雙電機(jī)純電動(dòng)模式在不同混合動(dòng)力車(chē)型的應(yīng)用分析

魏丹，朱永明，趙江靈，周文太，李瑤瑤

廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

隨著混動(dòng)化的深入，越來(lái)越多的公司大力開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)，且?guī)缀醵汲⒙?lián)混動(dòng)技術(shù)路線靠攏，如長(zhǎng)城的檸檬混動(dòng)系統(tǒng)、比亞迪的EHS混動(dòng)系統(tǒng)、奇瑞的鯤鵬混動(dòng)系統(tǒng)、吉利的DHT系統(tǒng)等都屬于串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)。隨著對(duì)節(jié)油率越來(lái)越高的追求，一個(gè)擋位的串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足企業(yè)的需求，一些企業(yè)已經(jīng)在開(kāi)發(fā)多擋的串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)，如長(zhǎng)城檸檬混動(dòng)開(kāi)發(fā)的是兩擋系統(tǒng)，奇瑞鯤鵬混動(dòng)開(kāi)發(fā)的是三擋系統(tǒng)，吉利DHT系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的是三擋系統(tǒng)等，現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)正在開(kāi)發(fā)的大多數(shù)都是串并聯(lián)兩擋或三擋的混動(dòng)系統(tǒng)[1-2]。

機(jī)電耦合系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車(chē)的重要組成部分，對(duì)混合動(dòng)力整車(chē)的性能起著至關(guān)重要的作用?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等多個(gè)動(dòng)力源，又包括多個(gè)離合器的模式或擋位執(zhí)行元件。硬件拓?fù)涞撵`活性在帶來(lái)效率和工作方式優(yōu)越性的同時(shí)，往往也增加了軟件控制上的難度?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)多動(dòng)力部件和操縱元件的協(xié)同控制是混動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮優(yōu)越性能的關(guān)鍵。

針對(duì)離合器的升降擋控制[3-6]以及混動(dòng)系統(tǒng)方案尋優(yōu)[7]，前期已經(jīng)做了很多研究。本文基于串并聯(lián)兩擋的混動(dòng)系統(tǒng)，探討了雙電機(jī)的必要性，分析兩種不同的系統(tǒng)方案在模式切換、低溫動(dòng)力性、對(duì)零部件要求等方面的差異。通過(guò)本文的分析，可以為行業(yè)在混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)方案選型設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

1 機(jī)電耦合系統(tǒng)方案

經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、成本是混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)最重要的3個(gè)因素。對(duì)于串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)的百公里加速性能，可以有3種實(shí)現(xiàn)方式[8-9]：①百公里加速時(shí)，全程采用串聯(lián)增程模式，此方案對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和功率需求均較大；②百公里加速時(shí)，低速下先采用串聯(lián)增程模式，高速下再切換至混動(dòng)1擋，此方案對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩需求較大；③百公里加速時(shí)，低速下先采用雙電機(jī)純電動(dòng)模式，高速下再切換至混動(dòng)1擋，此方案對(duì)電機(jī)的扭矩和功率需求較小。

考慮到電機(jī)及控制器占混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)成本的50%以上，為了降低系統(tǒng)成本，越來(lái)越多的公司開(kāi)發(fā)的混動(dòng)系統(tǒng)增加了雙電機(jī)純電動(dòng)模式。這樣利用雙電機(jī)純電動(dòng)模式可以滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性的同時(shí)，還可以降低兩個(gè)電機(jī)的功率和扭矩的需求，從而降低電機(jī)系統(tǒng)的成本。

圖1為一個(gè)串并聯(lián)式的混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)，采用定軸齒輪和濕式多片離合器實(shí)現(xiàn)兩擋方案。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力耦合的功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)單電機(jī)純電動(dòng)模式、雙電機(jī)純電動(dòng)模式、串聯(lián)增程模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、駐車(chē)發(fā)電模式和制動(dòng)回收模式，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的工作模式見(jiàn)表1。

圖1 串并聯(lián)式的混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的工作模式

2 擋位切換控制策略

2.1 百公里加速策略

圖2為不同模式下的輪端扭矩特性曲線。在百公里加速時(shí)可以采用雙電機(jī)純電動(dòng)模式切換混動(dòng)1擋的策略。

圖2 不同模式下的輪端扭矩特性曲線

2.2 模式切換難題及策略

針對(duì)具有雙電機(jī)純電動(dòng)模式的混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)，在日常駕駛中，某些工況需要進(jìn)行混動(dòng)1擋和2擋的切換，雖然可以利用串聯(lián)增程模式進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，但是由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配較小，增程模式的輪端輸出扭矩小于混動(dòng)1擋的輸出扭矩。模式切換容易出現(xiàn)較大的扭矩波動(dòng)，造成頓挫。為保證整車(chē)的動(dòng)力性及平順性，需要做離合器同步滑摩控制。

