新型適時四驅(qū)PHEV系統(tǒng)匹配與控制仿真

馬　超，陳美奇，楊　坤，高　松

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院， 山東淄博255049)

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新型適時四驅(qū)PHEV系統(tǒng)匹配與控制仿真

馬超，陳美奇，楊坤，高松

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院， 山東淄博255049)

摘要：為了更深一步提高插電式混合動力汽車(PHEV)適應(yīng)復(fù)雜行駛環(huán)境的能力，根據(jù)其工作特點和不同駕駛情況的性能要求，設(shè)計開發(fā)出一款采用啟動/發(fā)電機、兩檔純電驅(qū)動模式的新型插電式適時四驅(qū)混合動力系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計需求，對動力部件進行匹配及選型，針對性的開發(fā)了整車控制策略。為驗證其性能，利用AVL Cruise搭建其整車動力學(xué)模型，基于MATLAB/Simulink開發(fā)了動力系統(tǒng)控制模型，采用Stateflow搭建模式切換狀態(tài)流圖。通過聯(lián)合仿真結(jié)果表明：整車動力學(xué)系統(tǒng)參數(shù)匹配與控制達到設(shè)計要求，百公里加速時間達到6.22 s；相比無兩檔自動變速器PHEV，啟動/發(fā)電機和兩檔自動變速器的使用使其純電動續(xù)駛里程增長了11.49%，最終降低35.43%的使用成本。本研究為此類四驅(qū)PHEV系統(tǒng)的開發(fā)提供了一套完整的理論與技術(shù)，對推動PHEV的發(fā)展有著重大的理論和社會意義。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車;匹配;適時四驅(qū);啟動/發(fā)電機;兩檔純電動驅(qū)動;控制策略;仿真分析

0引言

環(huán)境污染的加劇，霧霾天的出現(xiàn)，進一步激發(fā)了民眾對節(jié)能減排的要求，國務(wù)院于2015年最新發(fā)布的《中國制造2025》中，將節(jié)能汽車及新能源汽車作為未來發(fā)展的重點領(lǐng)域[1]。兼具純電動和混合驅(qū)動的插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)已成為我國新能源汽車發(fā)展重要戰(zhàn)略取向。

插電式混合動力系統(tǒng)充分利用動力電池所提供電能驅(qū)動汽車，在中短途距離純電動行駛體現(xiàn)了汽車經(jīng)濟節(jié)能的需求；同時發(fā)動機用于增程行駛模式，滿足在長距離行駛需求；兩模式的綜合使用，使PHEV具備了長續(xù)駛里程、高燃油效率、低污染排放的特性，在純電動汽車技術(shù)仍面臨難點的現(xiàn)在[2]，成為了最現(xiàn)實的新能源車型。

現(xiàn)今典型的插電式混合動力汽車中，如豐田普銳斯、通用雪佛蘭沃藍(lán)達等多是單軸驅(qū)動，此種驅(qū)動構(gòu)型在城市道路行駛中有著良好的表現(xiàn)，具有較好的燃油效率，節(jié)能減排效果顯著，但在復(fù)雜道路如濕滑或山區(qū)等需要較好的驅(qū)動能力的場合仍有提升潛力。因此，為了迎合此種需求，韓國成均館大學(xué)Donghyun Kim[3]、湖南大學(xué)張文超[4]和華南理工大學(xué)莫愁等[5]分別對四驅(qū)動力系統(tǒng)進行開發(fā)及性能仿真，對動力部件進行了匹配及能量管理控制，在動力性和經(jīng)濟性上取得了較好的提升。加拿大安大略大學(xué)Ragheb.H等[6]通過對混合四驅(qū)動力汽車和傳統(tǒng)四驅(qū)動力汽車爬坡性能仿真研究，結(jié)果表明混合四驅(qū)動力系統(tǒng)在爬坡性能上優(yōu)于傳統(tǒng)四驅(qū)。合肥工業(yè)大學(xué)邱利宏等[7]根據(jù)四驅(qū)混合動力汽車的工作模式，利用基于邏輯門限值的方法制定控制策略實現(xiàn)對汽車的控制，其動力性和經(jīng)濟性均達到設(shè)計指標(biāo)。基于以上分析，本文提出了一類新型具備啟動/發(fā)電機與兩檔式變速器的四輪驅(qū)動PHEV系統(tǒng)，并對其進行了匹配設(shè)計與開發(fā)。首先對如何提出插電式適時四驅(qū)混合動力系統(tǒng)構(gòu)型的設(shè)計進行了說明；其次，對適時四驅(qū)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各驅(qū)動部件進行匹配；利用Stateflow搭建狀態(tài)流圖，實現(xiàn)適時四驅(qū)系統(tǒng)各工作模式的跳轉(zhuǎn)，通過發(fā)動機最佳工作曲線(Optimal Operating Line, OOL)優(yōu)化發(fā)動機的工作[8]，最終實現(xiàn)對各個驅(qū)動部件扭矩的優(yōu)化分配；為了驗證此構(gòu)型，利用AVL Cruise搭建了整車動力學(xué)模型，利用MATLAB/Simukink開發(fā)了整車控制模型，基于兩者的聯(lián)合仿真，對其性能進行了分析與評價。

