PHEV動力系統匹配及控制策略研究

胡秋玲

(同濟大學，上海 200092)

0 引言

隨著對環境保護、能源轉型需求的增大，在政策扶持的有利條件下，各大車企都紛紛投入新能源車型的研發。相比于純電汽車存在的續駛里程短、充電困難等諸多問題，混合動力汽車由于相對可靠，滿足使用需求而被推廣。在混合動力汽車中，插電式混合動力電動汽車(Plug-in HEV，PHEV)可以兼顧純電和燃油汽車的優勢,它可外接充電作純電動車節能減排，又可通過發動機發電作增程混動車增加續駛里程，還可以發動機直驅作傳統燃油車[1]。

各大車企在混動開發上都有相關技術，如豐田ECVT行星齒輪混動技術、本田I-MMD技術、通用Voltec雙行星齒輪混動技術等。這類混動技術都有一個共同的問題，它們的變速箱都相對復雜，且其中一個電機始終作為發電機使用，沒有利用發電機既可發電又可驅動的優勢。同時上述PHEV系統都是將兩個電機和發動機處于同一驅動軸上，沒有充分利用地面附著力提升整車動力。

此研究針對上述混動車存在的問題，提出一種全新的PHEV結構，進行動力總成的參數匹配，并進行相關控制策略的研究，最后利用Cruise和Simulink軟件進行聯調驗證。

1 PHEV混動形式及動力參數匹配

1.1 PHEV混動形式

目前根據電機布置位置不同可分為P0、P1、P2、PS、P3、P4，如圖1所示。P0為電機布置在帶輪處，通過皮帶與發動機曲軸連接；P1為電機布置在發動機之后離合器之前，與發動機剛性相連；P2為電機布置在發動機與變速箱之間，與發動機之間有離合器，在離合器后變速箱前;PS為電機集成在變速箱內部；P3為電機布置在變速器輸出端；P4為電機布置在后橋[2]。

根據耦合方式不同，動力耦合裝置可分為轉矩耦合式、轉速耦合式以及混合耦合式3 類。轉矩耦合式各動力源輸出的轉矩獨立，轉速符合一定的比例關系，動力耦合器輸出的轉矩等于各動力源轉矩的線性和；轉速耦合式各動力源的轉速相互獨立，而轉矩則成一定比例關系，動力耦合器輸出的轉速等于各動力源轉速的線性和；混合耦合式是一種采用前面2種耦合方式的動力耦合[3]。

圖1 電機布置位置

研究采用PS+P4的轉矩耦合系統，如圖2所示，前橋由發動機和集成電機PS單擋變速箱組成以驅動前輪，后橋由單電機P4和單擋變速箱組成以驅動后輪。電機、發動機前后輪分布，可充分利用輪胎與路面的附著力，增加整車動力性能。同時前橋發動機匹配的變速箱集成電機，由2個離合器K1和K2的開閉切換工作模式，實現純電、增程、混動、燃油驅動等多種工作模式。

圖2 PHEV結構形式

1.2 PHEV動力參數匹配

1.2.1 功率匹配

(1)通過最高車速計算所需功率

以最高車速計算時，不考慮爬坡度和加速度[4-5]，功率應滿足：

(1)

式中：P1為通過最高車速計算的動力總成所需功率，kW；ηT為動力傳動系統機械效率；m為計算載荷工況下汽車的質量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動阻力系數；ua為汽車行駛速度，km/h；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，m2。

(2)通過最大爬坡度計算所需功率

以最大爬坡度計算時，不考慮加速度[4-5],功率應滿足：

(2)

式中:P2為通過最大爬坡度計算的動力總成所需功率，kW；α為道路坡角，rad。

(3)通過加速時間計算所需功率

以百公里加速時間計算時，不考慮爬坡度[4-5]，功率應滿足：

(3)

式中:P3為通過加速時間計算的動力總成所需功率，kW；T為加速時間，s；dt為計算過程的迭代步長，s；x為擬合系數。

根據最高車速、最大爬坡度、加速時間分別得出3個所需功率值，取最大值以滿足上述三者要求。即整車功率應滿足：

P=max(P1,P2,P3)

(4)

在分配3個動力源功率時，首先要滿足各自獨立驅動時的最高車速、最大爬坡度、加速時間所需功率要求；其次，此研究存在四驅模式，要考慮前后軸動力分配；最后要滿足各個動力總成的功率需求。如發動機功率要考慮在經濟區的巡航功率及發電功率、PS電機要滿足發電功率需求等。

1.2.2 變速箱速比匹配

考慮混動機艙布置空間有限、結構簡單等因素，設計采用單擋速比。同時發動機最高轉速與電機最高轉速偏差較大，故設計相應發動機速比與電機速比，再通過主減速比輸出。

變速箱速比主要通過最高車速及最大爬坡度計算選取。

(1)以最高車速計算

以最高車速推算變速箱速比，速比應滿足：

(5)

式中:ig為變速器速比；i0為主減速器速比；rd為車輪滾動半徑，m;n為轉速，r/min。

(2)以最大爬坡度計算

以最大爬坡度推算變速箱速比，速比應滿足：

(6)

