廣汽機(jī)電耦合系統(tǒng)策略研究與性能分析*

梁偉強(qiáng)，張 雄

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

為了滿足國家油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)企業(yè)都在大力開發(fā)混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)，是混合動(dòng)力汽車的核心部件，對(duì)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有決定性的作用。混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)主要分為串并聯(lián)式的機(jī)電耦合系統(tǒng)和功率分流式的混合系統(tǒng)兩種[1-2]。串并聯(lián)的機(jī)電耦合系統(tǒng)以本田i-MMD系統(tǒng)為代表，功率分流的機(jī)電耦合系統(tǒng)以豐田THS系統(tǒng)為代表[3]。

本文作者單位為開發(fā)自主的機(jī)電耦合系統(tǒng)，參考市場(chǎng)上主流混動(dòng)構(gòu)型，從性能仿真、成本比較及專利分析等經(jīng)過多輪論證，綜合串聯(lián)與并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)造性提出了G-MC（GAC Mechatronic Coupling）機(jī)電耦合系統(tǒng)方案[4-5]，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。該構(gòu)型優(yōu)點(diǎn)主要包括：（1）電機(jī)、傳動(dòng)和液壓高度集成，結(jié)構(gòu)緊湊；（2）雙電機(jī)并排布置，減少軸向尺寸；（3）定軸齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高；（4）具有電子駐車功能；（5）具備多種驅(qū)動(dòng)模式以應(yīng)對(duì)多變的行駛工況。

本文首先分析了G-MC機(jī)電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，分析其各個(gè)驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)力學(xué)模型；綜合考慮各驅(qū)動(dòng)模式的系統(tǒng)效率，制定了模式切換時(shí)策略。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行了動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真和G-MC傳動(dòng)效率試驗(yàn)驗(yàn)證，并與同期車型進(jìn)行性能對(duì)比分析，證明了G-MC混合系統(tǒng)的先進(jìn)性。

1 G-MC系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

如圖1所示，新能源汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)一般包括發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)、動(dòng)力電池、整車控制器（VCU）、電機(jī)控制器（IPU）、耦合控制器（CCU）等。

圖1 新能源混動(dòng)系統(tǒng)原理

G-MC采用如圖2所示的串并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備純電動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、串聯(lián)增程模式、駐車發(fā)電等多種工作模式。機(jī)電耦合系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器、傳動(dòng)系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等集成在一個(gè)箱體內(nèi)。G-MC外形如圖3所示。

圖2 G-MC機(jī)電耦合系統(tǒng)

圖3 G-MC總成數(shù)模

1.2 驅(qū)動(dòng)模式分析

該G-MC機(jī)電耦合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)模式，包括純電動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、串聯(lián)增程模式、駐車發(fā)電等多種工作模式。

當(dāng)機(jī)電耦合系統(tǒng)中的離合器斷開、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)不提供動(dòng)力輸出時(shí)，G-MC工作在純電模式。此時(shí)功率流由驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)中間軸、主減速齒輪傳遞至車輪，功率流如圖4所示。

圖4 純電模式功率流

圖5 串聯(lián)模式功率流

純電動(dòng)模式主要工作在電量充足且輪端需求轉(zhuǎn)矩不大的行駛工況下，其傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如下所示：

式中：Itire和Im分別為車輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；和分別為車輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)角加速度；ωtire和ωm分別為車輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)角速度；i0和im分別為主減速比和中間軸到驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)比；Tm和Traq分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輪端需求轉(zhuǎn)矩；θ0和θm分別為主減速器和中間軸齒輪到驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸齒輪傳動(dòng)效率。

當(dāng)G-MC工作在串聯(lián)增程模式時(shí)，離合器處于斷開狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，一部分能量通過發(fā)電機(jī)給電池充電，一部分給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車。串聯(lián)增程模式下功率流如圖5所示。

串聯(lián)增程模式主要工作在電池電量低或急加速需求扭矩較大的行駛工況，其傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如下所示：

