P2混合動力驅動系統(tǒng)牽引特性仿真分析

衣 超， 李翠芬， 王德文

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072)

隨著石油資源日益短缺和環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，節(jié)能減排成為了汽車生產廠商的重要課題，混合動力汽車作為一種優(yōu)秀的節(jié)能環(huán)保方案逐漸進入大眾視野.混合動力汽車最核心的部件就是混合動力驅動系統(tǒng)，其主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、變速裝置和動力電池等部件組成.按照驅動電機在混合動力驅動系統(tǒng)中所處的位置不同，混合動力驅動系統(tǒng)可以劃分為P0、P1、P2、P3、P4等不同構型混合動力系統(tǒng).P2混合動力驅動系統(tǒng)，由于其構型簡單、適配性強、易于在傳統(tǒng)車輛改造和驅動模式多樣的優(yōu)點.而得到了越來越多的重視.由于發(fā)動機和電機具有截然不同的扭矩特性和效率特性，所以有必要進行混合動力驅動系統(tǒng)牽引特性仿真分析和系統(tǒng)匹配優(yōu)化，從而提升混合動力驅動系統(tǒng)性能[1].

1 混合動力驅動系統(tǒng)結構

P2混合動力驅動系統(tǒng)結構如圖1所示[2]，該系統(tǒng)主要由發(fā)動機(康明斯D5)、離合器、ISG電機、AT變速器、動力電池組成.P2混合動力驅動系統(tǒng)屬于混聯(lián)型驅動系統(tǒng)，配置有發(fā)動機和ISG電機兩種動力源.離合器布置在發(fā)動機和ISG電機之間，離合器的分離與結合實現(xiàn)了發(fā)動機是否輸出動力，離合器的設置保證了動力部件間的獨立性，實現(xiàn)了發(fā)動機獨立驅動、電機獨立驅動、發(fā)動機和電機聯(lián)合驅動等多種驅動方式，豐富了車輛的驅動模式.ISG電機布置在離合器和AT變速器之間，直接與AT變速器相連，ISG電機不僅具有快速起停發(fā)動機作用，還具有發(fā)電、驅動和制動等作用.AT變速器布置在ISG電機后，直接與主減速器相連，AT變速器通過擋位變換將動力合理地傳遞到車輪，從而驅動整車前行.

圖1 P2混合動力驅動系統(tǒng)結構框圖

由于ISG電機和離合器的采用，實現(xiàn)了發(fā)動機獨立驅動、電機獨立驅動、發(fā)動機和電機聯(lián)合驅動等多種驅動方式，因此，使得P2混合動力驅動系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種運行模式，如表1所示[3-4].當汽車低負荷運行時，汽車可以僅依靠ISG電機進行驅動；高負荷運行時ISG電機配合發(fā)動機工作，可使發(fā)動機效率維持在高效區(qū).根據(jù)路況選擇模式，可實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu).為滿足多種控制模式需求，P2混合動力驅動系統(tǒng)中配備有用于發(fā)動機調速和調扭控制的發(fā)動機控制單元(ECU)，用于離合器分離與結合控制的液壓控制單元(HCU)，用于AT變速器的擋位優(yōu)選與換擋控制的變速器控制單元(TCU)，用于ISG電機的充電與驅動控制以及在驅動模式下的調速與調扭控制[2]的電機控制單元(MCU)，用于電池的充放電管理控制的電池管理系統(tǒng)(BMS)，整車控制器(VCU)是整車的控制核心，負責采集油門踏板信號、制動踏板信號及其他各部件信號，經過VCU上層控制策略處理后，作出決策，控制下層的ECU、TCU、MCU、HCU等各控制器協(xié)調工作[5].

表1 P2混合動力驅動系統(tǒng)基本運行模式

2 混合動力驅動系統(tǒng)建模

2.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機模型主要包括外特性曲線和部分油門特性曲線.發(fā)動機外特性如表2和圖2所示.

表2 發(fā)動機外特性

圖2 發(fā)動機外特性曲線

依據(jù)發(fā)動機外特性推演發(fā)動機部分油門特性曲線，如圖3所示.

圖3 發(fā)動機部分油門特性曲線

發(fā)動機加速、減速、起動或關閉時，存在慣性扭矩，其慣性扭矩由式(1)計算，發(fā)動機實際輸出扭矩由式(2)計算.

(1)

T=Tice-Tice_inertia-Tfriction-Tidle.

(2)

式中：ωice表示發(fā)動機旋轉角速度；Tice表示發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作時的曲軸輸出扭矩；Tice_inertia表示發(fā)動機慣性扭矩；Tfriction表示發(fā)動機磨擦扭矩；Tidle表示發(fā)動機怠速控制扭矩.

基于上述扭矩模型，搭建發(fā)動機動態(tài)扭矩和轉速模型，如圖4所示.

