混合動(dòng)力汽車增程發(fā)電匹配研究

魏英俊，徐 哲，張?zhí)m春，劉邦亞，王貽巍

（1.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.小康動(dòng)力技術(shù)中心，重慶 401135；3.江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

1898年，費(fèi)爾南德·波爾舍博士制造了世界上首輛通過(guò)內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為汽車輪轂中的電動(dòng)機(jī)提供能量的汽車；1903年，Krieger公司也制造出通過(guò)汽車油機(jī)為使用電池組電能的電動(dòng)機(jī)補(bǔ)充能量的汽車[1]。這兩輛車所使用的串聯(lián)式混動(dòng)概念，成為后來(lái)增程式電動(dòng)汽車增程器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念。在全球汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的歷程中，能源消耗危機(jī)、排放污染加劇導(dǎo)致的溫室效應(yīng)，使行業(yè)的視角開始逐漸關(guān)注電動(dòng)汽車的技術(shù)路線[2]，并且由于純電動(dòng)汽車的續(xù)程焦慮，使得增程式電動(dòng)汽車越來(lái)越受到重視[3]，對(duì)增程電動(dòng)汽車動(dòng)力鏈的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究備受關(guān)注[4]。在汽車制造業(yè)端，通用、豐田、本田、寶馬等車企都進(jìn)行了增程式電動(dòng)車的研究，國(guó)內(nèi)的主要車企也同步展開了增程式電動(dòng)汽車開發(fā)[5]。美國(guó)通用汽車公司對(duì)駕駛者日常使用模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增程電動(dòng)車使用工況的主要特征為純電車工況特征；因此，將增程式汽車作為傳統(tǒng)動(dòng)力汽車向純電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)渡階段的重要車型[6]。2007年，通用公司推出了帶電量為16 kW·h、純電行駛56 km、可充電、增程發(fā)電用1.4 L自吸發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)車輛續(xù)程的增程式電動(dòng)汽車VOLT[7]。它采用P1+P3雙電機(jī)平行布置架構(gòu)的混合動(dòng)力專用箱，在串聯(lián)工作的混合牽引模式、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單一牽引模式以及駐車工況下發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)充電模式下作為發(fā)電功能的P1電機(jī)，同發(fā)動(dòng)機(jī)共同承擔(dān)增程發(fā)電的功能。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)并不直接承擔(dān)車輛的驅(qū)動(dòng)，而是以P1電機(jī)發(fā)電為負(fù)載，實(shí)現(xiàn)車輛的純電驅(qū)動(dòng)續(xù)程[8-9]。因此，如何實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)增程發(fā)電階段與P1電機(jī)的高效匹配，是混合動(dòng)力汽車專用傳動(dòng)裝置的研究重點(diǎn)。

1 混動(dòng)專用箱工作原理

如圖1所示，為混動(dòng)專用箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由發(fā)電機(jī)通過(guò)增程發(fā)電一級(jí)主動(dòng)齒與增程發(fā)電一級(jí)被動(dòng)齒，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸出的提高，驅(qū)動(dòng)P1電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。在電池SOC處于下限閾值時(shí)，P1電機(jī)增程發(fā)電驅(qū)動(dòng)P3電機(jī)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)工作模式，從而提高車輛純電續(xù)駛里程。

圖1 混動(dòng)專用箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

P1+P3架構(gòu)的增程式電動(dòng)汽車與具備串并聯(lián)功能的混合動(dòng)力汽車，其專用箱的區(qū)別在于：增程式電動(dòng)汽車沒(méi)有部件4，即濕式多片離合器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與P3電機(jī)電驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)動(dòng)力傳動(dòng)；而具備串并聯(lián)功能的混合動(dòng)力專用箱具備離合器部件，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)以及與P3電機(jī)的并聯(lián)動(dòng)力傳動(dòng)。

2 增程發(fā)電匹配

2.1 實(shí)現(xiàn)高效增程發(fā)電的基本思路

增程發(fā)電匹配是將發(fā)動(dòng)機(jī)工況與P1電機(jī)工況，通過(guò)增程發(fā)電的傳動(dòng)速比進(jìn)行滿足驅(qū)動(dòng)功率要求下的發(fā)動(dòng)機(jī)與P1電機(jī)高效區(qū)耦合。增程發(fā)電的效率越高，增程發(fā)電工況下的油耗則越低。