1整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析

1.1插電式適時四驅(qū)混合動力汽車構(gòu)型設(shè)計

插電式混合動力系統(tǒng)中擁有兩套獨立的動力源，為方便適時四驅(qū)混合驅(qū)動系統(tǒng)布置，在前后驅(qū)動分別采用不同的驅(qū)動源，即前驅(qū)為發(fā)動機驅(qū)動，后驅(qū)為電機驅(qū)動[9]。

1.1.1純電動后驅(qū)

插電式系統(tǒng)主要驅(qū)動模式為純電動模式也被稱為電量消耗模式(Charge Depleting，CD),在此過程中主要依靠動力電池為驅(qū)動電機提供電能驅(qū)動汽車后輪行駛。雖然純電動可以實現(xiàn)汽車零排放同時滿足汽車在短途面對復(fù)雜工況行駛的要求，但是研究表明純電動行駛模式下傳動系統(tǒng)中檔位數(shù)對電機的工作效率和功率輸出性能具有一定的影響[10]，基于此考慮，本設(shè)計系統(tǒng)在電機后輪驅(qū)動模式下采用兩檔自動變速器來提高電機性能，在相對小的增加整車復(fù)雜度的同時提升電機的工作效率和增加純電動模式下的續(xù)駛里程[11]。

1.1.2發(fā)動機前驅(qū)

在動力電池電量相對較低的情況下，整車驅(qū)動進入增程模式也叫電量維持模式(Charge Sustaining，CS),發(fā)動機作為主要的能量源驅(qū)動汽車前輪行駛。由于發(fā)動機工作區(qū)域的好壞對整車經(jīng)濟性能有著極大的影響，同時發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)也會增加額外的燃油消耗[12],為了減小這部分消耗，本設(shè)計引用啟動/發(fā)電機的概念[13-14]，取消發(fā)動機的起動機，在飛輪端匹配連接一個啟動/發(fā)電機用于發(fā)動機的快速啟動和怠速停機。該啟動/發(fā)電機在本設(shè)計系統(tǒng)中用來控制發(fā)動機啟停和發(fā)電，不參與整車驅(qū)動，降低了控制系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了發(fā)動機的經(jīng)濟性。

1.1.3混合四驅(qū)

汽車在行駛過程中，行駛路況復(fù)雜多變，在動力電池電量較高時，如果遇到整車急加速或其他需求功率較高的情況，汽車則進入四驅(qū)模式，此時由驅(qū)動電機輔助發(fā)動機驅(qū)動整車，兩套動力源同時為整車提供驅(qū)動力。

綜上所述，本文所設(shè)計整車結(jié)構(gòu)如圖1所示。純電動后驅(qū)搭載了兩檔自動變速器，發(fā)動機前驅(qū)部分取消了原有的起動機，使用了啟動/發(fā)電機，目標(biāo)車型可依據(jù)行駛路況自由選擇純電動后驅(qū)、發(fā)動機前驅(qū)及混合四驅(qū)模式。

圖1　插電式適時四驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2整車動力系統(tǒng)動力學(xué)分析