圖4 發(fā)動機動態(tài)扭矩和轉速模型

2.2 電機模型

采用基于電機特性曲線和電機效率MAP的試驗建模方法，根據(jù)試驗測試得出ISG電機扭矩外特性曲線圖和電機效率圖，分別如圖5和圖6所示.

圖5 電機特性曲線

圖6 電機效率MAP圖

ISG電機在實際運行過程中其輸出扭矩同樣為非穩(wěn)態(tài)輸出.對ISG電機的輸出扭矩進行計算時同樣需考慮電機慣性扭矩的影響.ISG電機慣性扭矩由式(3)計算，ISG電機實際扭矩由式(4)計算[2].

(3)

Ttm=Tm-out-Tm_inertia.

(4)

式中：ωm表示電機旋轉角速度；Ttm表示電機輸出扭矩；Tm-out表示電機穩(wěn)態(tài)運行時輸出扭矩；Tm_inertia表示電機慣性扭矩.

基于上述扭矩模型，搭建ISG電機動態(tài)扭矩模型，如圖7所示.

圖7 ISG電機動態(tài)扭矩模型

2.3 AT變速器模型

AT變速器為6速帶閉鎖離合器的AT變速器.由于重點研究混合動力驅動系統(tǒng)的牽引特性，因此，建立的模型只需按照預定的換擋規(guī)律進行換擋操作和按預定的閉鎖離合器控制規(guī)律進行解閉鎖操作即可.圖8為AT變速器模型，輸入量為當前輸出軸轉速、發(fā)動機轉速、發(fā)動機扭矩和擋位等參數(shù)，輸出量為AT變速器輸出扭矩.

圖8 AT變速器模型

2.4 汽車縱向動力學模型

混合動力汽車行駛時受力情況如圖9所示，所受總阻力Fa由空氣阻力Fw、滾動阻力Ff、爬坡阻力Fi和加速阻力Fj組成.車輛需克服阻力，才可驅動整車前行.

圖9 車輛受力示意圖

車輛動力學平衡由式(5)計算.

Fa=Ff+Fi+Fw+Fj.

(5)

基于上述動力學平衡方程，搭建汽車縱向動力學模型，如圖10所示.

圖10 汽車縱向動力學模型

2.5 總體仿真模型

依據(jù)建立的發(fā)動機模型、電機模型、AT變速器模型和汽車縱向動力學模型，結合相應部件的扭矩傳遞關系，建立總體仿真模型如圖11所示.

圖11 總體仿真模型

3 牽引特性仿真分析

3.1 發(fā)動機牽引特性分析

依據(jù)整車參數(shù)、發(fā)動機外特性、液力變矩器特性和風扇特性，利用建立的總體仿真模型，對發(fā)動機獨立驅動的整車牽引特性匹配分析，仿真分析結果如圖12所示，車輛最高速度為165 km/h.100%油門車輛加速性如圖13所示，0～80 km/h加速時間為16.5 s.70%油門車輛加速性如圖14所示，0～80 km/h加速時間為24 s.

圖12 發(fā)動機驅動牽引特性

圖13 100%油門車輛加速性

圖14 70%油門車輛加速性

3.2 電機牽引特性分析

依據(jù)整車參數(shù)和電機特性，利用建立的總體仿真模型，對電機獨立驅動的整車行駛牽引特性匹配分析，仿真分析結果如圖15所示.電機驅動車輛最高速度為116km/h.電機驅動車輛加速性如圖16所示，0～80km/h加速時間為43 s.

圖15 電機驅動牽引特性

圖16 電機驅動車輛加速性

3.3 聯(lián)合驅動牽引特性分析

依據(jù)整車參數(shù)、發(fā)動機特性和電機特性，利用建立的總體仿真模型，對聯(lián)合驅動的整車行駛牽引特性匹配分析，仿真分析結果如圖17所示.聯(lián)合驅動車輛加速性如圖18所示，0～80 km/h加速時間為13.5 s.

圖17 聯(lián)合驅動牽引特性

圖18 聯(lián)合驅動車輛加速性

車輛各驅動模式下加速性對比如表3所示.

表3 各驅動模式下車輛加速性

4 結 論

混合動力驅動系統(tǒng)由于具有發(fā)動機和ISG電機兩個動力源，且發(fā)動機和電機具有截然不同的扭矩特性，通過系統(tǒng)動力學分析，建立系統(tǒng)動力學模型和仿真模型，仿真分析了車輛0～80 km/h加速工況下，發(fā)動機獨立驅動的加速時間為16.5 s，電機獨立驅動的加速時間為43 s，聯(lián)合驅動的加速時間為13.5 s，為混合動力驅動系統(tǒng)匹配分析和仿真驗證提供了切實可行的手段.