式中：Itire、Im、Ie和Ig分別為車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；和分別為車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)角加速度；ωtire、ωm、ωe、ωg分別為車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)角速度；i0和im分別為主減速比和中間軸到驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)比；Tm、Te、Tg、Treq分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和輪端轉(zhuǎn)矩；θ0、θm、θs和θc分別為主減速器、中間軸齒輪到驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸齒輪、減震器和離合器傳動(dòng)效率。

當(dāng)離合器結(jié)合，耦合系統(tǒng)工作在混合驅(qū)動(dòng)模式，該模式最大的特點(diǎn)是整車需求功率主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，不足的功率由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供而多余的功率由發(fā)電機(jī)吸收，混合驅(qū)動(dòng)模式下功率流如圖6所示。

圖6 并聯(lián)模式功率流

該模式下傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如下所示：

式中：Itire、Im、Ie和Ig分別為車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；和分別為車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)角加速度；ωtire、ωm、ωe、ωg分別為車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)角速度；i0、im和ig分別為主減、中間軸到驅(qū)動(dòng)電機(jī)和中間軸到發(fā)電機(jī)軸傳動(dòng)比；Tm、Te、Tg、Treq分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和輪端轉(zhuǎn)矩；θ0、θm、θs和θc分別為主減速器、中間軸齒輪到驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸齒輪、減震器和離合器傳動(dòng)效率；

2 G-MC控制策略

控制策略是耦合系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，它包括模式劃分、模式切換和功率分配控制策略[7-11]。其中模式劃分控制策略主要是根據(jù)車輛的當(dāng)前車速、轉(zhuǎn)矩需求和當(dāng)前SOC，在各種驅(qū)動(dòng)模式中選取最合適的工作模式；模式切換控制策略是通過協(xié)調(diào)控制動(dòng)力源轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)且無動(dòng)力中斷的模式切換過程；而功率分配策略是耦合模式下對(duì)兩個(gè)動(dòng)力源的功率進(jìn)行分配，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)效率提高整車經(jīng)濟(jì)型增加續(xù)駛里程。

2.1 模式劃分

G-MC混合系統(tǒng)具有多個(gè)能量源和動(dòng)力部件，可以工作在多種驅(qū)動(dòng)模式。為使車輛在兼顧動(dòng)力性的同時(shí)提升經(jīng)濟(jì)性，車輛驅(qū)動(dòng)模式的選擇至關(guān)重要。根據(jù)插電式混合動(dòng)力汽車在運(yùn)行過程中電池SOC變化情況，可將其運(yùn)行模式劃分為兩個(gè)階段，分別是：電量消耗（Charge Depleting,CD）階段和電量維持（Charge Sustaining,CS）階段。

在CD階段，為了盡可能利用動(dòng)力電池內(nèi)存儲(chǔ)的電量，車輛在純電動(dòng)模式下運(yùn)行。僅當(dāng)整車需求功率超過電池所能提供的最大功率后，發(fā)動(dòng)機(jī)才啟動(dòng)，對(duì)整車的功率需求進(jìn)行補(bǔ)充，以滿足動(dòng)力電池的不足。隨著汽車運(yùn)行，電池SOC逐漸降低，當(dāng)電池電量消耗到一定值后，進(jìn)入CS階段，此時(shí)耦合系統(tǒng)在純電動(dòng)、串聯(lián)增程和并聯(lián)模式之間進(jìn)行切換，以保證SOC在一定區(qū)間內(nèi)保持平衡。因此，CS階段的模式劃分邊界至關(guān)重要，本文首先基于系統(tǒng)效率最優(yōu)得到初步的系統(tǒng)效率（如圖7所示，其中純電模式效率計(jì)及串聯(lián)模式平均發(fā)電效率）及模式劃分邊界，之后考慮實(shí)車中各種因素對(duì)邊界進(jìn)行修正，得到最終的模式邊界如圖8所示。其中，在行駛模式的選擇中額外考慮的因素如下：