本文設(shè)計系統(tǒng)可以滿足整車在城市、郊區(qū)和高速公路行駛的要求，整車控制系統(tǒng)根據(jù)不同的行駛工況控制系統(tǒng)向車輪提供合適的驅(qū)動力，實現(xiàn)適時四驅(qū)驅(qū)動模式。其適時四驅(qū)驅(qū)動行駛模式及能量傳遞路線如圖2所示。

①圖2(a)為純電動后輪驅(qū)動，由后驅(qū)動電機提供動力驅(qū)動后輪，動力傳遞關(guān)系為：

Twheel=TM×igr×i0r。

(1)

車輪需求扭矩由驅(qū)動電機提供，經(jīng)兩檔自動變速器和后差速減速器傳遞到后輪。純電動后輪驅(qū)動，動力電池電量較高，實現(xiàn)零排放經(jīng)濟行駛。

②圖2(b)為發(fā)動機前輪驅(qū)動，由發(fā)動機單獨提供動力驅(qū)動前輪，動力傳遞關(guān)系為：

Twheel=Te×igf×i0f。

(2)

車輪需求扭矩由發(fā)動機提供，經(jīng)五檔自動變速器和前差速減速器傳遞到前輪。發(fā)動機單獨前輪驅(qū)動，動力電池電量較低，增程行駛。發(fā)動機發(fā)出過多功率由啟動/發(fā)電機發(fā)電，維持動力電池電量。

③圖2(c)為混合四輪驅(qū)動，由發(fā)動機和驅(qū)動電機聯(lián)合提供動力驅(qū)動四輪，動力傳遞關(guān)系為：

Twheel=Te×igf×i0f+TM×igr×i0r。

(3)

發(fā)動機和驅(qū)動電機同時提供動力，經(jīng)變速器和前后減速差速器分別傳遞到前后輪。四輪驅(qū)動，提高汽車性能，適應(yīng)更多行駛工況。

④圖2(d)為制動能量回收模式：

-Twheel=TM×igr×i0r。

(4)

驅(qū)動電機作為發(fā)電機提供相應(yīng)的負(fù)扭矩，吸收車輛部分動能轉(zhuǎn)化為電能補充動力電池，實現(xiàn)汽車制動能量回收。

式(1)～(4)中，Twheel為車輪的驅(qū)動力；TM為后驅(qū)動電機提供的驅(qū)動力；Te為發(fā)動機提供的驅(qū)動力；igf為5檔自動變速器的傳動比；igr為2檔自動變速器的傳動比；i0f為前主減速器的傳動比；i0r為后主減速器的傳動比。

通過兩套獨立的動力源分別驅(qū)動前后輪，既可以實現(xiàn)單獨的兩輪驅(qū)動也可以聯(lián)合四輪驅(qū)動，簡單方便的實現(xiàn)了整車的適時四輪驅(qū)動，同時也實現(xiàn)了制動能量的回收。

(a) 純電動后驅(qū)模式

(c) 混合四驅(qū)模式

(d) 制動能量回收模式

圖2目標(biāo)車型能量傳遞流圖

Fig.2Power flow map of the target vehicle

整車基本參數(shù)和目標(biāo)性能如表1和表2所示。

表1　整車基本參數(shù)

表2　目標(biāo)性能指標(biāo)

2整車參數(shù)匹配

動力部件的合理參數(shù)對于提高各部件之間的機械傳動效率，改善汽車在不同工況下行駛時的整車性能起著關(guān)鍵作用[15]。

2.1發(fā)動機與驅(qū)動電機選型

發(fā)動機功率的大小對整車動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性均有很大影響，驅(qū)動電機不僅要滿足純電動模式獨立驅(qū)動的性能要求，還要兼具回收制動能量的功能[16]。本文根據(jù)發(fā)動機單獨驅(qū)動、純電動和混合驅(qū)動時的設(shè)計要求進行匹配設(shè)計。

①通過最高車速確定動力部件的額定功率：

(5)

式中，Pe為額定功率，ηt為傳動系統(tǒng)總效率，m為汽車滿載質(zhì)量，g為重力加速度，f為滾動阻力系數(shù)，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，umax1為最高車速。

②通過車速在30 km/h時的爬坡度和0～100 km/h加速時間分別計算動力部件的最大功率：

(6)