當(dāng)車(chē)輛檢測(cè)到需要從1擋切換至2擋時(shí)，兩個(gè)離合器按充油(Fill)階段—力矩交換(Torque Phase)階段—調(diào)速(Speed Phase)階段—微調(diào)(Lockup1)階段—鎖止(Lockup2)階段5個(gè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)作控制。在此過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及兩個(gè)離合器協(xié)調(diào)配合，盡量減小整車(chē)加速度變化，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、快速地?fù)Q擋。

(1)Fill階段。分離離合器C1先降油壓到滑摩點(diǎn)附近，并等待跳入下一階段，同時(shí)結(jié)合離合器C2先充油至半結(jié)合點(diǎn)(kiss point,KP)，待油壓穩(wěn)定后進(jìn)入下一階段。

(2)Torque Phase階段。通過(guò)開(kāi)環(huán)控制兩離合器油壓實(shí)現(xiàn)同步滑摩控制，力矩從分離離合器C1轉(zhuǎn)移到結(jié)合離合器C2上，離合器C1油壓按照一定斜率從上一階段的終點(diǎn)下降到點(diǎn)KP附近，離合器C2從上一階段的點(diǎn)KP附近按照設(shè)定曲線上升到目標(biāo)油壓，待條件滿(mǎn)足后跳入下一階段。

(3)Speed Phase階段。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和兩離合器的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)輸入軸轉(zhuǎn)速?gòu)?擋轉(zhuǎn)速降到2擋轉(zhuǎn)速，在即將進(jìn)入此階段之前，發(fā)動(dòng)機(jī)快速降扭，進(jìn)入此階段之后，離合器C2油壓保持不變，發(fā)電機(jī)EM1進(jìn)行PID調(diào)速，并且發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩逐漸恢復(fù)到上一階段的扭矩，待條件滿(mǎn)足后，進(jìn)入下一階段。

(4)Lockup1階段。進(jìn)一步微小調(diào)速，輸入軸轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速形成較小的穩(wěn)定偏差。

(5)Lockup2階段?？焖偕呓Y(jié)合離合器C2油壓并鎖止，完成換擋。

通過(guò)離合器的滑摩控制，可以有效解決驅(qū)動(dòng)電機(jī)較小帶來(lái)的模式切換頓挫問(wèn)題。

動(dòng)力升擋控制流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)力升擋控制流程

3 低溫動(dòng)力性開(kāi)發(fā)需求

3.1 低溫加速性能開(kāi)發(fā)需求

插電式混合動(dòng)力車(chē)型(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)性能版較傳統(tǒng)車(chē)型，百公里加速時(shí)間提升40%～50%，進(jìn)入“4S”時(shí)代；混合動(dòng)力車(chē)型(hybird electric vehicle,HEV)性能版較傳統(tǒng)車(chē)型，百公里加速時(shí)間提升10%～20%，進(jìn)入“7S”時(shí)代；HEV基礎(chǔ)版較傳統(tǒng)車(chē)型，百公里加速時(shí)間提升0～10%，進(jìn)入“8S”時(shí)代?；旌蟿?dòng)力車(chē)型的動(dòng)力性是其重要的亮點(diǎn)。

同時(shí)，低溫動(dòng)力性也是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)，北方主要城市冬季平均最低氣溫為-5～-25 ℃，極端最低溫度可達(dá)-30 ℃或以下，這樣對(duì)混合動(dòng)力車(chē)型的低溫動(dòng)力性提出了較高要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，低溫動(dòng)力性(-30 ℃)較常溫衰減比例不超過(guò)40%。

3.2 混動(dòng)車(chē)型低溫加速性能對(duì)標(biāo)

目前國(guó)標(biāo)GB/T 28958—2012關(guān)于低溫動(dòng)力性尚未明確相關(guān)試驗(yàn)方法，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最新版本發(fā)布日期較早。參照國(guó)標(biāo)GB/T 28958—2012、企標(biāo)等相關(guān)試驗(yàn)條件的規(guī)定，制定低溫動(dòng)力性試驗(yàn)方法初案如下：

