一種并聯式混合動力耦合集成方案的研究和模式分析

趙建華，李海波，何春芳，佘建強

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

一種并聯式混合動力耦合集成方案的研究和模式分析

趙建華，李海波，何春芳，佘建強

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

描述一種驅動電機與變速器合成的并聯式機電耦合集成裝置結構，研究并分析動力耦合集成裝置在功能和效率上所具備的優勢和特點，給出動力合成一體化裝置運行模式和控制方式，同時針對幾種動力耦合方案進行了動力性、經濟性仿真結果對比分析驗證。

動力耦合裝置；運行模式；變速器

隨著混合動力集成技術的發展，變速系統和電機已由離散化結構向高度集成和一體化發展［1］。在混合動力電動汽車中，由于整車集成技術和整車控制技術的嚴格要求，對其中的核心組件——電機、離合器、變速器以及和發動機動力的耦合等技術，提出了越來越高的要求［2］。傳統的布置和組合形式，在混合動力汽車上，尤其在小型的混合動力汽車上，根本不能達到目標，因此也就自然考慮如何將電機和變速器集成起來，串聯布置在動力傳動系中。集成化的電機與變速系統，不僅可以使整車的動力系統結構更加緊湊，更好地利用有限的機艙空間，以便更好地散熱和提高動力傳動系統性能，而且集成化設計也更有利于發動機動力和電機動力的耦合［3］。混合動力汽車變速系統和電機的集成化是提高整車效率、縮短整車開發周期、降低開發成本和提高市場競爭力的重要保證［4］。

目前，變速系統和電機耦合方式，主要通過輸入軸/中間軸或輸出軸耦合模式，實現發動機與電機的動力耦合。輸入軸/中間軸耦合方式換擋時，有動力中斷且制動能量回饋比例小，而輸出軸耦合方式不能實現快速起停發動機且難以實現純電動，這兩種混合動力系統因受到動力耦合模式的限制，制約了整車動力性和經濟性的最優設計。因此，為了兼顧兩種耦合方式的優勢，開發了一種新型雙模式變速耦合系統，它在兩種機電耦合傳遞線路之間增加一個切換機構，實現了整車協調控制和能量分配優化，同時有效地提升了制動能量回收。該雙模式變速系統是一種先進的混合動力技術，是一種通過優化的電機和變速器機械零件高度協調的系統，目前該系統已搭載到匹配的混合動力客車（EQ6110HEV-203）上，并成功通過國家863項目驗收。

1 動力耦合集成系統結構與控制

1.1 耦合系統結構

雙模式耦合系統主要由驅動電機、變速器主箱、副箱和機電耦合控制單元組成，動力耦合系統物理結構如圖1所示。其中集成式電機動力通過變速器內齒輪組和傳動鏈形式與發動機動力傳動機構耦合，根據整車工況采用同步器滿足動力耦合方式切換的要求，實現電機動力與變速器的中間軸耦合傳動線路和電機動力與變速器輸出軸耦合傳動線路，同時集成式電機內殼與變速器殼體共同構成電機冷卻水道。動力耦合系統將機械部分與電動機充分集成，不僅合理進行整車布置使2種動力源旋轉軸線平行，避免了2種動力源旋轉軸線相交帶來的振動不平衡及高速傳動適應性等問題，而且總成集成度高并能減輕耦合系統質量。

圖1 動力耦合系統物理結構

1.2 耦合器控制系統

耦合整車控制系統避免了以往車型中能量分配受限于動力耦合形式的缺點，兼顧了電機動力在變速器中間軸耦合和輸出軸耦合的優點。在整車控制方面對控制策略和算法進行了驗證，尤其是在純電動工況和低速工況，采用中間軸耦合方案，使電機工作在恒轉矩區域，提高了車輛動力性。高速工況采用輸出軸耦合方案，使電機工作在恒功率區域，提高了車輛的經濟性，依據這種智能切換的工作模式，實現了整車協調控制和能量分配優化，有效地提高了制動能量回收［5］。耦合器控制系統功能框圖如圖2所示。

在耦合的AMT系統控制方面，根據耦合工作模式切換的特點，分析了動力中斷時間的組成，并進行了合理優化，同時根據優化參數，建立了兩參數選換擋策略［6］。換擋策略MAP如表1所示。

表1 AMT換擋策略MAP

2 工作模式分析

根據整車行車過程中不同工況，整車控制策略控制耦合系統模式實現智能切換［7］。

2.1 一般起步工況

在普通平路車輛起步時，整車控制策略根據油門踏板狀態，啟動驅動電機，以純電動模式驅動車輛。當車輛達到一定車速時， 由電機經耦合器拖動發動機快速起動， 再結合駕駛員轉矩需求， 進入混合驅動模式。此時耦合器處于中間軸耦合狀態，使得電機工作在恒轉矩區域，提高車輛動力性，這種起步方式可避免發動機怠速高油耗、高排放的缺點。耦合器起步過程動力輸送線路如圖3所示。

圖2 耦合器控制系統功能框圖

圖3 起步工況

2.2 正常驅動工況

在正常行駛工況下，根據控制策略的優化目標、整車當前的實際功率需求和電池組荷電狀態， 控制動力總成的輸出總功率及發動機與電機之間的功率分配。發動機和驅動電機在串并聯工作模式之間不斷切換。此時耦合系統有3種運轉方式：當車輛以純電動驅動模式時， 離合器被斷開，發動機停止工作空轉或者處于關閉狀態，此時耦合器處于中間軸耦合狀態或輸出軸耦合狀態，內部驅動流如圖4所示。當驅動電機處于故障狀態不能正常驅動時，此時離合器結合，采用發動機單獨驅動車輛，耦合器處于耦合空擋狀態，耦合器作為標準AMT機構實現換擋功能，內部驅動流如圖5所示。當駕駛員需求轉矩較大時，采用混合驅動模式，此時由發動機和動力電機共同驅動車輛運行，耦合器處于中間軸耦合狀態或輸出軸耦合狀態（視當前整車運行工況而定），內部驅動流如圖6所示。

