位變化的復(fù)雜性，本研究選擇的混動擋位中發(fā)動機(jī)擋位相對于電機(jī)擋位的關(guān)系為小1擋、等于或大1擋；第2個(gè)要滿足的條件是相鄰混合擋位之間發(fā)動機(jī)和電機(jī)不能同時(shí)換擋，同時(shí)換擋會造成動力中斷，還會增大換擋沖擊，對控制的要求較高。在合理換擋原則的基礎(chǔ)上對混合擋位進(jìn)行排序，得到混合擋位H1～H6的排列順序，見表2。各擋位傳動比見表3。

表2 混合擋位排列順序

表3 發(fā)動機(jī)與電機(jī)擋位傳動比

2 基于規(guī)則的能量管理策略

本研究的能量管理策略采用傳統(tǒng)的CD-CS（Charge Depleting-Charge Sustaining）策略，當(dāng)電池電量高時(shí)，車輛處于電量消耗模式（CD模式），當(dāng)電池電量低時(shí)，車輛進(jìn)入電量保持模式（CS模式），根據(jù)不同模式下發(fā)動機(jī)與電池的特性來分別設(shè)計(jì)CD、CS模式中具體的驅(qū)動模式，所研究的PHEV有4種驅(qū)動模式：發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式、純電動模式、混合驅(qū)動模式和行車充電模式。為充分利用電池電能，在CD-CS模式的基礎(chǔ)上對CS模式進(jìn)一步細(xì)分為CS1、CS2與行車充電模式，如圖2所示，SOC閾值見表4。

表4 SOC閾值

圖2 動力電池工作模式劃分

2.1 CD模式驅(qū)動模式劃分及動力源轉(zhuǎn)矩分配

在CD模式下，電池電量充足，為了多用電網(wǎng)中便宜的電而盡可能地采用純電動驅(qū)動模式。本研究中制定的規(guī)則為：所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩減去倒拖發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te_st時(shí)（從純電動驅(qū)動模式進(jìn)入混合驅(qū)動模式需要電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)啟動），均采用純電動驅(qū)動模式，其它情況采用混合驅(qū)動模式，如圖3所示。

圖3 CD模式下驅(qū)動模式劃分

對于混合驅(qū)動模式，在轉(zhuǎn)矩分配時(shí)優(yōu)先考慮發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性，即讓發(fā)動機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)性線上，不足的轉(zhuǎn)矩由電機(jī)補(bǔ)充，如式（1）所示。

式中：Te、Tm、Te_opt和Treq分別為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性線轉(zhuǎn)矩、需求轉(zhuǎn)矩，Nm；ie和im分別為發(fā)動機(jī)擋位與電機(jī)擋位傳動比。

2.2 CS模式驅(qū)動模式劃分

CS模式下的驅(qū)動模式劃分主要考慮電池SOC及發(fā)動機(jī)效率，當(dāng)電池處于CS1模式時(shí)，認(rèn)為可以正常使用電機(jī)驅(qū)動；當(dāng)電池處于CS2模式時(shí)，只在動力不足時(shí)才采用電機(jī)驅(qū)動；當(dāng)電池處于強(qiáng)制充電模式時(shí)，電池進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)域，為了保護(hù)電池而停止使用電機(jī)驅(qū)動，此時(shí)車輛用于驅(qū)動的最大轉(zhuǎn)矩即為發(fā)動機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩，當(dāng)行駛需求轉(zhuǎn)矩超過發(fā)動機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩時(shí)會出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象。CS模式下的驅(qū)動模式劃分如圖4和圖5所示。

圖4 CS模式下驅(qū)動模式劃分

圖5 CS模式下驅(qū)動模式劃分

CS模式下的行車充電模式轉(zhuǎn)矩分配與CD模式混合驅(qū)動模式相同，發(fā)動機(jī)工作于最佳經(jīng)濟(jì)性線上，行車充電模式在汽車低負(fù)荷時(shí)啟用，發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于汽車行駛動力源需求轉(zhuǎn)矩，多出來的轉(zhuǎn)矩用于克服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)電，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩定義為負(fù)值。混合驅(qū)動模式發(fā)動機(jī)工作在外特性線上，不足的轉(zhuǎn)矩由電機(jī)補(bǔ)充，如式（2）所示。