(7)

式(6)～(7)中，pemax為滿足爬坡需求最大功率，pjmax為滿足加速時間需求最大功率，i為爬坡度，ua為爬坡車速，ut為汽車有靜止到加速終止的車速，t為汽車加速時間，k為時間常數(shù)。

③動力部件最大功率為應(yīng)為：

Pmax=max(Pemax,Pjmax)。

(8)

2.1.1發(fā)動機參數(shù)的選取

根據(jù)公式(5)～(8)，在發(fā)動機單獨工作時設(shè)計發(fā)動機最大功率，考慮汽車附件等，發(fā)動機最大功率應(yīng)有5%～10%的余量。如圖3為所選發(fā)動機特性曲線及其最佳工作曲線，其中圖3(a)表示發(fā)動機輸出扭矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化情況的發(fā)動機特性曲線，圖3(b)表示發(fā)動機最佳工作曲線，表明不同轉(zhuǎn)速與發(fā)動機輸出功率之間的關(guān)系。

2.1.2電機參數(shù)選取

根據(jù)公式(5)～(8)計算驅(qū)動電機單獨工作時的額定功率、峰值功率。在混合驅(qū)動模式下發(fā)動機和驅(qū)動電機聯(lián)合驅(qū)動汽車，此時整車的功率為發(fā)動機功率和電機功率之和，通過公式(9)和公式(10)計算驅(qū)動電機的峰值功率：

PMmax2=PMmax1-Pemax，

(9)

PMmax=max(PMmax1,PMmax2)，

(10)

式中，PMmax1為純電動模式下驅(qū)動電機峰值功率，PMmax2為四驅(qū)模式下驅(qū)動電機峰值功率，PMmax為驅(qū)動電機峰值功率。

(a) 發(fā)動機特性曲線

(b) 發(fā)動機最佳工作曲線

圖3發(fā)動機特性曲線及最佳工作曲線

Fig.3Engine characteristic curve and Optimal Operating Line(OOL)

2.2啟動/發(fā)電機匹配

目標(biāo)PHEV系統(tǒng)中啟動/發(fā)電機主要作用是起動發(fā)動機和發(fā)電，需要滿足以下條件：

①在增程模式下，發(fā)動機將過多的功率通過啟動/發(fā)電機發(fā)電補充給動力電池，以純電動平均行駛車速(45 km/h)所需功率為啟動/發(fā)電機的額定功率。

②啟動/發(fā)電機主要用于快速啟停發(fā)動機，因此應(yīng)能保證在極短時間內(nèi)將發(fā)動機啟動或怠速停機[17]，其額定轉(zhuǎn)矩TGe應(yīng)滿足：

(11)

式中，I為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，nid為發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速，ts為啟動時間。

2.3動力電池參數(shù)設(shè)計

動力電池在整車系統(tǒng)中影響著汽車純電動續(xù)駛里程、加速爬坡等能力[18]，本文選取鋰電池作為系統(tǒng)動力電池，并進行參數(shù)設(shè)計。

①以60 km/h勻速行駛時需求功率和設(shè)計續(xù)駛里程作為動力電池容量的設(shè)計目標(biāo)：

(12)

式中，Cb為電池額定容量；Pv為汽車以車速v勻速行駛的所需功率；U為電池組額定電壓；ηe為驅(qū)動電機的工作效率；ηDOD為電池的放電深度。

②分別以純電動后輪驅(qū)動下驅(qū)動電機的峰值功率和汽車?yán)m(xù)駛里程的要求確定動力電池的數(shù)目，通過公式(13)和公式(14)計算：

(13)

(14)

式中,Pbmax為單體鋰電池的最大輸出功率；ηe為驅(qū)動電機的效率；ηec為驅(qū)動電機控制器的效率；L為汽車的續(xù)駛里程；W為整車在單位里程所消耗能量；Cr為單體電池額定容量；Ur為單體電池電壓；Pa為整車從t1時刻行駛至t2時刻總的需求功率。

2.42檔自動變速器傳動比

考慮純電動直接驅(qū)動下的諸多問題，本設(shè)計中在驅(qū)動電機和車輪之間增加減速器和2檔自動變速器，提高純電動模式下驅(qū)動電機的性能。主減速器的傳動比i0r=3.0。