（1）整車各工況下電量的平衡；

（2）駕駛員動(dòng)力性需求；

（3）系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；

（4）部件運(yùn)行狀態(tài)對(duì)模式選擇的干預(yù)；

（5）故障處理對(duì)模式選擇的干預(yù)；

（6）特殊情況下滿足診斷儀的干預(yù)。

圖7 電量維持階段系統(tǒng)效率

圖8 電量維持階段模式劃分

2.2 模式切換控制策略

模式切換控制策略是指串聯(lián)增程模式和并聯(lián)混動(dòng)模式之間的切換過程控制?；贕-MC構(gòu)型，通過協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)與雙電機(jī)的工作點(diǎn)以及離合器的工作狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模式之間的平順且無動(dòng)力中斷切換。以串聯(lián)到并聯(lián)的切換過程為例，切換過程流程如圖9所示。具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

（1）在混合動(dòng)力車輛行駛過程中，檢測(cè)車速、動(dòng)力電池電量和加速踏板位置作為進(jìn)行離合器接合的判斷條件。

（2）檢測(cè)車輛是否滿足以下條件：①當(dāng)前加速踏板位置下的車速是否高于預(yù)設(shè)值；②電池電量是否處于預(yù)設(shè)值區(qū)域；③各部件無影響離合器接合的故障。

（3）進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速模式，準(zhǔn)備離合器接合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)輸出扭矩維持車輛運(yùn)行。

（4）以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，采用PID控制調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

（5）繼續(xù)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定值Δω，并維持一定時(shí)間T，離合器接合，車輛進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。

圖9 切換過程流程

（6）在離合器接合上后，在總需求扭矩不變的前提下，重新分配發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩按一定斜率增加到目標(biāo)扭矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩按一定斜率下降到目標(biāo)扭矩，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。其中調(diào)速調(diào)扭過程如圖10所示。

3 性能表現(xiàn)

3.1 仿真驗(yàn)證

基于Matlab/Simulink平臺(tái)，搭建混聯(lián)式PHEV后向仿真模型，分析整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，并驗(yàn)證動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配以及能量管理策略的可行性。

以GA3S-PHEV為仿真車型，在動(dòng)力性方面，最高車速為188 km/h，0～100 km/h加速時(shí)間為8.61 s；在經(jīng)濟(jì)型方面，選用NEDC工況仿真計(jì)算條件B油耗，100 km油耗值為5.13 L。

圖10 切換過程轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制

3.2 傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型的準(zhǔn)確性，以及基于效率最優(yōu)制定的控制策略的合理性，搭建G-MC傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖11所示，測(cè)試不同工況和入口油溫下的傳動(dòng)效率，圖12所示為其原理圖。

圖11 傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)架

圖12 傳動(dòng)效率試驗(yàn)臺(tái)架原理

圖13 、圖14分別為入口油溫80℃條件下純電模式和發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式傳動(dòng)效率圖，以此為依據(jù)對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果進(jìn)行修正，以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性。

圖13 入口油溫80℃條件下純電工況效率

圖14 入口油溫80℃條件發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)工況效率

3.3 性能對(duì)比分析

表1所示為搭載G-MC的GA3S-PHEV與當(dāng)時(shí)在售的同類插電式轎車車型A的燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性對(duì)比。在經(jīng)濟(jì)型方面，GA3S純電續(xù)駛里程提高20.69%，條件A電耗和條件B油耗分別降低12.72%和28.85%；在動(dòng)力性方面，0～100 km/h加速時(shí)間縮短20.09%?？梢哉fGA3S-PHEV在同類車型中其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 整車性能參數(shù)

4 結(jié)束語

廣汽開發(fā)的G-MC耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)力源的耦合，具有多種驅(qū)動(dòng)模式以應(yīng)對(duì)多變的行駛工況。通過合理的制定模式換分邊界、模式切換控制策略和功率分配策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效性；搭建整機(jī)效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)架以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性；最后，選取基準(zhǔn)車輛對(duì)比分析經(jīng)濟(jì)型與動(dòng)力性，實(shí)測(cè)結(jié)果表明搭載G-MC的GA3S-PHEV在性能方面有20%左右得分提升，效果明顯。