式中：Te_max為發(fā)動機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩，Nm。

3 經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

3.1 等效燃油消耗率定義

對于具有兩個(gè)動力源的插電式混合動力汽車，為了衡量整車的瞬時(shí)經(jīng)濟(jì)性，需要對兩個(gè)動力源的能耗進(jìn)行統(tǒng)一。設(shè)定等效轉(zhuǎn)換系數(shù)，將每一時(shí)刻電機(jī)消耗的電能按照市場價(jià)格換算成發(fā)動機(jī)的油耗，兩者的油耗率之和即為等效燃油消耗率[6-8]。

總等效燃油消耗率為：

發(fā)動機(jī)的燃油消耗率為：

電機(jī)的等效燃油消耗率為：

式中：ffuel為整車的等效燃油消耗率，g/s；fe為發(fā)動機(jī)的燃油消耗率，g/s；fm為電機(jī)的等效燃油消耗率，g/s；ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Pe為發(fā)動機(jī)功率，kW；Pm為電機(jī)功率，kW；ηm為電機(jī)工作效率；ηb為電池工作效率；be為發(fā)動機(jī)比油耗，g/(kWh)；λ為等效轉(zhuǎn)換系數(shù)，g/(kWh)。

本研究根據(jù)北京市2019年4月30日的93號汽油價(jià)格7.15元/L，北京市居民用電價(jià)格平均價(jià)格0.6元/kW換算得到等效轉(zhuǎn)換系數(shù)為62 g/(kWh)。

3.2 發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式下的燃油消耗率為：

換擋的優(yōu)化目標(biāo)為：

約束條件為：

在設(shè)計(jì)換擋規(guī)律之前首先計(jì)算發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式下不同擋位所能達(dá)到的最高車速，以此作為換擋規(guī)律設(shè)計(jì)的一個(gè)約束條件。將發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式下不同擋位的最大驅(qū)動力與行駛阻力畫在一張圖中，如圖6所示，其中行駛阻力與各擋位驅(qū)動力交點(diǎn)所對應(yīng)的車速最大值為該模式下的最大車速。由圖可知，發(fā)動機(jī)模式在4擋時(shí)得到的最高車速為185 km/h，這與普通車輛一般在最高擋位得到最高車速不同，由于該混合動力汽車裝備的發(fā)動機(jī)的特性與車輛行駛阻力特性，使該車的最高車速出現(xiàn)在4擋上，所以該車如果想要達(dá)到最高車速需要換到4擋而不是最高擋位5擋。

圖6 發(fā)動機(jī)模式最高車速

然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式下不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩和車速下發(fā)動機(jī)各擋位的油耗率，如圖7所示，提取出相鄰擋位之間的交線即為兩個(gè)擋位之間的升擋線，如圖8所示，實(shí)線表示的是升擋線。

在換擋的過程中，為了避免出現(xiàn)循環(huán)換擋的現(xiàn)象，需要設(shè)置換擋延遲，換擋延遲定義如式（9）所示。

式中：d為換擋延遲；vn為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，n擋升入n+1擋時(shí)的車速，km/h；vn+1為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，n+1擋降到n擋時(shí)的車速，km/h。

本研究的換擋屬于兩參數(shù)換擋，兩參數(shù)的換擋延遲可分為收斂型、發(fā)散型、等延遲型和組合型[9-10]，收斂型換擋延遲隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而減小，發(fā)散型換擋延遲隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而增大，等延遲型換擋不隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，組合型換擋則是由幾種類型的換擋規(guī)律組合起來的。

參考周金松[11]論文中收斂系數(shù)的定義得到公式為：

參考文獻(xiàn)[11]將收斂系數(shù)k1取為0.15，可由升擋規(guī)律得到降擋規(guī)律，此種換擋規(guī)律為發(fā)散型，如圖8所示。圖中虛線為降擋線。

