插電式混合動力轎車參數匹配及控制策略研究

梁 緣，徐 飛，趙征瀾，李海波，潘奕然

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

插電式混合動力轎車參數匹配及控制策略研究

梁 緣，徐 飛，趙征瀾，李海波，潘奕然

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

以整車動力性指標和純電動續駛里程指標為依據，詳細介紹動力電池、主電機、ISG和傳動系統等各動力總成的選型和匹配原則，并設計相應的能量管理策略。分別通過建模仿真和實車試驗，驗證了動力系統設計的合理性和有效性。

插電式混合動力；動力總成；參數匹配；控制策略

隨著全球環保節能意識的不斷提升，作為新型節能產品的新能源汽車逐漸成為人們日益關注的焦點[1］。插電式混合動力電動汽車(PHEV)配備有大容量儲能裝置，能夠利用普通電網電壓對儲能裝置充電，增加純電動行駛里程，大大減少燃油消耗和廢氣排放[2］。因此，對于這一領域的研究具有較高的經濟價值和環保價值，也是現在電動汽車領域研究的熱點之一[3］。目前，世界各大汽車公司已經在“插電式混合動力汽車”技術領域展開新的競爭，“插電式混合動力汽車”已成為汽車行業的研究熱點[4］。

1 整車設計目標和動力系統結構

東風某款混聯式混合動力轎車（PHEV）的動力系統結構如圖1所示，主要動力總成有發動機、ISG、主電機、動力電池和雙離合器等。通過雙離合器的結合分離控制，實現不同的運行模式：當離合器1和離合器2均分離時，整車以純電動模式或串聯模式運行；當離合器1或離合器2結合時，整車以不同速比運行于混合模式或發動機單獨工作模式。該車運行時，駕駛員可對HEV按鈕的操作，實現手動選擇混合驅動模式和純電動模式。

混合模式下的動力性指標、純電動模式下的動力性指標和續駛里程指標見表1。

表1 整車設計指標

2 主要部件選型原則

PHEV參數匹配的原則是：基于目標工況，以動力性指標和純電動續駛里程為邊界條件，對動力系統參數進行匹配[5］。動力系統參數匹配的步驟是：發動機→ISG→傳動系統的速比→主電機→動力電池。

2.1 發動機的選擇

為維持動力電池SOC平衡，發動機的最大功率應高于NEDC循環工況的平均功率需求[6］。當車輛以最高車速勻速行駛時，發動機應具備足夠的驅動能力，使車輛運行于發動機單獨驅動模式[7］。

2.2 ISG電機的選擇

ISG 電機需要滿足2個條件: ①串聯工況下，當動力電池嚴重饋電時，ISG能提供足夠的發電功率，滿足車輛爬行工況下的驅動功率需求和附件功率需求[8］；②低轉速下，ISG的峰值扭矩高于發動機靜摩擦阻力矩，以保證ISG具備快速啟動發動機的能力。

2.3 變速器速比的設計

變速器速比的選擇，應滿足如下要求。

1）車輛以最高轉速勻速行駛時，發動機通過高擋速比傳遞至輪邊的驅動扭矩應高于道路阻力，以保證車輛可以發動機單獨驅動模式運行于最高車速。

2）變速器低擋速比值應滿足發動機參與驅動時的最大爬坡度和最低爬行車速需求。

3）變速器低、高擋的速比值差異應適中。這樣，發動機至輪邊的扭矩變化梯度相對合理，可為后期能量分配策略提供良好條件。

2.4 主電機的選擇

主電機的峰值扭矩應滿足純電動模式和混合模式下的動力性指標需求。另因驅動電機和發動機間的齒輪始終處于嚙合狀態，無法實現動力中斷。因此，主電機工作處于峰值轉速時，應保證發動機不會存在超速的情況[9］。

