插電式并聯混合動力汽車動力傳動系統與控制參數匹配設計

舒紅，彭大，袁月會，袁景敏，李建鵬，徐知恩

（1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030；2.陜汽歐舒特汽車股份有限公司，陜西，西安 710043）

近年來，插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）因其可以使用外接電網充電，純電動行駛里程長，節油率高，成為許多國家新一代電動汽車發展計劃中實現車輛節能減排的重要技術途徑之一。如何優化PHEV的動力傳動系統參數匹配和控制策略，是提高整車燃油經濟性的關鍵。

王加雪等[1]運用理論計算與實際循環工況功率需求分析相結合的方法對PHEV進行動力系統功率匹配，結果表明該方法使整車功率匹配優化。Karbowski和Sharer等[2-3]應用全局最優控制策略對PHEV在不同行駛循環工況下的性能研究表明，“混合控制”模式優于“消耗-保持”模式。趙韓等[4]運用正交試驗設計方法對主要影響燃油經濟性的因素進行了匹配和優化，找出各因素影響的主次順序并得出其優化水平，完成了對混合動力系統參數優化。

在已經研制成功的陜汽插電式混合動力公交客車樣車基礎上，根據整車動力性和純電動里程新要求重新確定了PHEV動力傳動系統的參數設計方案，再利用正交試驗方法，選取混合度、變速器傳動比、主減速器傳動比和整車控制參數作為正交設計因素進行正交試驗設計，以汽車行駛工況油耗最小為目標，優選出整車動力傳動系統參數和控制策略參數的最佳匹配方案。利用基于Advisor軟件平臺建立的插電式并聯雙離合器混合動力客車仿真模型，進行整車動力性和燃油經濟性仿真分析。

1 整車動力傳動系統參數選擇

1.1 動力傳動系統結構

陜汽歐舒特PHEV結構如圖1所示。一般情況下，汽車采用純電動驅動起步并在低速時保持純電動運行模式，當車速提高到中高速時，切換至純發動機模式驅動；當遇到急加速或爬陡坡時，轉入混合模式驅動；當汽車減速制動時，則切換至再生制動能量回收模式。整車主要參數為：整備質量m0=12 000 kg；滿載質量m=16 500 kg；空氣阻力系數CD=0.65；迎風面積A=7.85 m2；滾動阻力系數f=0.011；傳動效率ηt=0.85；車輪滾動半徑r=0.47 m。整車的動力性能指標見表1。

表1 插電式并聯混合動力客車動力性指標

1.2 發動機功率的選擇

發動機排量對整車燃油經濟性影響很大，為此選擇了兩種不同的設計方案。第1種方案是以滿足汽車最高車速行駛，同時能夠長時間連續爬坡的功率需求來確定發動機功率，見式（1）。再加上發動機附件和空調消耗功率，選取發動機額定功率為 132 kW/2 500（r·min-1）。第 2種方案是根據汽車的最高車速確定發動機功率，并加上發動機附件和空調消耗功率，選取發動機額定功率為105 kW。

式中：Pe為發動機功率；va為行駛車速；g為重力加速度；α為道路坡度。

1.3 電機特性參數的選擇

針對所選擇的兩種發動機排量，分別確定電機的性能參數。對于第1種方案的發動機，其搭配的電動機連續功率應滿足汽車純電動最高車速要求，為此選取電機連續功率為50 kW，最大轉矩為340 N·m。電動機的峰值功率和轉矩要滿足以下兩個條件：（1）滿足汽車全油門起步加速時，由靜止加速到50 km/h，發動機和電動機聯合驅動的加速時間要求。（2）滿足汽車在中國典型城市公交循環工況中運行時的行駛功率和轉矩要求。經計算，電動機峰值功率選取為100 kW，最大轉矩為680 N·m。其余參數見表2。

對于第2種方案的發動機，所搭配的電動機連續運行功率要滿足汽車純電動最高車速60 km/h的要求，同時滿足電動機和發動機聯合驅動時汽車最大爬坡度的要求，再加上電動空調、動力轉向助力和制動所消耗的功率，得電動機連續運行的額定功率為75 kW，最大轉矩為475 N·m。電動機峰值功率和轉矩的確定方法與前述相同，所得參數見表2。