①由驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速要符合設(shè)計最高車速來確定最高檔位傳動系最大速比：

(15)

②根據(jù)最高車速和電機最高轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩確定傳動系速比：

(16)

③通過最大爬坡度和電機的最大輸出扭矩來計算最低檔傳動系的最小傳動比：

(17)

經(jīng)過以上計算，整車動力部件參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示。

表3　動力部件參數(shù)匹配

3控制策略與動力系統(tǒng)模型開發(fā)

3.1目標(biāo)車型整車控制策略開發(fā)

插電式適時四驅(qū)混合動力整車控制系統(tǒng)由發(fā)動機控制系統(tǒng)(ECU)、電機控制系統(tǒng)(MCU)、電池控制系統(tǒng)(BMS)和再生制動控制等組成。將車速、整車需求扭矩、需求功率、駕駛員意圖信號及電池荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)作為輸入信號，識別整車行駛模式并計算各動力部件所需輸出扭矩。圖4為搭建的模式識別示意圖：

①汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)時，處于機械制動模式，此時如果動力電池SOC較低，則進行外接充電；

②當(dāng)汽車開始行駛，整車需求功率大于零且SOC大于最低限時，汽車進入純電動后輪驅(qū)動模式。汽車在純電動后輪驅(qū)動行駛時如果急加速或進入高速大功率行駛時，汽車將進入四輪驅(qū)動模式；

③在動力電池SOC低于最低下限時，汽車進入增程模式。在動力電池SOC相對較高時，汽車首先進入低電量純電動后輪驅(qū)動模式。動力電池SOC繼續(xù)減小則汽車進入發(fā)動機前輪驅(qū)動模式，當(dāng)發(fā)動機發(fā)出功率大于汽車行駛所需功率時，汽車將進入發(fā)動機前輪驅(qū)動充電模式；

④在汽車行駛過程中，制動或者滑行時，汽車將進入制動能量回收模式。

圖4　驅(qū)動模式識別示意圖

根據(jù)不同驅(qū)動模式下動力部件運行狀況的不同及汽車行駛需要扭矩，對各動力部件進行扭矩分配。

①發(fā)動機扭矩確定

發(fā)動機的輸出扭矩是通過發(fā)動機的最佳工作曲線確定的：

Te=f(eng_spd,eng_OOL)。

(18)

②驅(qū)動電機扭矩確定

驅(qū)動電機用于純電動后輪驅(qū)動和制動能量回收模式時的需求扭矩由公式(19)確定，用于四輪混合驅(qū)動時的需求扭矩由公式(20)確定。

(19)

(20)

③啟動/發(fā)電機扭矩確定

啟動/發(fā)電機扭矩是用來啟停發(fā)動機或調(diào)整發(fā)動機輸出扭矩的，其輸出扭矩為：

Tfc=Tf-Te。

(21)

式(18)～(21)中，eng_spd為發(fā)動機設(shè)計轉(zhuǎn)速，eng_OOL為發(fā)動機最佳工作曲線，Tfc為啟動/發(fā)電機輸出扭矩，Tf為啟動/發(fā)電機控制器調(diào)節(jié)扭矩。

3.2目標(biāo)車型整車動力系統(tǒng)開發(fā)

利用AVL Cruise軟件搭建完整的插電式適時四驅(qū)混合動力系統(tǒng)模型，如圖5，將各模塊通過機械和電氣連接起來。輸入所搭建系統(tǒng)各模塊參數(shù)，并添加計算任務(wù)。通過API模塊將MATLAB/Simulink所搭建的控制策略放入Cruise中進行聯(lián)合仿真。

圖5　Cruise和MATLAB聯(lián)合仿真模型

4仿真結(jié)果分析

4.1模式切換分析

為了模擬目標(biāo)車型所面臨的各種行駛環(huán)境，選擇Ftp72循環(huán)工況并對所搭建插電式適時四驅(qū)混合動力系統(tǒng)進行仿真。四驅(qū)動力系統(tǒng)車速以及各工作模式切換過程如圖6所示。