圖7 發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式燃油消耗率

圖8 發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式發(fā)散型換擋規(guī)律

通過式（10）定義的收斂系數(shù)，在車速增加時(shí)只能實(shí)現(xiàn)發(fā)散型換擋規(guī)律，所以本研究進(jìn)一步定義收斂型換擋規(guī)律中的換擋系數(shù)k2：

為了適應(yīng)不同負(fù)荷下的工作特點(diǎn)，在已有的升擋規(guī)律曲線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)組合型換擋規(guī)律，本研究的收斂系數(shù)參考文獻(xiàn)中選用的系數(shù)[12]。發(fā)動機(jī)在中小負(fù)荷時(shí)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩在該擋位的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩0～50%時(shí)，該段保持高速穩(wěn)定行駛于簡單路況階段，為了減小振動噪聲，使發(fā)動機(jī)工作在較低轉(zhuǎn)速，并且隨著車速增大，減小換擋延遲，使車輛在高速時(shí)易于升入高擋，提升燃油經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)為收斂型換擋規(guī)律，取k2=1 000；發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷時(shí)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩在該擋位的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的50%～85%時(shí)，該段車輛在大負(fù)荷工況下平穩(wěn)運(yùn)行或者處于加速階段，主要考慮車輛行駛的動力性，大負(fù)荷時(shí)降擋后的車速較低，發(fā)動機(jī)有較大的驅(qū)動力矩，使車輛動力性能夠得到滿足，此時(shí)的換擋規(guī)律設(shè)計(jì)為發(fā)散型，取k1=0.25；經(jīng)過一段發(fā)散型換擋后，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于85%該擋位最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，換擋延遲已經(jīng)較大，并且在這種極大負(fù)荷的工況下加速的可能性已經(jīng)較小，所以主要考慮經(jīng)濟(jì)性，在此設(shè)計(jì)強(qiáng)制降擋，降擋線在該段平行于車速線，使降擋線與升擋線能夠盡快接近，以使上個(gè)階段造成的大換擋延遲能夠迅速減小，在此之后的換擋規(guī)律采用等延遲型換擋規(guī)律，換擋延遲選擇為8 km/h。圖9所示為設(shè)計(jì)的組合型換擋規(guī)律。

圖9 發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式組合型換擋規(guī)律

3.3 混合驅(qū)動模式換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

混合驅(qū)動模式下的燃油消耗率為：

換擋的優(yōu)化目標(biāo)為：

約束條件為：

各擋位的最高車速作為混動模式換擋規(guī)律設(shè)計(jì)的約束條件，其計(jì)算方法與發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式類似，將混合驅(qū)動模式下各擋位的驅(qū)動力與行駛阻力畫在一張圖中，如圖10所示，混合驅(qū)動模式的最高車速在混合擋位H6時(shí)為235 km/h，在加入電機(jī)驅(qū)動后，在最高擋位得到混合驅(qū)動模式的最高車速。

圖10 混合驅(qū)動模式最高車速

以混合擋位為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于瞬時(shí)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的混合驅(qū)動模式換擋規(guī)律。首先根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到混合驅(qū)動模式下不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩和車速下各個(gè)混合擋位的油耗率，如圖11所示，提取出相鄰擋位之間的交線即為兩個(gè)擋位之間的升擋線，如圖12所示（實(shí)線為升擋線，虛線為降擋線），再由收斂系數(shù)k1=0.15得到降擋線，設(shè)計(jì)成發(fā)散型換擋規(guī)律。與發(fā)動機(jī)模式類似，采取相同的分段方式畫出組合型換擋規(guī)律，如圖13所示。

圖11 混合驅(qū)動模式燃油消耗率

圖12 混合驅(qū)動模式發(fā)散型換擋規(guī)律

圖13 混合驅(qū)動模式組合型換擋規(guī)律

DCT實(shí)現(xiàn)了不同動力源之間的轉(zhuǎn)矩耦合，即輸出轉(zhuǎn)矩為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的線性組合，所以可以通過調(diào)整電機(jī)的工作點(diǎn)來調(diào)整發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)，如混動模式H5到H6，對應(yīng)著發(fā)動機(jī)4擋到5擋，但是這與發(fā)動機(jī)模式下的4擋到5擋升擋規(guī)律有著極大不同，混動模式換擋車速增大，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大。這是因?yàn)橛须姍C(jī)的助力，當(dāng)車速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，即需求功率相同時(shí)，混動模式發(fā)動機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩相對于發(fā)動機(jī)模式要小很多，所以當(dāng)車速相同時(shí)，混動模式降擋線的轉(zhuǎn)矩相對于發(fā)動機(jī)模式更大，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同時(shí)，混動模式升擋線車速相對于發(fā)動機(jī)模式也更大。