電機作為發電機模式運行時，其功率特性應滿足充電功率和再生制動功率需求。經計算，發電機特性參數見表2。

表2 兩種方案的電機參數

1.4 傳動系統傳動比的選擇

主減傳動比i0按汽車的最高車速等于或略微小于發動機最大功率點對應轉速的車速來選取。

式中：np為發動機最大功率點所對應轉速。

傳動系統的最大傳動比imax應滿足汽車連續爬坡的要求。

上式中對于第1種方案的發動機Te=Temax，Tm=0。變減速器有3種規格，用B1、B2和B3表示，為可選用的變速器方案(見表3)。經過計算，與變速器B1、B2、B3分別聯合應用，能同時滿足汽車的最高車速和最大爬坡度要求的主減速器傳動比i0有3.909、4.88、5.13 3種規格，分別用C1、C2和C3表示,作為可選的設計方案。

表3 5擋變速器各擋傳動比

1.5 動力電池組的確定

蓄電池連續運行額定功率和峰值功率以在荷電維持階段分別滿足牽引電動機連續功率和峰值功率需求來確定，并加上電動動力轉向泵、電動空壓機等所消耗的功率。

蓄電池的額定容量和總能量根據汽車的純電動里程確定，鋰電池的總電壓選擇為539.6 V，經計算蓄電池組的容量為130 Ah，考慮到電池容量的衰減，選擇電池組的額定容量為150 Ah。蓄電池組的總能量由式（4）計算，為81 kWh。

式中：Wb為電池的總能量；vm為車速，vm=40 km/h；Sm為純電動里程；SOC0為初始SOC；SOCf為終點處SOC。

1.6 混合度

為方便正交試驗設計的計算，以反映發動機和電機功率相對大小的混合度作為動力系統的參數。計算得兩種發動機和電機設計方案的混合度分別為A1=27.5%，A2=40%，作為發動機和電機的正交設計的可選設計參數。式（5）中A為混合度；Pm為電機連續功率；Pe為發動機功率。

影響插電式混合動力汽車燃油經濟性的結構因素主要有混合度、電池容量、電池組電壓、變速器傳動比、主減速器傳動比等。考慮到電池容量和電池組電壓已經選定，因此選擇混合度A、變速器傳動比B和主減速器傳動比C作為正交試驗設計的結構參數。

2 插電式混合動力汽車控制參數選擇

2.1 整車控制策略

汽車控制策略可以根據車速、負載和蓄電池SOC值，來確定發動機和電動機的運行狀態，使發動機、電機和電池工作在高效率區域內，降低整車燃油消耗。電力輔助控制策略[5]原理如圖2所示，控制邏輯見參考文獻[5]所述，電力輔助控制策略的控制變量見表4。

表4 電力輔助控制策略變量表

2.2 控制參數的選擇

整車動力傳動系統各部件參數和控制參數的匹配直接影響汽車燃油消耗和排放，因此也將整車控制參數作為正交試驗的因素進行正交設計。以城市公交車平均每天行駛42個中國典型城市公交循環工況（總里程246 km）為基準，計算整車油耗，對整車控制參數和動力傳動系統各部件參數進行正交試驗設計，以總油耗最小為目標優選出最佳的設計方案。對表4中所示的5個控制變量在取值范圍內選取多個不同數值，各控制參數的取值水平如下：cs_electric_launch_spd_1o取值范圍為[2 m/s,6 m/s]，用D表示，取4個水平[2 m/s，3.5 m/s，5 m/s，6 m/s]；cs_electric_launch_spd_hi取值范圍為[6 m/s，12 m/s]，用E表示，取4個水平[6 m/s，8 m/s，10 m/s，12 m/s]；根據發動機的萬有特性曲線，為確保發動機在經濟區域工作，確定cs_off_trq_frac取值范圍為[0.3，0.6]，用F表示，取4個水平[0.3，0.4，0.5，0.6]；cs_min_trq_frac取值范圍為[0.3，0.75]，用G表示，取4個水平[0.3，0.45，0.6，0.75]；cs_chg_trq/min(fc_m-ax_trq)范圍為[0.1，0.4]，用H表示，取4個水平 [0.1，0.2，0.3，0.4]。

2.3 整車仿真模型的建立

運用Advisor軟件進行PHEV建模與仿真。通過在Advisor軟件現有單離合器并聯混合動力汽車仿真模型基礎上，增加一個自動離合器模塊，并修改整車和動力系統各部件等模塊的仿真參數，建立了插電式雙離合器并聯混合動力客車仿真模型[6]，如圖3所示。

3 插電式混合動力客車參數正交設計

3.1 確定正交試驗因素及水平

影響整車燃油經濟性和排放的動力系統參數和控制參數共有8個，分別是混合度A、變速器傳動比B、主減速器傳動比C、車速限值(低SOC時)D、車速限值(高SOC時)E、發動機關閉轉矩系數F、發動機最低工作轉矩系數G、充電轉矩與發動機不同轉速下最大輸出的最小值之比H。將上述8個因素作為進行正交試驗設計的因素，其中A為2水平，B、C為3水平，其余均為4水平的因素。

