雙電機串并聯(lián)混動系統(tǒng)性能仿真分析

虞衛(wèi)飛，杜成磊，代永剛，李杰

安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022

0 引言

1997年豐田汽車首次推出搭載第一代豐田混合動力系統(tǒng)(Toyota hybrid system,THS)的混動汽車Prius[1]，至2016年推出第四代THS混動系統(tǒng)，系統(tǒng)綜合效率逐步提升。本田、三菱、上汽、比亞迪等企業(yè)也相繼推出不同混動技術(shù)方案的量產(chǎn)車型[2-6]。近幾年隨著新能源汽車快速發(fā)展，電機、電控系統(tǒng)、電池的效率和功率密度大幅提升而成本大幅下降，推動混動汽車總成尺寸減小、節(jié)油效果提升，與傳統(tǒng)燃油車成本差距逐年縮小。2020年10月27日《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》發(fā)布，明確了混動汽車的主要目標，2025年混動新車占傳統(tǒng)能源乘用車的50%以上，至2035年混動新車占傳統(tǒng)能源乘用車的100%[7]。日益嚴格的汽車油耗標準與“雙積分”政策必將持續(xù)推動混動技術(shù)發(fā)展和混動汽車市場占有率的上升。

圖2 雙電機串并聯(lián)混動模式狀態(tài)機

目前乘用車主流混動技術(shù)路線大致可分為傳統(tǒng)變速箱與單電機、混動專用變速箱和雙電機、雙電機增程3類[8]，高端車型由于動力需求可能會增加1～2個電機(electric motor，EM)用于后驅(qū)[9]。電機可布置在發(fā)動機前端、發(fā)動機后端、離合器后、變速箱輸入軸4、變速箱輸出軸、后橋等位置，其中布置在變速箱輸入軸時需對傳統(tǒng)變速箱進行改造，使電機和發(fā)動機有更多的擋位組合。單電機混動模式一般有純電驅(qū)動、并聯(lián)驅(qū)動、發(fā)動機直驅(qū)、怠速發(fā)電和能量回收[10-11];雙電機混動增加串聯(lián)模式可以較大地改善小功率下的經(jīng)濟性。由于在中高速巡航時不能進行發(fā)動機直驅(qū)，雙電機增程綜合效率比雙電機串并聯(lián)混動略低。

1 雙電機串并聯(lián)混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

在某緊湊運動型多用途汽車(sport utility vehicle,SUV)上匹配雙電機串并聯(lián)混動系統(tǒng)，基于Matlab/Simulink進行混動系統(tǒng)仿真研究。該車軸距為2640 mm，整備質(zhì)量為1580 kg，前置前驅(qū)。

1.1 混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

混動系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，發(fā)電機(generator motor，GM)經(jīng)齒輪與發(fā)動機直連，驅(qū)動電機減速后與驅(qū)動軸直連，發(fā)動機與驅(qū)動軸之間安裝一個常開式離合器。離合器斷開時，發(fā)動機不參與驅(qū)動車輛;離合器閉合時，發(fā)動機參與驅(qū)動車輛。由于沒有倒擋換向齒輪，因此發(fā)動機不能直驅(qū)倒車。

圖1 雙電機串并聯(lián)混合動力部件結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)電機、驅(qū)動電機及混合動力電動汽車(hybrid electric vehicle,HEV)混動專用變速箱速比參數(shù)見表1，HEV動力電池參數(shù)見表2，該電池不支持外接充電。

表1 電機和變速箱參數(shù)

表2 動力電池參數(shù)

1.2 發(fā)動機參數(shù)

雙電機串并聯(lián)混動車輛動力主要依靠驅(qū)動電機提供，因此其對發(fā)動機功率、扭矩要求比傳統(tǒng)燃油車低，為提高系統(tǒng)綜合效率，匹配1.5T GDI直列四缸阿特金森循環(huán)汽油機，該發(fā)動機壓縮比較高、熱效率較高，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

2 雙電機串并聯(lián)混動系統(tǒng)控制策略

開發(fā)雙電機混動控制策略，包括純電驅(qū)動、串聯(lián)驅(qū)動、發(fā)動機直驅(qū)等混動模式，為穩(wěn)態(tài)模式。離合器開、閉和發(fā)動機起、停控制為4種過渡工況，通過條件判斷和狀態(tài)機管理實現(xiàn)不同工況之間切換，雙電機串并聯(lián)混動模式狀態(tài)機如圖2所示。

2.1 純電驅(qū)動

混動系統(tǒng)上電后默認進入純電驅(qū)動模式，若電池電量及電池可用放電功率滿足車輛驅(qū)動功率和車輛用電負載功率需求，則繼續(xù)處于該模式；若電池電量或電池可用功率不滿足條件，則需起動發(fā)動機進入串聯(lián)模式。