3.4 行車充電模式換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

行車充電模式下的燃油消耗率為：

換擋的優(yōu)化目標(biāo)為：

約束條件為：

行車充電模式也采用混合擋位，混合擋位排列順序與混合驅(qū)動模式相同。發(fā)動機(jī)模式可以看作是一種電機(jī)的充電功率為0的特殊行車充電模式，所以行車充電模式的最高車速與發(fā)動機(jī)模式相同，出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)4擋的擋位組合，對應(yīng)的混合擋位為H5，最高車速即為發(fā)動機(jī)模式的最高車速185 km/h，這又與混合驅(qū)動擋位不同，最高車速并不是出現(xiàn)在最高擋位。

行車充電各個(gè)擋位的油耗率，如圖14所示。行車充電模式發(fā)散型換擋規(guī)律如圖15所示（實(shí)線為升擋線，虛線為降擋線），由收斂系數(shù)k1=0.15得到發(fā)散型換擋規(guī)律的降擋線。行車充電模式組合型換擋規(guī)律如圖16所示，組合型換擋規(guī)律在大負(fù)荷區(qū)也設(shè)計(jì)了強(qiáng)制降擋功能。

圖14 行車充電模式燃油消耗率

圖15 行車充電模式發(fā)散型換擋規(guī)律

圖16 行車充電模式組合型換擋規(guī)律

3.5 純電動模式換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

純電動模式下的等效燃油消耗率為：

純電動模式兩擋的最高車速相同，均為117 km/h，如圖17所示。

圖17 純電動模式最高車速

純電動2擋和4擋的等效油耗率，如圖18所示?？紤]到模式切換涉及到純電動驅(qū)動過程中啟動發(fā)動機(jī)的過程，需要由電機(jī)倒拖發(fā)動機(jī)，倒拖過程中電機(jī)一側(cè)離合器盤片的轉(zhuǎn)速必須大于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，有EV2→ICE2EV2、EV4→ICE4EV4兩種情況，為了在EV4→ICE4EV4的情況下也能完成倒拖發(fā)動機(jī)的過程，將電機(jī)在4擋把發(fā)動機(jī)倒拖到發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的1 000 r/min時(shí)所對應(yīng)的車速設(shè)置為4擋的最低車速，即4擋降擋車速邊界線為41.25 km/h，其余部分按照2擋油耗率交線制定換擋規(guī)律中的降擋線。純電動模式下的換擋延遲應(yīng)使電機(jī)工作在高效區(qū)，考慮到在油耗率交線處為兩個(gè)擋位的高效區(qū)，如圖18所示，純電動2擋和4擋在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩和車速下的燃油消耗率曲線貼合在一起，油耗率相差不大，并且純電動模式2擋和4擋傳動比相差較大，如果頻繁換擋會造成電機(jī)轉(zhuǎn)速有較大的變化，所以將純電動模式的換擋規(guī)律設(shè)計(jì)為等延遲型換擋規(guī)律，換擋延遲一般為2～8 km/h[13]，本研究選取5 km/h，如圖19所示。

圖18 純電動模式燃油消耗率

圖19 純電動模式等延遲型換擋規(guī)律

4 能量管理策略與換擋規(guī)律關(guān)系

本研究的換擋規(guī)律是基于能量管理策略中的轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則設(shè)計(jì)的，那么能量管理策略與換擋規(guī)律之間是否存在耦合關(guān)系，更改能量管理策略是否需要重新設(shè)計(jì)換擋規(guī)律，本文對此進(jìn)行了分析。