(1)更換適合試驗(yàn)用的品牌、型號(hào)的機(jī)油、冷卻液、汽油以及輪胎(雪地胎)，使之符合設(shè)計(jì)要求。

(2)浸車(chē)前應(yīng)確保蓄電池電量處于充滿(mǎn)狀態(tài)或接近充滿(mǎn)狀態(tài)，確保車(chē)輛用電器全部處于關(guān)閉狀態(tài)。車(chē)輛應(yīng)選擇戶(hù)外無(wú)遮擋處?kù)o置，盡量選擇傍晚開(kāi)始浸車(chē)，浸車(chē)時(shí)間12～36 h。

(3)試驗(yàn)道路盡量選擇無(wú)積雪或結(jié)冰的混凝土或?yàn)r青道路，允許雙向行駛，盡量平直，坡道不大于1%。

(4)試驗(yàn)開(kāi)始前運(yùn)用拖車(chē)將試驗(yàn)車(chē)輛拖運(yùn)至試驗(yàn)道路。

(5)車(chē)輛上電啟動(dòng)后，空調(diào)設(shè)置最高溫度、最大風(fēng)量、外循環(huán)吹腳模式、除霧除霜，溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)至25 ℃。

(6)車(chē)輛啟動(dòng)后，原地暖機(jī)3 min，然后進(jìn)行全油門(mén)0～100 km/h加速試驗(yàn)，記錄0～100 km/h加速時(shí)間，往返一次作為一組，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

(7)以40 km/h車(chē)速勻速行駛5 min繼續(xù)熱車(chē)，然后開(kāi)展第二組全油門(mén)0～100 km/h加速試驗(yàn)，循環(huán)進(jìn)行上述步驟。

(8)當(dāng)0～100 km/h加速時(shí)間達(dá)到常溫測(cè)試結(jié)果或者趨于穩(wěn)定，則試驗(yàn)結(jié)束。

按照以上測(cè)試方法，得到部分HEV車(chē)型的低溫動(dòng)力性對(duì)標(biāo)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 HEV車(chē)型的低溫動(dòng)力性對(duì)標(biāo)結(jié)果

通過(guò)圖4的對(duì)標(biāo)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在極低溫情況下，第一腳滿(mǎn)油門(mén)的加速時(shí)間基本在12～16 s，與常溫相比，衰減了40%～70%；到第10腳滿(mǎn)油門(mén)時(shí)，動(dòng)力性有所改善，百公里加速時(shí)間約為10 s，與常溫相比，衰減10%左右。

3.3 雙電機(jī)純電動(dòng)系統(tǒng)的弊端

隨著溫度的降低，電池的放電功率也在同步降低。對(duì)于HEV車(chē)型，當(dāng)環(huán)境溫度降低至-30 ℃時(shí)，電池的放電功率基本降為0 kW。

電池放電功率0 kW時(shí)不同模式的輪端扭矩特性曲線如圖5所示。由圖可以看出，在-30 ℃時(shí)，混動(dòng)系統(tǒng)的雙電機(jī)純電動(dòng)模式無(wú)法工作，系統(tǒng)只能切換到串聯(lián)增程模式下工作。

所以對(duì)于極寒情況下，百公里加速時(shí)，雙電機(jī)模式無(wú)法正常工作，系統(tǒng)只能切換到串聯(lián)模式，此時(shí)整車(chē)的動(dòng)力性能會(huì)大幅降低，動(dòng)力性能衰減嚴(yán)重。

由此可見(jiàn)，雙電機(jī)純電動(dòng)模式，雖然可以降低系統(tǒng)成本，但是也有弊端。對(duì)于HEV車(chē)型，在-30 ℃時(shí)，電池放電功率基本為0 kW，無(wú)法使用雙電機(jī)純電動(dòng)模式，動(dòng)力性能衰減嚴(yán)重。所以雙電機(jī)純電動(dòng)模式并不適用于HEV車(chē)型。對(duì)于PHEV車(chē)型，低溫情況下，電池還有一定的放電功率，影響相對(duì)小一些，基本可以滿(mǎn)足低溫動(dòng)力性的要求。

4 適用于HEV車(chē)型的系統(tǒng)方案

4.1 HEV車(chē)型機(jī)電耦合系統(tǒng)方案優(yōu)化

針對(duì)HEV車(chē)型，取消C0離合器和雙電機(jī)純電動(dòng)模式，混動(dòng)方案如圖6所示。

圖6 混動(dòng)方案

為了解決HEV車(chē)型低溫動(dòng)力性衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，可以將兩個(gè)電機(jī)的功率和扭矩性能提升，保證串聯(lián)增程模式下的動(dòng)力性能與雙電機(jī)純電動(dòng)模式下的性能相當(dāng)，這樣才能保證低溫性能衰減在可接受范圍內(nèi)。