2.5 動力電池的選擇

動力電池作為功率的輸出源，限制了ISG和驅動電機的輸出轉矩，影響整車動力性，也直接決定了整車的純電動續駛里程[10］。同時，動力電池的充放電需求會影響發動機的輸出功率，影響整車的經濟性。因此，動力電池的選擇應綜合考慮其充放電特性、能量密度和功率密度等因素。

3 控制策略設計

根據動力電池的充放電效率特性，可將電池的工作區域分為不可用區和可用區。如圖2所示，可用區又分為放電低效率區、理想工作區和充電低效率區。由電池的工作特性可知，當電池處于放電低效率區時，應減少電池的放電量，增加電池充電量；而當電池處于充電低效率區時，則應減少電池的充電量，增加電池放電量。通過這種控制方式，使電池工作區域集中在理想工作區?；谶@一思想，針對不同的運行模式，本文采用的控制策略如下所述。

圖2 鋰電池充放電效率與SOC的關系

3.1 駐車發電模式

當車速降為0時，如果控制系統判斷動力電池嚴重饋電，其SOC低于理想工作區的下限值時，車輛將自動進入怠速充電模式。此時離合器處于分離狀態，

HCU通過ISG電機為動力電池充電，使其SOC上升至正常范圍。駐車發電模式下系統的工作示意圖如圖3 所示。

3.2 串聯驅動模式在起步階段或倒車過程中，離合器不能完全地結合。該模式下，系統的工作示意圖如圖4所示。

圖3 駐車發電模式

圖4 串聯驅動模式

3.3 純電動模式

當電池剩余電量相對充足時，車輛將以純電動模式運行，由主電機單獨驅動車輛。在該運行模式下，雙離合器均分離，發動機停機。系統工作示意圖如圖5所示。

圖5 純電動模式

3.4 雙離合器切換策略

在發動機單獨驅動模式、并聯式驅動模式下，可通過雙離合器切換，實現發動機分別以低擋和高擋提供輪邊驅動扭矩。離合器切換策略與車速、輪邊驅動扭矩、發動機轉速等信息相關。

3.5 并聯式驅動模式

當車速高于爬行車速且不滿足發動機單獨驅動和純電動的條件時，車輛將工作于并聯驅動模式。該運行模式下，根據SOC狀態，又可分為電動助力和行車發電模式。當電池SOC偏高時，發動機和主電機同時提供驅動扭矩，即車輛工作于電動助力模式。當電池SOC偏低時，發動機既提供輪邊驅動扭矩，也提供額外扭矩供ISG發電，即車輛工作于行車發電模式。經雙離合器結合分離控制，車輛可分別以低、高擋運行于并聯式驅動模式。系統工作示意圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 混合驅動模式（低擋）

圖7 混合驅動模式（高擋）

4 仿真分析

基于上述動力總成參數匹配原則，并參考現有的資源信息，Plug-in車（插電式混合動力車）的主要動力系統參數匹配結果如表2所示。下面基于整車動力學仿真模型，核對該動力系統匹配是否滿足整車設計要求。

表2 PHEV整車參數

基于matlab/simulink建立的PHEV動力學仿真模型見圖8。基于該仿真模型，分別進行混合動力模式和純電動模式下的整車動力性及純電動續駛里程仿真，仿真結果見表3。

圖8 仿真模型

表3 仿真結果

1）混合動力模式下，PHEV車的最高車速、加速性能和最大爬坡度均滿足混合動力工況的動力性設計要求；其百公里油耗結果也滿足設計指標。

2）PHEV純電動模式的最高車速、加速性能和最大爬坡度均滿足純電動工況的設計要求；純電動模式下，NEDC工況的續駛里程為42 km，大于設計所要求的35 km。

5 小結

以整車動力性指標和純電動續駛里程指標為依據，并參考已有的資源信息，分別對整車動力系統參數進行了匹配。基于matlab/simulink，并根據相關汽車理論和大量的實驗數據，建立了PHEV動力學仿真模型。通過仿真初步驗證了整車動力系統匹配的合理性。最終的仿真結果表明：整車動力性和經濟性均滿足整車設計指標要求。因此，整車動力系統參數匹配方案是合理的。

參考文獻：

[1]何洪文，祝嘉光，李劍．混合動力電動汽車技術發展與現狀 [J］．車輛與動力技術，2004（2）：13-15．

[2] 武小蘭，王軍平，曹秉剛，等.充電式混合動力電動汽車動力系統的參數匹配[J］.汽車工程，2008，30（12）: 1095-1098.