以CD模式下的混合驅(qū)動模式為例，CD模式下的混合驅(qū)動模式以用電為主，發(fā)動機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性線上，其余的轉(zhuǎn)矩需求由電機(jī)補(bǔ)足。同時(shí)，根據(jù)DCT的轉(zhuǎn)矩耦合關(guān)系可得式（19）和式（20）。

式中：To為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Nm；v為車速，km/h；r為滾動半徑，m。

在某一工況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與車速均為確定值，由式（20）可知，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ne與電機(jī)轉(zhuǎn)速nm皆為混合擋位H的單值函數(shù)。由轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則可知，發(fā)動機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性線上，所以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩Te只由轉(zhuǎn)速決定，進(jìn)而可知發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩也是混合擋位H的單值函數(shù)，再由式（19）得到的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm也為混合擋位H的單值函數(shù)。由此可知，Te，Tm，ne，nm，ie，im皆為H的單值函數(shù)。

混合驅(qū)動模式下的優(yōu)化目標(biāo)，即升擋規(guī)律的求解方法為式（13）。由式（13）可知，影響升擋規(guī)律求解的變量有Te，Tm，ne，nm，由上文分析可知獨(dú)立變量只有混合擋位H，那么式（13）中的獨(dú)立變量只有混合擋位H，如式（21）所示。

由此可見，當(dāng)發(fā)動機(jī)采用功率跟隨策略時(shí)，即發(fā)動機(jī)運(yùn)行在一條確定的工作曲線上時(shí)，利用本文的方法設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律并不受模式切換規(guī)則的影響，即能量管理策略與換擋規(guī)律可以分開設(shè)計(jì)。

需要說明的是，當(dāng)發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于發(fā)動機(jī)的動態(tài)特性，在過渡階段可能會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)偏離目標(biāo)工作曲線的現(xiàn)象，在這個(gè)過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩并不與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)確定關(guān)系，但是動態(tài)過程的控制并不屬于能量管理控制層面。根據(jù)整車控制系統(tǒng)的分層控制邏輯[14]，控制邏輯可以分為3層，即整車管理層、協(xié)調(diào)控制層和執(zhí)行層，能量管理與轉(zhuǎn)矩分配屬于整車管理層，能量管理的工作是進(jìn)行動力源的功率分配，然后根據(jù)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則確定動力源的具體穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，例如本文第2節(jié)設(shè)計(jì)的能量管理策略中的混動模式，處于CD模式時(shí)，發(fā)動機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)性曲線上；處于CS模式時(shí)，發(fā)動機(jī)工作在外特性曲線上，利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，便可以確定具體的發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，但是這個(gè)過程并不考慮動態(tài)過程中工作點(diǎn)偏移的情況。事實(shí)上對于動態(tài)過程的控制屬于協(xié)調(diào)控制層與執(zhí)行層的工作，協(xié)調(diào)控制綜合考慮各部件的動態(tài)特性，制定控制策略來滿足整車管理層的工作指令，同時(shí)使性能指標(biāo)得到滿足，其中就包括發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)換過程的協(xié)調(diào)控制，協(xié)調(diào)控制層通過控制離合器加載過程和利用電機(jī)功率補(bǔ)償?shù)确绞绞拱l(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)整時(shí)間得到滿足，同時(shí)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波動較小。由此可見，協(xié)調(diào)控制策略與換擋規(guī)律有著很強(qiáng)的耦合關(guān)系，而事實(shí)上也正是這樣，協(xié)調(diào)控制主要包括動力源動態(tài)過程協(xié)調(diào)控制、模式切換的協(xié)調(diào)控制和換擋過程的協(xié)調(diào)控制，因此，協(xié)調(diào)控制策略需要根據(jù)換擋規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本研究的能量管理策略為基于規(guī)則的能量管理策略，主要以經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)，同時(shí)換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)也是以經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)，所以可以理解為能量管理部分的工作是在一定的約束條件下進(jìn)行的，以使動力源部分的系統(tǒng)效率最優(yōu)。而換擋規(guī)律設(shè)計(jì)部分是使動力耦合裝置的系統(tǒng)效率最優(yōu)，最終的目的是使動力傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)，如式（22）所示，所以本研究采用的基于規(guī)則的能量管理策略與經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律可以分別設(shè)計(jì)，不需要耦合考慮。