4.2 擋位切換控制策略

如果發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配較大，對(duì)于模式間的切換，無(wú)須做離合器滑摩控制，1擋與2擋的切換，可以利用增程模式進(jìn)行過(guò)渡，在保證動(dòng)力換擋的同時(shí)，還能降低對(duì)離合器的需求。混動(dòng)系統(tǒng)方案的輪端扭矩特性曲線如圖7所示。

圖7 混動(dòng)系統(tǒng)方案的輪端扭矩特性曲線

4.3 機(jī)電耦合系統(tǒng)方案對(duì)標(biāo)

主流公司PHEV混動(dòng)方案對(duì)比如圖8所示。由圖可以看出，豐田的THS系統(tǒng)與通用的Voltec系統(tǒng)，PHEV車(chē)型使用了單向離合器，具有雙電機(jī)純電動(dòng)模式，系統(tǒng)使用雙電機(jī)純電動(dòng)模式進(jìn)行加速。

圖8 主流公司PHEV混動(dòng)方案對(duì)比

主流公司HEV混動(dòng)方案對(duì)比如圖9所示。由圖可以看到，對(duì)于HEV車(chē)型沒(méi)有單向離合器，豐田的THS系統(tǒng)與通用的Voltec系統(tǒng)均使用功率分流模式進(jìn)行加速[10-15]。

圖9 主流公司HEV混動(dòng)方案對(duì)比

根據(jù)以上分析，針對(duì)本田的i-MMD類(lèi)型的串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于HEV車(chē)型，應(yīng)該采用大電機(jī)的混動(dòng)方案，這樣可以保證低溫的動(dòng)力性；對(duì)于PHEV車(chē)型，可考慮增加雙電機(jī)純電動(dòng)模式，這樣可以降低電機(jī)系統(tǒng)的功率和扭矩需求，降低混動(dòng)系統(tǒng)的成本。

對(duì)于本田的i-MMD系統(tǒng)，HEV車(chē)型與PHEV車(chē)型，使用同一種構(gòu)型，均未使用C0離合器，均無(wú)雙電機(jī)純電動(dòng)模式，百公里加速時(shí)采用的是串聯(lián)增程模式，如圖8所示。所以即便是本田的i-MMD開(kāi)發(fā)了三代，其電機(jī)的功率和扭矩一直較大，無(wú)法降低。

表2為兩種混動(dòng)方案對(duì)比分析。對(duì)于HEV車(chē)型，應(yīng)該采用大電機(jī)的混動(dòng)方案，這樣可以保證低溫的動(dòng)力性；對(duì)于PHEV車(chē)型，可考慮增加雙電機(jī)純電動(dòng)模式。

表2 兩種混動(dòng)方案對(duì)比分析

5 結(jié)論

(1)對(duì)于含雙電機(jī)純電動(dòng)模式的混動(dòng)方案，匹配的是小功率、小扭矩電機(jī)，擋位切換時(shí)，需要離合器的滑摩控制且難度大；對(duì)于只有單電機(jī)純電模式的混動(dòng)方案，匹配的是大功率、大扭矩電機(jī)，擋位切換時(shí)，可以利用增程模式過(guò)渡，不需要離合器的滑摩控制，模式切換簡(jiǎn)單。

(2)對(duì)于HEV車(chē)型，在低溫情況下，電池放電功率受限，無(wú)法使用雙電機(jī)純電動(dòng)模式，只能使用增程模式加速。所以雙電機(jī)純電動(dòng)模式并不適用于HEV車(chē)型。

(3)考慮低溫動(dòng)力性，對(duì)于含雙電機(jī)純電動(dòng)模式的混動(dòng)方案，匹配的是小功率、小扭矩電機(jī)，適用于PHEV車(chē)型，可以利用PHEV電池包放電功率大，解決低溫動(dòng)力性的問(wèn)題；對(duì)于只有單電機(jī)純電模式的混動(dòng)方案，匹配的是大功率、大扭矩電機(jī)，適用于HEV車(chē)型，可以利用大電機(jī)發(fā)電功率大，使用串聯(lián)增程模式解決低溫動(dòng)力性的問(wèn)題。