圖6　車輛車速及模式切換圖

在剛開始運行時，動力電池SOC充足，汽車完全依靠電機驅(qū)動；在急加速時，汽車進入四驅(qū)模式；動力電池SOC不足后汽車進入增程驅(qū)動模式，在此模式下動力電池SOC相對較高時為低電量純電動后輪驅(qū)動，相對較低時則完全由發(fā)動機驅(qū)動，在汽車需求功率較小，發(fā)動機多余一部分功率用于發(fā)電即為發(fā)動機前輪驅(qū)動充電模式；當(dāng)汽車需求功率較高時，發(fā)動機功率完全用來驅(qū)動整車行駛即為發(fā)動機前輪驅(qū)動。在整個過程中不僅實現(xiàn)驅(qū)動模式同時也實現(xiàn)了汽車的制動能量回收模式。

圖6中由于汽車頻繁加速和制動出現(xiàn)模式頻繁跳轉(zhuǎn)情況，此時為純電動驅(qū)動模式，在制動時符合本設(shè)計制動能量回收模式，因此汽車頻繁跳轉(zhuǎn)于純電動驅(qū)動和制動能量回收模式。

①后輪驅(qū)動

在后輪驅(qū)動模式下，發(fā)動機和啟動/發(fā)電機均不工作，所發(fā)出扭矩為零，只有驅(qū)動電機作為動力源提供動力，輸出扭矩(動力電池SOC充足)和動力電池SOC變化如圖7所示，驅(qū)動電機的扭矩為正時驅(qū)動汽車行駛，動力電池SOC下降，驅(qū)動電機的扭矩為負(fù)值時汽車處于制動能量回收模式，此時動力電池SOC值會稍微上升。

(a) 驅(qū)動電機扭矩曲線

(b) 電池SOC曲線

圖7純電動驅(qū)動電機扭矩及電池荷電狀態(tài)(SOC)曲線

Fig.7Pure electric drive motor torque and battery state of charge (SOC) curve

②前輪驅(qū)動

如圖8所示，t=20～128 s時，車輛工作在低電量純電動后輪驅(qū)動模式(A階段)，電池SOC從29%降到了23%，此時只有驅(qū)動電機提供驅(qū)動扭矩；t=160～190 s時，車輛工作在發(fā)動機前輪驅(qū)動充電模式(B階段)，在t=165.3 s時，啟動/發(fā)電機輸出一個70 N·m的扭矩用來啟動發(fā)動機，發(fā)動機啟動后輸出扭矩來驅(qū)動汽車，多余發(fā)動機功率用于驅(qū)動啟動/發(fā)電機發(fā)電；t=190～253 s時為發(fā)動機前輪驅(qū)動模式(C階段)，發(fā)動機提供功率完全用于驅(qū)動汽車，驅(qū)動電機和啟動/發(fā)電機不工作；D階段和E階段分別與B階段和A階段重復(fù)，在此不再贅述，整個過程SOC由29%下降到24.59%。

③四輪驅(qū)動

如圖9所示,在t=5～23 s時為四輪驅(qū)動模式(A階段)，汽車由驅(qū)動電機啟動，由于急加速需求功率增大，啟動/發(fā)電機提供瞬時正扭矩快速啟動發(fā)動機，此時驅(qū)動電機輔助提供動力；在t=23～145 s時為純電動后輪驅(qū)動模式(B階段)，汽車行駛不再滿足四驅(qū)行駛條件，啟動/發(fā)電機提供負(fù)扭矩使發(fā)動機快速停機，由驅(qū)動電機提供驅(qū)動扭矩，進入純電動后輪驅(qū)動模式。