對(duì)于增程式電動(dòng)汽車的增程動(dòng)力總成以及混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成，發(fā)動(dòng)機(jī)的提升都朝著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率方向發(fā)展。一方面，對(duì)于增程式電動(dòng)汽車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)只承擔(dān)發(fā)電作用，因此，可以研發(fā)更高熱效率的增程專用發(fā)動(dòng)機(jī)；另一方面，高效電機(jī)也是增程式汽車動(dòng)力總成與混合動(dòng)力總成研發(fā)的重點(diǎn)方向，如扁線油冷永磁同步電機(jī)是目前新能源高效電機(jī)的典型技術(shù)特征。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)動(dòng)機(jī)與高效電機(jī)的匹配。如圖2所示，為一款滿足增程動(dòng)力總成以及混合動(dòng)力總成的高效發(fā)動(dòng)機(jī)的MAP特性圖。如圖3所示，為一款扁線油冷P1電機(jī)的效率MAP特性圖。

圖2 增程動(dòng)力總成用以及混合動(dòng)力用高效發(fā)動(dòng)機(jī)的MAP特性圖

圖3 扁線油冷發(fā)電機(jī)的效率MAP特性圖

2.2 增程發(fā)電狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)的選擇

當(dāng)車輛電池電量達(dá)到設(shè)定的SOCmin閾值時(shí)，增程器發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作，此時(shí)，車輛的電量狀態(tài)將由之前的電量消耗CD（Charge Deleting）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏烤S持CS（Charge Sustaining）。當(dāng)車輛進(jìn)入增程發(fā)電狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率點(diǎn)的確定是增程器系統(tǒng)能量管理關(guān)注的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率需要滿足整車驅(qū)動(dòng)功率的要求，體現(xiàn)駕駛員意圖，其輸出功率大于整車需求功率時(shí)，剩余功率將向電池系統(tǒng)充電。

發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)工作點(diǎn)的確定應(yīng)滿足整車需求功率。如果發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)工作點(diǎn)的功率低于整車需求功率，這時(shí)，電池系統(tǒng)的電量還將繼續(xù)減低，處于深放狀態(tài)；如果發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)工作點(diǎn)的功率遠(yuǎn)大于整車需求功率，此時(shí)，將會(huì)有較大的電流給電池充電。然而，深放和深充兩種狀態(tài)均對(duì)電池的使用壽命不利。從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)備在電池系統(tǒng)，將來(lái)再由電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)能，這個(gè)過(guò)程使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械能增加了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，降低了能量的使用效率。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)工況點(diǎn)的確定在滿足整車需求功率的同時(shí)，要進(jìn)行電量維持并控制剩余功率對(duì)電池的充電電流，做到盡可能減小功率差值，讓電池處于淺充淺放狀態(tài)。