2.2 發(fā)動機起動和停機

純電模式到串聯(lián)模式的條件滿足時則進入發(fā)動機起動模式，起動成功則進入串聯(lián)模式，否則退回純電模式。發(fā)動機起動依靠發(fā)電機反拖發(fā)動機到目標轉(zhuǎn)速再執(zhí)行噴油點火，該過程比傳統(tǒng)起動機起動更快速、平穩(wěn)，排放更低。通過切斷發(fā)動機噴油和發(fā)電機輸出負扭矩，實現(xiàn)發(fā)動機的快速停機。

2.3 串聯(lián)驅(qū)動模式

車輛停車電量不足、純電行駛功率不足、加速功率不足等工況下車輛均會進入串聯(lián)驅(qū)動模式。串聯(lián)模式下發(fā)動機不直接驅(qū)動車輛，因此可運行在最佳經(jīng)濟工況，提高中、低車速行駛時系統(tǒng)綜合效率；急加速時發(fā)動機可以快速運行到高轉(zhuǎn)速、大功率工況，通過驅(qū)動電機實現(xiàn)大功率迅速輸出，且無動力中斷，因此其動力性更強。

2.4 離合器閉合和打開

通過離合器打開和閉合實現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)模式切換。為減少模式切換導(dǎo)致的車輛抖動，離合器關(guān)閉前由發(fā)動機與發(fā)電機協(xié)調(diào)控制離合器主動盤轉(zhuǎn)速與從動盤轉(zhuǎn)速一致，然后離合器閉合，離合器完全閉合后，通過扭矩分配控制發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機的扭矩。離合器打開時，通過發(fā)動機和發(fā)電機調(diào)整離合器主動盤端扭矩為0，然后打開離合器。

2.5 并聯(lián)驅(qū)動模式

車輛穩(wěn)定在中高車速巡航時，由于發(fā)電機和驅(qū)動電機的效率損失，串聯(lián)模式不是最優(yōu)，此時應(yīng)進入并聯(lián)模式，實現(xiàn)發(fā)動機直驅(qū)。此時發(fā)動機不一定在同功率最經(jīng)濟工況，但應(yīng)在經(jīng)濟工況，系統(tǒng)綜合效率最高。

根據(jù)動力性、經(jīng)濟性、各部件運行邊界及各混動模式的工作特點，確定不同車輛行駛工況最佳工作模式區(qū)域劃分如圖3所示。在實際運行中，需綜合考慮電池、電機和發(fā)動機狀態(tài)及加減速意愿等，對實際混動模式適時調(diào)整。

圖3 不同混動模式區(qū)域示意圖

3 仿真模型建立及測試

3.1 建模

為檢驗雙電機混動控制策略的準確性，基于Matlab/Simulink搭建被控對象仿真模型進行聯(lián)合測試，仿真模型如圖4所示。駕駛員模型負責全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycles，WLTC)測試或0～100 km/h加速時油門、制動等信號的調(diào)整和輸入。被控對象模型包含發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機、動力電池、直流轉(zhuǎn)換器(direct current-direct current converter,DCDC)、變速箱和車輛模型以及各模型之間接口。根據(jù)萬有特性曲線中油耗數(shù)據(jù)建立發(fā)動機原始模型，然后輔以溫度模型修正。動力電池根據(jù)電池內(nèi)阻、電池等效電路模型及開路電壓(open circuit voltage,OCV)-電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)曲線計算電池電壓和荷電狀態(tài)Qsoc，電機模型主要根據(jù)電機發(fā)電和驅(qū)動效率表計算，車輛模型根據(jù)汽車動力學(xué)原理[12-13]搭建。

圖4 仿真模型

3.2 仿真測試結(jié)果與分析

基于Matlab/Simulink建立雙電機串并聯(lián)混動控制模型后，聯(lián)合被控對象進行仿真測試，車速、SOC、WLTC測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：低速、中速為純電和串聯(lián)模式之間切換，高速和超高速進入并聯(lián)模式。循環(huán)初始時QSOC=35%，循環(huán)結(jié)束時QSOC=37%，QSOC增長2%。WLTC仿真油耗為6 L/(100 km)。計算可知電能差值小于燃油消耗能量的1%，根據(jù)文獻[14]不需要對油耗結(jié)果進行修正。因此最終雙電機串并聯(lián)混動WLTC仿真油耗為6 L/(100 km)，通過提升發(fā)動機熱效率，能夠進一步降低油耗。

圖5 WLTC測試結(jié)果

0～100 km/h加速測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：油門踏板全踩后，預(yù)估電池功率不足，快速啟動發(fā)動機進入串聯(lián)模式，發(fā)動機發(fā)電與電池共同驅(qū)動電機工作，受制于驅(qū)動輪附著力限制，車速由0加速到100 km/h的時間為9.1 s。

圖6 0～100 km/h加速測試結(jié)果

4 結(jié)語

基于Matlab/Simulink開發(fā)雙電機串并聯(lián)混動控制系統(tǒng)，匹配某緊湊型SUV開發(fā)仿真測試模型。仿真計算表明，雙電機配阿特金森循環(huán)發(fā)動機可實現(xiàn)電量平衡時WLTC仿真油耗為6 L/(100 km)，0～100 km/h的加速時間為9.1 s，雙電機串并聯(lián)混動節(jié)油顯著，動力性良好。