[3]Ehasni M，Rahman K，Toliyat H.Propulsion system design of electric and hybrid vehicles[J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（1）：19-27.

[4]Freyermuth V，Fallas E，Rousseau A.Comparison of Powertrain Configuration for Plug-in HEVs from a Fuel Economy Perspective[J］. SAE International Journal of Engines，2008，1（1）：392-398.

[5]雷雨成.汽車系統動力學及仿真[M］.北京：國防工業出版社，1997：47-47.

[6]熊偉威，舒杰，張勇，等.一種混聯式混合動力客車動力系統參數匹配[J］.上海交通大學學報，2008，42（8）：1324-1328.

[7]Sharer P，Rousseau A，Pagerit S，etc.Midsize and SUV Vehicle Simulation Results for Plug-In HEV Component Requirements[DB/OL］.SAE paper，2007-01-0295.

[8]He X，Hodgson J. Hybrid electric vehicle simulation and evaluation for UT HEV[DB/OL］.SAE Technical Paper Series，2000-01-3105.

[9]王家明，郭晉晟，冒曉建，等.新型混聯式混合動力客車動力系統分析[J］.汽車技術，2008（9）：1-4.

[10]RW Carlson，MJ Duoba，TP Bohn，etc.Testing and Analysis of Three Plug-in Hybrid Electric Vehicles[DB/ OL］.SAE World Congress & Exhibition，2007-01-0283.

（編輯 凌 波）

更 正

尊敬的讀者、作者：

由于本刊2017年第2期最終調版出現異常，導致第67-68頁的圖1～圖4調錯，特此更正為以下正確的圖。同時我們將在各大網絡文獻數據庫和電子版中予以更正。

由于我們工作的疏忽，給您造成了閱讀上的不便，對此深表歉意！今后定會引以為戒，更加認真仔細。

感謝您一如既往對本刊的關注與支持！

圖1 CAN總線網絡結構圖

圖2 混合CAN總線網絡拓撲圖

圖3 多條CAN總線網絡拓撲圖

圖4 CAN總線T型接法拓撲結構示意圖

更 正 2：

2016年第9期P18，圖1中部“1～4缸傳感器”應為“1～4缸噴油器”。感謝河北省讀者王利強指正。

《汽車電器》雜志社

Parameter Selection and Control Strategy Design of A Plug-in Hybrid Car

LIANG Yuan，XU Fei，ZHAO Zheng-lan，LI Hai-bo，PAN Yi-ran
（Dongfeng Motor Corporation Technology Centre，Wuhan 430058，China）

Based on parameters of vehicle power and pure-electrical vehicle duration，the component parameters selection of battery，engine，ISG and transmission ratio is described in detail，then the powertrain control strategy is designed. At last，with simulation and road test，the design of power system is verified to be reasonable and effective.

plug-in hybrid car； powertrain； parameter selection； control strategy

U469.72

A

1003-8639（2017）03-0001-04

2016-08-19

梁緣（1982-），女，湖北天門人，主管工程師，碩士，主要研究方向為混合動力車動力系統參數匹配及控制策略設計，整車控制軟件設計及實現；徐飛（1980-），男，湖北荊州人，主管工程師，碩士，主要研究方向為整車控制軟件設計及實現；趙征瀾（1977-），女，山東德州人，主任工程師，碩士，主要研究方向為整車控制軟件設計及實現；李海波（1987-），男，安徽合肥人，責任工程師，碩士，主要研究方向為整車控制軟件設計及實現；潘奕然（1988-），男，湖北仙桃人，責任工程師，本科，主要研究方向為動力系統參數匹配。