增程式電動(dòng)汽車的能量管理策略是產(chǎn)品研發(fā)的重要內(nèi)容。李明等人[10]對(duì)基于規(guī)則的、實(shí)時(shí)優(yōu)化的、全局優(yōu)化的、智能控制的能量管理策略進(jìn)行了研究，指出能量管理策略的實(shí)用性和控制效果之間的矛盾是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。周維等人[11]對(duì)增程式電動(dòng)汽車的CD-CS型能量管理策略與BL型能源管理策略進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。Moura等人[12]通過(guò)隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃來(lái)優(yōu)化能量管理，并將驅(qū)動(dòng)循環(huán)模式以及燃油價(jià)格變化的因素列入考量范圍，對(duì)比CD-CS型同BL型能量管理策略的表現(xiàn)。Pisu等人[13]對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力能量管理策略的有限狀態(tài)機(jī)、等價(jià)消耗最優(yōu)化、H∞控制以及DP控制等四種控制策略進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。Lin等人[14]對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力電車的能量管理進(jìn)行研究，內(nèi)容涉及基于規(guī)則的控制策略以及基于DP算法的改進(jìn)規(guī)則控制策略，提出通過(guò)優(yōu)化擋位選擇、充放電規(guī)劃以及電機(jī)的工作來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，從而提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。Salmasi[15]從控制方法的角度對(duì)混合動(dòng)力能量管理策略進(jìn)行闡述，提出對(duì)優(yōu)化控制策略所帶來(lái)的計(jì)算復(fù)雜性和控制器復(fù)雜性需要加以考慮，而這恰是產(chǎn)品工程中控制器軟硬件開發(fā)需要重點(diǎn)考慮的因素。Banvait等人[16]提出基于規(guī)則控制策略在Prius和并聯(lián)兩種模式下的應(yīng)用仿真，發(fā)現(xiàn)在CD-CS控制策略中，在相同電池容量下采用電助力的規(guī)則控制策略對(duì)于插電式混動(dòng)汽車更加有效。Wirasingha等人[17]對(duì)插電式混動(dòng)的控制方法進(jìn)行了分類研究，闡述了不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，指出采用何種控制方法取決于控制的模型以及控制器可實(shí)現(xiàn)的途徑，基于規(guī)則控制的控制策略是比較容易實(shí)現(xiàn)的，而控制策略的實(shí)現(xiàn)基于目前控制硬件的實(shí)際能力與控制實(shí)時(shí)性的要求，這是產(chǎn)品工程量產(chǎn)開發(fā)中最為現(xiàn)實(shí)的出發(fā)點(diǎn)。王欽普等人[18]對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車能量管理策略的發(fā)展趨勢(shì)、優(yōu)化效果以及應(yīng)用潛力進(jìn)行分析與對(duì)比。牛繼高等人[19]對(duì)增程電動(dòng)汽車基于規(guī)則控制的發(fā)動(dòng)機(jī)開/關(guān)能量管理策略、功率跟隨能量管理策略、最優(yōu)曲線能量管理策略以及功率分流能量管理策略進(jìn)行分析與仿真驗(yàn)證，為基于實(shí)時(shí)控制的增程車能量管理策略的工程應(yīng)用提供了參考。洪木南等人[20]對(duì)基于規(guī)則控制的開關(guān)式能量管理策略和分段式能量管理策略進(jìn)行仿真對(duì)比，指出分段式能量管理策略對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化效果更好。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的研究，基于實(shí)時(shí)性控制以及汽車控制器硬件的基礎(chǔ)現(xiàn)狀，從工程可實(shí)現(xiàn)角度，應(yīng)采取基于規(guī)則的控制策略。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力總成臺(tái)架以及整車標(biāo)定，該局部多點(diǎn)功率跟隨車輛低速低功率請(qǐng)求工況下的恒功率輸出相結(jié)合的控制策略，具備控制實(shí)時(shí)性好、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，成為基于規(guī)則的增程發(fā)電工況下的常用工程策略。

該策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)是基礎(chǔ)，滿足整車需求功率Prep為約束條件的發(fā)動(dòng)機(jī)映射輸出功率下等功率曲線上的最高效率工況點(diǎn)，即為發(fā)動(dòng)機(jī)在該輸出功率下的最優(yōu)工作點(diǎn)。將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在可工作范圍內(nèi)均分為若干個(gè)點(diǎn)，采取同樣的方法可求出各輸出功率下發(fā)動(dòng)機(jī)最高效率的最優(yōu)工作點(diǎn)，形成滿足整車請(qǐng)求功率的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)標(biāo)定工作線。如圖4所示，在此標(biāo)定工作線的基礎(chǔ)上，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)排放工況以及NVH工況進(jìn)行適度修正，最終形成增程發(fā)電工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)功率跟隨工作曲線。該策略綜合考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)特性、功率請(qǐng)求、發(fā)動(dòng)機(jī)效率、排放以及NVH等多個(gè)因素，并且同發(fā)電機(jī)的高效率區(qū)映射耦合。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨下多點(diǎn)工作特性圖

在SOCmin閾值下，增程器工作，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率響應(yīng)整車的需求功率。整車需求功率與扭矩為：

式中：Prep為差速器端整車需求功率；Cf為車輛滾動(dòng)阻力系數(shù)；Mv為車輛整備質(zhì)量；α為坡道角度；ρ為空氣質(zhì)量密度；Cd為車輛風(fēng)阻系數(shù)；A為車輛風(fēng)阻面積；v為車輛運(yùn)動(dòng)速度；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

驅(qū)動(dòng)P3電機(jī)的輸出功率為：

式中：PTM為驅(qū)動(dòng)P3電機(jī)輸出功率；ηTM為驅(qū)動(dòng)P3電機(jī)機(jī)械效率；ηtrans_1為驅(qū)動(dòng)P3電機(jī)一級(jí)減速傳動(dòng)鏈的機(jī)械效率；ηdiff為主減傳動(dòng)鏈的機(jī)械效率。