表5 正交設計方案及結果

3.2 參數正交設計及結果分析

根據3.1節所確定的正交試驗設計因素及其水平數,選取混合正交表L32(21×32×46)[7]進行正交試驗設計。空余的X列可以作為反映隨機誤差的大小或交互作用，正交設計方案及42個中國典型城市公交循環工況下油耗仿真結果見表5，其中循環工況起始時電池SOC為95%，結束時SOC為 25%。

由 表 5可 見 ,第 26號（A2B3C3D2E1F3G3H1）設計方案的油耗45.89 L為最小油耗，但并不是其最優組合。由效應曲線圖4可知其最佳方案為A2B2C3D2E1F2G4H1。

上述最佳方案在正交試驗表中未列出,由效應曲線圖可以看出各控制參數D、E、F、G和H的取值還可以進一步優化，于是在最佳方案中的每一個控制參數取值附近再各取4個值，對控制策略進行第2次正交試驗優化。選取D的4個水平為[3.3 m/s，3.5 m/s，3.9 m/s，4.3 m/s]；E的4個水平為[5.8 m/s，6 m/s，6.4 m/s，6.8 m/s]；F的4個水平為[0.37，0.4，0.43，0.46]；G的4個水平為[0.67，0.71，0.75，0.79]；H的4個水平為[0.1，0.12，0.14，0.16]。

選取L16(4)5正交表安排仿真，結果見表6。

表6 二次正交設計方案及結果

第2次正交試驗的因素與指標的效應曲線圖如圖6所示。由表6和圖5可以看出，第2次正交試驗中各因素的調整對油耗影響不大，且通過效應曲線圖可知，其最優組合方案為D4E4F3G4H2，仿真油耗為45.81 L，最終選取參數和優化前參數如下。

參 數 優化后/優化前數值發動機額定功率 105 kW/132 kW電機額定功率 75 kW/50 kW電機峰值功率 150 kW/100 kW主減速傳動比 5.13/5.13 5擋變速器型號 B2/ B3 cs_electric_launch_spd_1o 4.3（m·s－1）/4.17（m·s－1）cs_electric_launch_spd_hi 6.8（m·s－1）/9.72（m·s－1）cs_off_trq_frac/ 0.43/0.28 cs_min_trq_frac 0.79/0.3 cs_chg_trq/min(fc_max_trq)0.12/0.2

4 整車性能仿真分析

（1）采用正交設計優選出的整車動力傳動系統參數和控制參數，在中國典型城市公交循環工況下進行燃油經濟性仿真, 圖6是兩個中國典型城市公交循環工況下的仿真結果圖。

（2）在42個中國典型城市公交循環工況下動力性和燃油經濟性仿真結果見表7，表明其動力性完全滿足要求。百公里油耗為18.6 L，與參數優化之前的車型相比(19.7L/100 km)，油耗降低5.58%,燃油消耗有明顯降低。

表7 仿真結果

圖7—圖9所示為42個中國典型城市公交循環工況下電機、發動機工作點分布圖和電池SOC變化曲線圖。由圖7可知，電機的正負轉矩工作點主要集中在高效率區域，說明整車動力傳動系統參數和控制參數匹配能夠很好地滿足動力與制動能量回收的需要。由圖8可知，發動機工作點主要集中在燃油消耗率比較低的中高負荷區域附近，說明制定的控制策略能使發動機大部分時間工作在高效率區域，提高了汽車的燃油經濟性。由圖9可知，當電池SOC大于25%時，處于荷電消耗階段，降到25%時，轉入荷電維持階段。

5 結論

（1）整車動力傳動系統參數和控制策略直接影響汽車燃油消耗和排放。根據整車動力性和純電動里程要求確定了插電式并聯混合動力客車動力傳動系統的參數設計方案。選取PHEV混合度、變速器傳動比、主減速器傳動比和整車控制策略參數作為正交設計因素進行正交試驗設計，以汽車行駛工況油耗最小為目標，優選出整車動力傳動系統參數和控制策略參數的最佳匹配方案。

（2）基于電動汽車仿真分析軟件Advisor，建立了插電式并聯雙離合器混合動力客車仿真模型。采用正交設計優選后的動力傳動系統參數和控制策略參數，對整車動力性和燃油經濟性進行了仿真分析。結果表明動力系統參數和控制參數優化匹配合理，達到了預期設計目標。在42個中國典型城市公交循環工況下百公里油耗為18.6 L，與參數優化之前的車型相比，油耗降低5.58%。

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