(a) 驅(qū)動電機扭矩曲線

(b) 發(fā)動機扭矩曲線

(c) 啟動/發(fā)電機扭矩曲線

(d) 電池SOC曲線

圖8前輪驅(qū)動動力部件扭矩及電池SOC曲線

Fig.8Front wheel drive power component torque and battery SOC curve

(a) 驅(qū)動電機扭矩曲線

(b) 發(fā)動機扭矩曲線

(c) 啟動/發(fā)電機扭矩曲線

(d) 電池SOC曲線

圖9四輪驅(qū)動動力部件扭矩及電池SOC曲線

Fig.9Four wheel drive power component torque and battery SOC curve

4.2動力性分析

在AVL Cruise中分別添加最高車速、加速和爬坡性能計算任務(wù)，驗證整車動力性能，通過表4仿真數(shù)據(jù)結(jié)果看出，無論是前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動還是四輪驅(qū)動均滿足設(shè)計要求，四驅(qū)模式下汽車爬坡達68.33%。圖10為四輪驅(qū)動與單軸驅(qū)動加速性能比較，在相同的駕駛環(huán)境下，四輪驅(qū)動模式下汽車加速性能明顯優(yōu)于單軸驅(qū)動模式，百公里加速時間僅為6.22 s，具有更好的加速性能。

表4　動力性仿真結(jié)果

圖10　適時四驅(qū)加速性能曲線Fig.10　Real time acceleration curve

在本文中，還將此車的動力性與傳統(tǒng)四驅(qū)汽車及四驅(qū)混合動力汽車的性能進行了比較(表5)；在本設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加發(fā)動機起動機、去除啟動/發(fā)動機及兩檔自動變速器，采用分動器系統(tǒng)改為傳統(tǒng)四驅(qū)汽車(構(gòu)型1)；以前輪為發(fā)動機驅(qū)動，后輪為電機驅(qū)動改為一般四驅(qū)混合動力汽車(構(gòu)型2)。分別建立以上四驅(qū)系統(tǒng)的模型并進行動力性仿真，仿真結(jié)果如表5所示。

如表5所示，構(gòu)型1的加速時間為9.95 s，而此動力性的獲取是以發(fā)動機功率的提升為代價的，在本設(shè)計中所選發(fā)動機為70 kW，構(gòu)型1所選發(fā)動機功率增至90 kW；對于構(gòu)型2，加速時間為12.4 s，是三種構(gòu)型中加速時間最長的，這是由于后輪驅(qū)動時，電機直接將動力經(jīng)主減速器傳到車輪，未經(jīng)過變速器進行增扭減速，且加速起始階段發(fā)動機不參與驅(qū)動，甚至加速性能弱于構(gòu)型1；本設(shè)計中的四輪驅(qū)動系統(tǒng)增加兩檔自動變速器后，在最大爬坡度和百公里加速性能上明顯優(yōu)于對比車型，相比于構(gòu)型2分別提升42.06%和46.6%，同時相對于傳統(tǒng)四驅(qū)汽車，四驅(qū)混合動力汽車具有純電動行駛的能力，具備更加良好的節(jié)能減排意義。

表5　動力性仿真比較

4.3經(jīng)濟性分析

在經(jīng)濟性的仿真中主要對發(fā)動機油耗、動力電池電量消耗、百公里能量回收及續(xù)駛里程等進行研究。

本設(shè)計與其他構(gòu)型最大的不同便是增加了兩檔自動變速器，因此，首先研究構(gòu)型2與本設(shè)計中驅(qū)動電機運行效率和純電動模式下續(xù)航里程的影響。選擇Ftp72循環(huán)工況對整車經(jīng)濟性能仿真，圖11為前500 s工況下兩種構(gòu)型的電機驅(qū)動效率比較，在大部分工況下(如圖11中圓形實線所標(biāo)注區(qū)域)，直接驅(qū)動電機效率低于變速后驅(qū)動；而在矩形虛線所標(biāo)注區(qū)域內(nèi)，由于此時車速大于80 km/h，直接驅(qū)動時電機效率略高，但在整個行駛過程中，直接驅(qū)動電機平均效率為76.55%，增加兩檔變速器后提升為86.23%，且由于汽車純電動行駛更多用于城市內(nèi)中低速行駛，增加兩檔變速器更能有效提升經(jīng)濟性。

圖11　驅(qū)動電機效率

圖12　純電動模式續(xù)駛里程Fig.12　Pure electric driving range

圖12為汽車以60 km/h勻速純電動后輪驅(qū)動行駛，無變速器直接驅(qū)動和增加兩檔變速器后汽車?yán)m(xù)駛里程比較，結(jié)果表明增加兩檔變速器后動續(xù)駛里程較無變速器直接驅(qū)動情況下提升11.49%。