圖4 純電動模式

圖5 發動機單獨驅動模式

圖6 混合驅動模式

2.3 行車發電工況

車輛處于行車發電工況時，驅動電機為發電狀態，發動機驅動車輛運行，同時帶動動力電機發電，耦合器處于中間軸耦合狀態或輸出軸耦合狀態（視當前整車運行工況而定）。行車發電工況如圖7所示。

圖7 行車發電工況

2.4 減速/ 制動工況

當車輛需要制動減速或下坡限速時，整車控制策略根據制動踏板信號，斷開主離合器，同時使驅動電機發電，從而實現向電池組回饋電能。當制動踏板信號繼續增大時，減小制動回收能力，增大機械制動能力，目的是先保證滿足制動安全性的需要。減速/制動工況如圖8所示。

圖8 減速/制動工況

最優控制策略一般不是以單參數而是多個參量的綜合優化作為目標函數［8］。由監控器及監測通信網絡系統根據檢測到的各種參數（如車速、加速踏板開度、制動踏板開度、電池電量狀態等），實時確定電機、發動機、變速器等的工作點， 并綜合控制這些部件逼近其指定工作點。這些都要求動力總成能夠靈活地在不同的模式間頻繁、快速、可靠地切換。由上述分析可見， 雙模式機電耦合方案完全能從硬件上保證滿足這樣的要求。同時耦合器工作過程中與整車控制器進行信息實時交互。具體模式如表2所示。

表2 耦合系統工作模式

3 仿真分析

采用基于模型仿真方式，分別對中間軸方案、輸出軸方案、綜合耦合進行了經濟性和動力性仿真分析，并在MATLAB/Simulink平臺上搭建仿真模型，如圖9所示。

通過上述搭建的仿真模型對傳統及不同耦合方案車型進行經濟性仿真計算，輸出結果如表3所示。

通過仿真對比，綜合耦合方案為了實現電量平衡，發動機平均負荷率必須高于其他耦合方案，發動機總功提高且燃油經濟性也得到了改善，同時制動回收能量也增大，整體上來看經濟性要優于輸出軸和中間軸方案。

由于綜合耦合系統方案搭載車型最高車速設計指標為80 km/h，因此只對傳統車及不同耦合方式車型做0—50 km/h加速性能仿真對比驗證。假設換擋時間為2 s，0—50 km/h加速換擋2次，加速性模型仿真結果如表4所示。

依據0—50 km/h加速性仿真分析結果可知，綜合耦合系統和中間軸耦合方案加速性要優于傳統車和輸出軸耦合方案。這是因為這2種耦合方案在低擋位速比大，電機轉矩傳到輪邊時力矩大，動力性優越。

基于模型仿真計算傳統車及不同耦合方案車型1擋和2擋最大爬坡度，結果如表5所示。

圖9 Simulink仿真模型

表3 不同車型經濟性仿真結果

4種方案分別在1擋和2擋下仿真，根據表5可知：中間軸和綜合耦合方案的爬坡性能最佳。因為綜合耦合方案繼承了中間軸耦合方案在低擋時速比大的優勢，同時電機轉矩低擋放大倍數大，動力性優于輸出軸和傳統車。

表4 不同車型0-50 km/h加速性仿真結果

表5 不同車型爬坡度仿真計算結果

4 結論

1）針對現有HEV混聯式動力總成的不足而提出的一種機電耦合新方案， 其拓撲結構與控制方式相對簡單， 有利于降低成本、提高可靠性， 并對在輕、中、重各型HEV上應不存在特別的限制。

2）實現了具有耦合模式智能切換且能與AMT控制系統交互的整車協調控制和能量分配優化控制系統。

3）分析了整車各個工況下耦合系統模式實現，并基于模型仿真分析整車動力性和經濟性，通過對傳統車及不同耦合方案車型對比分析可知綜合耦合方案性能最優。

4）目前該耦合系統總成已搭載在混合動力客車上并通過國家863項目驗收， 其系統可通過改變相關電控離合器的開合及電機、發動機及變速器的工作狀態， 在串聯、并聯、混聯（ 串并聯） 、純電動和純發動機驅動等工作模式之間快速、頻繁地切換， 實現功率的合理分配， 為提高HEV的效率、性能和減少排放提供了一條新途徑。

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［3］ 蔣科軍，何仁，束馳，等. 混合動力汽車動力耦合技術綜述［J］. 機械傳動，2015，39（4）：175-182.

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（編輯 心 翔）

A Study on the Parallel Hybrid Power Coupling Integrated Scheme and Model Analysis

ZHAO Jian-hua， LI Hai-bo， HE Chun-fang， SHE Jian-qiang
（Dongfeng Motor Corporation R&D Center， Wuhan 430058， China）

In this paper， a parallel electromechanical coupling integrated device is described， which consists of driving motor and transmission. To study and analyze advantages and characteristics of the power synthesis integrated device in the function and efficiency aspects， the power synthesis integrated device operation mode and control mode are proposed. At the same time， the dynamic and economic simulation results for these several power coupling schemes are compared and analyzed.

power coupling device； operation mode；transmission

U463.212

A

1003-8639（2017）04-0009-05

2016-09-01

趙建華，碩士，高級工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優化控制；李海波，碩士，助理工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優化控制；何春芳，碩士，工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優化控制；佘建強，碩士，高級工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優化控制。