增程發(fā)電P1電機(jī)的輸出功率與輸出扭矩為：

式中：PGM為增程發(fā)電P1電機(jī)的輸出功率；ηGMCU為電機(jī)控制器發(fā)電效率；ηGM為增程發(fā)電P1電機(jī)機(jī)械效率；TGM為增程發(fā)電P1電機(jī)的輸出扭矩；nGM為增程發(fā)電P1電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)ICE的輸出功率為：

式中：PICE為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸出功率；ηICE為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率；ηtrans_2為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)增程發(fā)電機(jī)P1的傳動(dòng)鏈效率；TICE為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸出扭矩；itrans_2為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)增程發(fā)電機(jī)P1的傳動(dòng)鏈速比；nICE為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端轉(zhuǎn)速。

增程驅(qū)動(dòng)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能-電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)電機(jī)P3的實(shí)際功率與整車請(qǐng)求功率差值，成為電池系統(tǒng)的輸出功率或充電功率，即：

式中：ηTMCU為電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)P3電機(jī)效率。當(dāng)ΔP為正值時(shí)，增程發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)請(qǐng)求輸出功率大于整車實(shí)際需要的驅(qū)動(dòng)功率，富余功率將向電池系統(tǒng)充電；當(dāng)ΔP為負(fù)值時(shí)，電池系統(tǒng)放電補(bǔ)充整車實(shí)際功率不足，因而實(shí)現(xiàn)混合牽引模式，在此發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)上，電量依然無(wú)法維持電平衡狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)將切換到臨近的更大的一個(gè)功率輸出工況點(diǎn)。

在圖2所示發(fā)動(dòng)機(jī)1 000～3 700 r/min的工作區(qū)域，基于整車需求功率Prep以及Prep、PTM、PICE的關(guān)系，確定PTM和發(fā)動(dòng)機(jī)特性MAP圖中的PICE工況點(diǎn)（圖4）。

如圖5所示，通過(guò)itrans_2傳動(dòng)速比來(lái)調(diào)整TICE與TGM以及nICE與nGM的映射，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)特性MAP與增程發(fā)電機(jī)P1特性的耦合，使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率既能滿足整車功率的要求，又能使發(fā)動(dòng)機(jī)和增程發(fā)電機(jī)P1工作在高效率區(qū)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)特性耦合

根據(jù)整車需求功率確定了發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)內(nèi)的多個(gè)工作點(diǎn)。根據(jù)itrans_2傳動(dòng)鏈中心距及傳遞最大功率與扭矩的約束，itrans_2在itrans_2_min～itrans_2_max的取值變化中，發(fā)動(dòng)機(jī)特性工作點(diǎn)下的輸出功率映射到增程發(fā)電P1電機(jī)的工作區(qū)域，即選擇的itrans_2設(shè)計(jì)邊界值能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的響應(yīng)工作點(diǎn)，更多地穿越了電機(jī)的高效工作區(qū)。

基于前文規(guī)則控制策略下的增程發(fā)電工況，對(duì)某增程型SUV進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，如表1所示，為整車相關(guān)參數(shù)。

表1 整車相關(guān)參數(shù)

如圖6所示，為基于城市工況和高速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨請(qǐng)求下發(fā)電機(jī)工作響應(yīng)的SOC實(shí)車驗(yàn)證測(cè)試。

由圖6可看出，在不同車速及路面下，當(dāng)整車需求功率發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)跟隨體現(xiàn)在發(fā)電功率變化下的電池系統(tǒng)SOC始終處于一個(gè)非常平穩(wěn)的淺充淺放狀態(tài)。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率能夠更高效并直接用于車輛驅(qū)動(dòng)，表明該控制策略較好地匹配滿足了產(chǎn)品的控制需求。

圖6 車輛路面行駛試驗(yàn)中增程工況下的SOC狀態(tài)

3 結(jié)論

在增程式或具備串并聯(lián)功能P1+P3架構(gòu)雙電機(jī)混合動(dòng)力總成串聯(lián)工作模式的增程發(fā)電工況下，首先，進(jìn)行基于規(guī)則控制策略的整車功率需求下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線的確定；然后，再進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性與電機(jī)特性的耦合優(yōu)化分析，來(lái)確定最佳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)增程發(fā)電機(jī)P1的傳動(dòng)鏈速比，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)模式下的增程發(fā)電。從而使發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)均工作在高效重疊區(qū)并維持電平衡，確保SOC處于一個(gè)非常平穩(wěn)的淺充淺放狀態(tài)。