并聯混動商用車控制策略及整車性能仿真研究

穆加彩+張振東+周哲+朱敏杰+董旭峰+饒洪宇

摘 要：為了提高整車動力性能，根據整車性能要求對動力總成參數進行了匹配和控制策略設計。以上海交通大學和某商用車技術中心開發的某款車型為例，采用Simulink建立模型進行仿真分析， 結果表明混合動力汽車比基礎車型動力性能提高很多。

關鍵詞：整車性能；動力性能；參數匹配；控制策略；仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.171049

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0155-04

1 P2.5概念

常見的并聯式混合動力汽車布局有P0、P1、P2、P3、P4。對于P0～P4，P的含義是指電機的位置，用不同的數字代號表示放在不同的位置。P0～P4缺點：增加了電機，使整車空間變得更小，布局更緊密，加大了整車重量。針對上述問題，上海交通大學與某商用車技術中心合作進行P2.5研究。P2.5就是將驅動電機布置在變速器奇數輸入軸上，這種布局方案取消了倒擋輪系，可以通過電機倒轉達到倒車目的，同時不需要起動電機。由于電機與變速箱采用集成設計，所以整車布置空間足夠，驅動電機可有較大功率。

2 整車結構與參數匹配

2.1 P2.5并聯混動輕商整車結構

考慮技術和成本等因素，并聯混動輕商整車結構布置如圖1所示，由柴油發動機、電池、驅動電機、變速器、主減速器以及自動離合器組成[1]。

本文研究的P2.5并聯混動方案是在某商用車基礎上開發的FF車型，匹配2.5T柴油機和6MT變速器，整車基本參數如表1所示，性能目標如表2所示。

2.2 動力源總功率確定

根據整車動力性能目標（最高車速、加速時間、最大爬坡度），確定混合動力整車的系統總功率。根據最高車速確定的最大功率Pmax1為：

根據加速性能確定的最大功率Pmax2為：

根據爬坡性能確定的最大功率Pmax3為：

f=f0+f1（v100）+f4（v100）4，其中：αmax=arctan（imax），式中ηt為整車動力傳動系的機械效率，取0.912，汽車一檔旋轉質量換算系數δ=1.3，滿載質量時m=3 500kg，重力加速度g=9.806m/s2，風阻系數CD=0.364，迎風面積A=1.998×2.552×80%=4.08m2，f為滾動阻力系數。

式（4）中，f0=0.012，f1=0.002 6，f4=0.002。此次研發汽車阻力是通過滑行試驗得出3個滑行阻力系數a、b、c，接著用一個關于速度v的二次函數表示汽車滾動阻力和空氣阻力之和，所以a=265.4，b=1.794，c=0.065 89。式（1）中，根據整車性能目標，電量消耗時（發動機和電機都在最高負荷下工作）的最高車速為150km/h，因此vmax=150km/h，求得Pmax1=92.15kW；式（2）中，由于dv/dt是瞬態值，所以通過公式（2）無法直接求出，可以先計算出最高車速和最大爬坡度的整車總功率需求，然后通過仿真看其是否達到0～100km/h、40～80km/h、60～100km/h、80～120km/h加速時間的設計目標，如果沒達到則接著增加功率，直到滿足整車性能目標為止，得到的功率值就是該混合動力汽車在加速瞬態過程中的總功率需求；式（3）中，根據整車性能目標，imax=35%，根據基礎車型的動力性，考查整車20km/h的最大爬坡度，令vi=20km/h，f=0.012 523，求得Pmax3=71.72kw，整車動力源總功率必須滿足上述3項動力性能指標。所以，該混合動力汽車動力源總功率需求為：

由于動力系統各部件的損耗大約為10kW左右，得到動力源總功率Ptotal=103kW。

2.3 發動機參數設計

根據發動機和電機特點，可讓發動機提供變化較慢的穩態功率，如以巡航車速行駛的功率要求Pe1、爬坡功率要求Pe2、循環工況的平均功率為P[3]e3，而電機提供瞬態變化的峰值功率，可將整車動力學方程分為兩項，即：