式中：ηsystem、ηpower、ηclutch和ηtrans分別為系統(tǒng)綜合效率、動力源效率、變速器效率和其它傳動部件效率。

將不同模式的換擋規(guī)律線畫到能量管理模式分區(qū)圖中[1,3]，如圖20所示。由圖可知，當(dāng)能量管理的模式切換線改變時(shí)，對于換擋規(guī)律只是截取的部分不同，但是換擋規(guī)律并不需要重新設(shè)計(jì)。

圖20 模式切換與換擋規(guī)律

5 仿真模型

本研究采用前向仿真建模法，如圖21所示，在 Matlab/Simulink中搭建了插電式混合動力P2.5構(gòu)型的前向仿真模型，在給定循環(huán)工況和已有的能量管理策略的基礎(chǔ)上對換擋規(guī)律進(jìn)行仿真驗(yàn)證。該模型包括了駕駛員模型、控制模型、發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)模型、電池模型、變速器模型及整車模型。

駕駛員模塊利用PI控制器來模擬駕駛員的駕駛操作，根據(jù)循環(huán)工況下的目標(biāo)車速與整車模型輸出的實(shí)際車速的差值來修正車輛的需求轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機(jī)模型主要根據(jù)需求轉(zhuǎn)矩和需求轉(zhuǎn)速，通過由試驗(yàn)數(shù)據(jù)制成的Map圖來插值求出發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和油耗量。電機(jī)模型與發(fā)動機(jī)模型類似，也是需求轉(zhuǎn)矩和需求轉(zhuǎn)速作為輸入來插值求出電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和等效油耗量。電池模型主要計(jì)算出SOC的變化情況，采用Rint模型[15]，通過安時(shí)積分法來計(jì)算SOC。變速器模型用來確定不同擋位的傳動比。整車模塊主要計(jì)算車輛縱向動力學(xué)，輸出實(shí)際車速。部分仿真參數(shù)見表5。

圖21 前向仿真模型結(jié)構(gòu)

表5 部分仿真參數(shù)

6 仿真結(jié)果分析

本研究選取1個(gè)NEDC工況作為仿真驗(yàn)證工況，根據(jù)初始SOC的不同可以分為兩種出行情況，高電量出行與低電量出行。高電量出行時(shí)，車輛工作在CD模式；低電量出行時(shí)，車輛工作在CS模式。其中，純電動模式換擋規(guī)律只使用等延遲型換擋規(guī)律，其它模式換擋規(guī)律分別采用發(fā)散型與組合型進(jìn)行對比分析。

6.1 高電量出行仿真結(jié)果分析

高電量出行初始SOC為60%，由第2節(jié)可知，此時(shí)車輛工作于CD模式，CD模式包括兩種驅(qū)動模式，即純電動模式和混動模式，由于本車型選用的電機(jī)功率較大，所以能夠滿足NEDC工況的大部分功率需求，只有功率需求較高時(shí)才會出現(xiàn)混動模式。高電量出行時(shí)仿真目標(biāo)車速與實(shí)際車速的對比如圖22所示。由圖可知，設(shè)計(jì)的純電動等延遲型換擋規(guī)律配合混動發(fā)散型或組合型換擋規(guī)律都能滿足車輛行駛的動力性要求。仿真中SOC的變化軌跡如圖23所示。由圖可知，混動模式采用兩種不同的換擋規(guī)律，SOC的軌跡差別不大，只在行駛末端產(chǎn)生了一些偏差，這是由于CD階段主要為純電動模式，只有少數(shù)工況會采用混動模式，而這也符合能量管理策略中CD階段盡量多用電的設(shè)計(jì)規(guī)則。由于CD模式中主要用電，混動模式使用較少，所以油耗差別較小，如圖24和圖25所示。兩種換擋規(guī)律造成的差別見表6。