為進一步研究經(jīng)濟性，將構(gòu)型1發(fā)動機選取為90 kW，構(gòu)型2與本設(shè)計均進行制動能量回收，在Cruise中進行經(jīng)濟性仿真，同時以當(dāng)前當(dāng)?shù)赜蛢r5.94元/L、電價0.71元/(kW·h)計算成本。從表6中可以看出，本設(shè)計設(shè)置啟動/發(fā)電機對發(fā)動機進行快速啟停控制后，較構(gòu)型2的百公里油耗減少0.16 L，百公里耗電也由于驅(qū)動電機效率的提升減少4.82 kW，最終本設(shè)計四驅(qū)混合動力汽車系統(tǒng)較構(gòu)型1節(jié)省35.43%使用成本。

表6　經(jīng)濟性仿真結(jié)果比較

4.4討論

通過以上仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計混合動力汽車與構(gòu)型1相比發(fā)動機功率配置更小，在動力性和經(jīng)濟性上表現(xiàn)更加優(yōu)越;與構(gòu)型2相比，引入啟動/發(fā)電機對發(fā)動機快速啟停進行控制、增加兩檔自動變速器提高了驅(qū)動電機在中低速行駛時的工作效率，進一步提升了四驅(qū)混合動力汽車的性能，同時節(jié)省了汽車的使用成本。因此，此類適時四驅(qū)系統(tǒng)對PHEV整車性能的提升有著重大的理論意義與實踐意義，為此類PHEV的研發(fā)提供了必要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

5結(jié)語

本文根據(jù)插電式混合動力汽車的特點設(shè)計開發(fā)一種新型適時四驅(qū)混合動力汽車系統(tǒng)，具備啟動/發(fā)電機和兩檔變速系統(tǒng)，通過匹配分析計算可知，所匹配動力部件滿足汽車行駛性能要求，所搭建模式切換狀態(tài)流實現(xiàn)汽車在不同工況行駛工作模式的順利切換，并且各動力部件扭矩分配合理。仿真結(jié)果可以看出，在前輪和后輪驅(qū)動滿足汽車普通行駛的基礎(chǔ)上，混合四驅(qū)模式使汽車在動力性能上有較大的提升，更能適應(yīng)復(fù)雜的行駛環(huán)境；發(fā)動機的快速啟停控制和電機效率的提高也使純電動情況下汽車?yán)m(xù)駛里程提升11.49%，使用成本降低35.43%。

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(責(zé)任編輯梁健)

收稿日期：2016-01-08；

修訂日期：2016-02-26

基金項目：山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2015EL025；ZR2015PE020；ZR2015EM054)

通訊作者：高松(1965—)，山東濰坊人，山東理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士；E-mail:gs6510@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0684

中圖分類號：U469.72

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)03-0684-14

Powertrain parameters design and system control simulation for a new type real time 4WD PHEV

MA Chao, CHEN Mei-qi, YANG Kun, GAO Song

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:According to the vehicle working characteristics and various driving requirements, this study designs and develops one new type plug-in real time hybrid electric powertrain system to further improve the capability of Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) when facing various road conditions. This system adopts the Starter-Generator and pure electric driving mode with two speed transmission. Simple configuration design and powertrain dynamic analysis are performed. Based on the design requirements, the full vehicle control strategy is developed. In order to verify its performance, the powertrain model of the target PHEV is developed by using AVL Cruise. The full vehicle control strategy is developed by using MATLAB/Simulink, where the state flow is used to construct the mode state change algorithm. The co-simulation results show that the powertrain parameters matching and control strategy meets the design requirements, and one hundred kilometers acceleration time is 6.22 s. Compared to the PHEV configuration without two speed transmission, the application of the starter/generator and two speed transmission makes the pure electric driving range increased to 11.49% and finally reduces the using cost of 35.43%. This research provides a complete theory and technique for the design of similar four wheel driving PHEV system, which has a key theory and social meaning for the development of PHEV.

Key words:hybrid vehicles； matching； real-time 4WD； starter/generator； two speed pure electric driving； control strategy； simulation analysis

引文格式：馬超，陳美奇，楊坤，等.新型適時四驅(qū)PHEV系統(tǒng)匹配與控制仿真[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(3)：684-697.