Pv是和車速相關的穩態功率（kW），ηt是整車動力傳動系傳動效率，m是整車質量（kg），g是重力加速度（9.806m/s2），f是滾動阻力系數，CD是汽車空氣阻力系數，A是汽車迎風面積（m2），Pdv是和加速度相關的瞬態功率（kW）。

一般情況下，巡航車速Vcruise介于車輛的平均車速Vaver和最高車速Vmax之間。根據性能目標要求，電量平衡時（發動機提供所有功率，電機不工作）的最高車速是120km/s，所以，v=120km/s，ηt=0.912，帶入式（6）得Pe1=52.25kW。將爬坡車速vi和坡度指標imax帶入式（3），可計算出爬坡功率要求Pe2。根據基礎車型的動力性能指標計算整車20km/h時的最大爬坡度，即vi=20km/h，imax=35%，求出Pe2=71.72kW。

選擇發動機功率時循環工況下的平均功率P[5]e3也很關鍵，即

式（8）中，Tcyc為循環工況測試時間，Pwh為發動機瞬時功率。根據整車參數計算可得各循環工況下整車需求平均功率，如表3所示。

綜述，發動機功率至少要滿足上述3種情況下所確定的功率要求，即

所以Pe_min=71.72kW，而發動機的所有部件消耗10kW左右的功率，因此確定發動機的最小功率為82kW。根據整車性能指標，選擇一款1.9T柴油發動機，其發動機的最大功率為107.1kW。基礎車型額定轉速為3 800rpm，發動機最高轉速為4 800rpm，最大扭矩為300Nm，最大扭矩轉速點轉速范圍為1 600～3 400rpm，換擋轉速設置在發動機達到最大扭矩值附近，選擇1 600rpm。發動機外特性如圖2所示。endprint

2.4 電機參數設計

本文選擇永磁同步電機作為研發混合動力汽車的驅動電機。

2.5 電池參數設計

本文選擇磷酸鐵鋰電池作為混和動力汽車的動力電池。其電壓為320V，單體工作電壓為3.2V左右，最高電壓4.2V。

2.6 最小傳動比選擇

最小傳動比根據汽車在發動機額定轉速下能達到的最大車速確定：

式（10）中：n為發動機額定轉速， r為車輪滾動半徑， i0為主減速比，ig為變速箱速比。將最高車速和發動機額定轉速帶入式（10）得到igi0=4.21。

2.7 最大傳動比選擇

確定最大傳動比，主要考慮整車低負荷下的驅動性能。

式（11）中：ig1為變速箱1檔傳動比，αmax為最大爬坡度。由于是并聯驅動，因此Ttqmax為發動機和電機的最大扭矩之和，Ttqmax=360Nm。將參數帶入式（11）中，求出：ig1i0≥12.65。由于是改裝車，可以確定主減速比為3.51，則最低檔速比ig1≥3.604，最高檔速比ig6≤1.199。為了改善整車動力性，該混合動力汽車采用6檔DCT雙離合變速箱，各檔位速比分別3.989、2.236、1.48、1.101、0.869、0.714，主減速比為3.51。

3 P2.5電驅動控制策略

整體控制方案如圖3所示，由車輛控制器、發動機控制器、電動機控制器和機械制動控制器組成。車輛控制器在電驅動系運行中起中樞作用。按照組件與駕駛員ua≤0.377rnigi0指令匯集的數據，車輛控制器應實現各種運行模式，并向每個組件控制器給出正確的控制指令。

3.1 峰值電源最大荷電狀態控制策略

控制策略的基本準則是盡可能地利用發動機為基本動力源。峰值電源最大荷電狀態控制策略見圖4。圖4描繪了混合牽引、單發動機牽引、單電動機牽引和再生制動各運行模式對應于車速的最大功率曲線，繪出不同情況下通過點A、B、C和D表示的功率指令[7]。