圖22 仿真目標(biāo)車速與實(shí)際車速的對比（高電量出行）

圖23 SOC變化軌跡（高電量出行）

圖24 發(fā)散型換擋規(guī)律油耗（高電量出行）

圖25 組合型換擋規(guī)律油耗（高電量出行）

表6 CD模式下兩種換擋規(guī)律數(shù)據(jù)對比

6.2 低電量出行仿真結(jié)果分析

低電量出行初始SOC為15%，根據(jù)第2節(jié)中的能量管理策略，此時(shí)車輛工作在CS模式下，這個(gè)階段主要使用行車充電模式和發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式，純電動模式和混動模式出現(xiàn)頻率較小。低電量出行時(shí)仿真目標(biāo)車速與實(shí)際車速的對比，如圖26所示，實(shí)際車速可以很好地跟蹤目標(biāo)車速，動力性得到保證。該混合動力汽車在使用兩種不同換擋規(guī)律的情況下，經(jīng)過一個(gè)NEDC工況后電池SOC的變化情況，如圖27所示。由圖可知，發(fā)散型換擋規(guī)律在一個(gè)NEDC工況后，電池的SOC更高，說明相比于組合型換擋規(guī)律，使用發(fā)散型換擋規(guī)律會使發(fā)動機(jī)的功率用于充電的部分更多。

圖26 仿真目標(biāo)車速與實(shí)際車速的對比（低電量出行）

圖27 SOC變化軌跡（低電量出行）

圖28與圖29分別為發(fā)散型與組合型換擋規(guī)律的等效油耗圖，電機(jī)在行車充電模式下利用發(fā)動機(jī)的能量充電將能量儲存進(jìn)電池，所以電機(jī)的等效油耗為負(fù)數(shù)，發(fā)動機(jī)的功率有一部分被電機(jī)用于發(fā)電，所以總的等效油耗小于發(fā)動機(jī)的油耗。同時(shí)，對比圖28和圖29可以看出發(fā)散型換擋規(guī)律的發(fā)動機(jī)油耗與總等效油耗高于組合型換擋規(guī)律，說明組合型換擋規(guī)律有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。兩種換擋規(guī)律下發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)分布見圖30和圖31，由發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的分布情況可知，發(fā)散型換擋規(guī)律的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)偏離最佳經(jīng)濟(jì)性線的點(diǎn)較多，且功率較大，這意味著用來充電的功率更大，所以才造成了SOC變化軌跡與油耗的區(qū)別，具體對比數(shù)據(jù)見表7。

圖28 發(fā)散型換擋規(guī)律油耗（低電量出行）

圖29 組合型換擋規(guī)律油耗（低電量出行）

圖30 發(fā)散型換擋規(guī)律發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布

圖31 組合型換擋規(guī)律發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布

表7 兩種換擋規(guī)律數(shù)據(jù)對比

7 結(jié)論

（1）本研究首先設(shè)計(jì)了基于規(guī)則的能量管理策略，然后以等效燃油消耗率最優(yōu)為目標(biāo)為某P2.5構(gòu)型裝備DCT的并聯(lián)型混合動力汽車設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律，并在混合驅(qū)動模式和行車充電模式工況下，針對構(gòu)型特點(diǎn)提出混合擋位的概念。最后對設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律進(jìn)行仿真，并進(jìn)行對比分析得到相應(yīng)結(jié)論，可以為后續(xù)的標(biāo)定工作提供一定的指導(dǎo)。

（2）該車型組合型換擋規(guī)律的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于發(fā)散型換擋規(guī)律，但是組合型換擋規(guī)律對于電池的充電速率比發(fā)散型換擋規(guī)律慢，組合型換擋規(guī)律的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)更接近最佳經(jīng)濟(jì)性線。

（3）探討了本研究設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩耦合方式的混合動力汽車能量管理策略與換擋規(guī)律之間的關(guān)系，由此得出結(jié)論，利用本文的方法設(shè)計(jì)的能量管理策略與換擋規(guī)律之間不存在耦合關(guān)系，可以分別設(shè)計(jì)。這種分析方法同樣適用于轉(zhuǎn)速耦合與功率耦合，但是相關(guān)結(jié)論有待進(jìn)一步研究。