3.2 電驅動系運行模式

（1）單電機牽引模式。車速小于底線Veb時，發動機不能穩定運轉，此時發動機不工作，只有電動機單獨驅動車輛。發動機功率、電牽引功率和峰值電源放電功率可表達為：

Pe是發動機輸出功率，PL為駕駛員給出的驅動功率指令，Pm是電動機的輸出功率，Ppps-d是峰值電源的放電功率，ηm是電動機效率。（2）混合牽引模式。圖4中，當點A表征的指令驅動功率大于發動機所能提供的功率時，發動機和電動機同時向驅動輪傳遞功率。通過控制發動機節氣門，使發動機運轉在其最佳運行線上（點A），產生功率Pe，電動機提供剩余部分的功率需求。電動機的輸出功率和峰值電源的放電功率為：

（3）峰值電源充電模式。圖4中，當點B表征的指令驅動功率PL小于發動機在最佳運行線上所產生的功率，且峰值電源的荷電狀態處于其頂線之下時，在最佳運行線上（點b）運轉的發動機功率Pe、電動機輸出功率和峰值電源的充電功率為：

式中，ηt，e，m是由發動機至電動機傳動裝置的效率。（4）單發動機牽引模式。當指令的驅動功率（圖4中點B）小于發動機運轉在其最佳運行線上所產生的功率，且峰值電源的荷電狀態已到達其頂線時，采用單發動機牽引模式。此時，電系統關閉，發動機提供功率。發動機功率、電動機功率和蓄電池組功率可表示為：

（5）單再生制動模式。當車輛制動，且所要求的制動功率小于電系統所能供給的最大再生制動功率（圖中點C）時，電動機作為發電機使用，產生等同于所需的制動功率，此時發動機熄火或怠速。電動機的輸出功率和峰值電源的充電功率為：

（6）混合制動功率。當所需制動功率大于電力系統所能供給的最大再生制動功率（圖中點D）時，此時電動機應產生最大的再生制動功率，而機械制動系統則應控制剩余部分的制動功率。電動機的輸出功率、蓄電池組的充電功率和機械制動功率為：

4 建模與仿真分析

4.1 駕駛室模型

駕駛室模型主要用來模擬駕駛員的駕駛行為。通過模型可以觀察到整車在整個NEDC循環工況中速度和加速度的關系，圖5所示為駕駛室模型的頂層程序框圖。

駕駛室模型根據整車傳動系關系驗證車速跟隨情況，通過循環工況中的車速、已知車輪半徑、后橋速比信息求出發動機轉速，再結合PID控制求出油門踏板百分比信號，得出所匹配的1.9T柴油發動機的Pedal map，如圖6所示。

4.2 整車性能仿真

根據編寫的后處理文件，Simulink能實現車輛動力性指標計算，對P2.5并聯混動汽車分別進行最高車速的電量消耗、電量平衡、最大爬坡能力、全油門0～100km/h加速、40～80km/h加速、60～100km/h加速、80～120km/h加速性能仿真，其全油門加速性仿真結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，前200s左右，車速持續增快，然后下降，最后保持平衡，這是因為前期全油門時整車控制系統判斷此時需求扭矩很大，因此發動機和電機同時工作。當SOC≤0.3時，通過前期的工作模式設定，電池被保護，不再工作，因此200s之后的穩定車速為單發動機牽引模式下的最高車速。通過Simulink對圖7放大分析，可得出前200s車速曲線斜率為0時，其對應的整車最高車速為186km/h，后段車速曲線斜率為0時，其對應的整車最高車速為150.6km/h。0～100km/h加速時間為16.3s，40～80km/h加速時間為7.5s，60～100km/h加速時間為10.6s，80～120km/h加速時間為13s。整車最大爬坡能力仿真主要依據直角三角形關系，通過Simulink計算得出其imax=51%。

將目標車型的整車性能仿真數據與基礎車型的整車性能數據進行對比，對比結果如表4所示。

從表4可以看出，整車動力性能仿真結果全部滿足要求，說明本文的控制策略符合實際情況。將目標車型的各性能參數與基礎車型對應參數進行對比，結果表明，與基礎車型相比，混合動力汽車的動力性能大大提高。

參考文獻：

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