式中:Ttq為動力輸出轉矩，N·m。

變速箱所選速比的范圍是在上述2個速比之間。

1.2.3 動力電池匹配

PHEV混動系統有一個特點就是能夠純電行駛一段里程，所以動力電池電量需滿足純電續駛里程要求[6]。

(7)

式中：EB為動力電池電量，kW·h；ηmc為電機及控制器效率；ηq為動力電池平均放電效率；ηd為動力電池放電深度；Pt為對應車速下所需驅動功率，kW。

由于PHEV混動系統純電續駛里程低于純電動汽車，動力電池電量相對較小，因此需要考慮動力電池的充放電倍率是否能滿足行駛功率需求。如穩態充電功率要滿足兩電機純電行駛時的額定功率需求，瞬時放電功率需要滿足電機峰值功率需求。

2 PHEV工作模式及控制策略

2.1 PHEV工作模式

根據K1和K2的開閉，以及三動力源的工作狀態，PHEV可分為多種工作模式:(1)K1、K2斷開，電機P4工作為純電后驅動;(2)K1連接、K2斷開，發動機帶動PS發電給P4為純電驅動，多余電量提供給動力電池;(3)K1斷開、K2連接，電機PS和P4實現純電四驅;(4)K1、K2連接，電機PS和P4不工作，發動機直接驅動實現燃油前驅;(5)K1、K2連接，電機P4不工作，發動機以特定扭矩輸出，部分扭矩克服路面附著力進行前輪驅動，多余的扭矩帶動PS電機發電到動力電池;(6)K1、K2連接，發動機以特定扭矩輸出，部分扭矩克服路面附著力進行前輪驅動，多余的扭矩帶動PS電機發電，電機P4工作。能源優先由PS發電提供，如果PS所發電量不夠，則由動力電池補充；如果PS所發電量大于P4所需功率，則PS所發電量供給P4，多余電量充入動力電池;(7)K1、K2連接，發動機及PS電機同時驅動前橋，P4不工作，實現混動前驅;(8)K1、K2連接，發動機及PS電機同時驅動前橋，P4驅動后橋，實現混動四驅。

對于整個工作模式， K1、K2的開閉及三動力源的工作狀態為控制對象。控制策略需根據預先設定的規則對這些控制對象進行控制。

2.2 PHEV控制策略

控制策略的總原則是在保證動力性的情況下盡可能地提高經濟性。PHEV比傳統燃油車節省能源的原因就在于它可以通過控制策略讓各動力總成工作在高效區。除了三動力源的工作效率之外，PHEV系統還存在能源轉換效率及動力電池充放電效率問題。因此，整個控制策略就是讓各個系統工作效率達到最高。

首先，根據動力電池的SOC與內阻關系，確定禁止放電限定值和禁止充電限定值，將電池內阻消耗率最低范圍作為電池的主動充電區。如駕駛員啟動車輛時，若電量較高，則車輛進入純電行駛，電池進入放電狀態，當達到充放電循環下限時，進入充放電循環；若啟動車輛時電量較低，則車輛進入混動充電模式，直到充放電循環上限時，進入充放電循環，使電量始終在這一范圍內，如圖3所示。

圖3 電池充放電循環

其次，發動機可以始終在高效區工作，在對應轉速下，高效扭矩大于驅動所需扭矩時，可以將多余的扭矩提供給PS發電，PS可以直接提供電量P4驅動或者進入動力電池。當高效扭矩低于驅動所需扭矩時，可以P4或PS電機補足。如圖4所示，發動機經濟區間在轉速2 000～3 500 r/min，此時輸出扭矩在80～120 N·m，功率在18～45 kW之間。盡量讓發動機在此區間工作，大于驅動所需功率則將多余功率用于充電，小于驅動所需功率則由P4或PS電機補足。

圖4 發動機效率MAP圖

對發動機非經濟段直驅和發動機發電后由電機驅動的選擇，需要對比效率后確定。由于是單速比，發動機在低速時無法驅動，此時由P4或PS驅動。隨著車速提高，發動機能驅動時，根據發動機MAP圖對比發動機轉換電能效率及電機效率，最終確定是由發動機直驅還是由發動機工作在最優點發電由電機P4驅動。

由于是三動力源，在電量充足的情況下，可以實現四驅及三動力源同時驅動工況。根據駕駛意圖，出現急加速、高速、起步、爬坡等工況時，可以實現四驅或三動力源同時驅動。

另外根據路況出現打滑現象時也可以進入四驅模式，充分利用路面附著力。

3 仿真分析

混動模型在AVL Cruise軟件中建立，如圖5所示。

圖5 混動模型

整車主要參數如表1所示，性能目標要求見表2。

在Simulink軟件中建立混動控制策略，與AVL Cruise軟件進行聯調測試。

表1 整車參數

表2 整車性能目標

圖6為PHEV混動扭矩控制策略示意圖，根據SOC及車速確定初步扭矩分配值；再考慮起步、急加速、打滑等工況，進行扭矩調整；最后考慮安全性，進行相應降扭等保護措施。

圖6 PHEV混動扭矩控制策略

根據聯調測試結果，計算值如表3所示，完全滿足預先設定的目標要求。

表3 整車性能計算值

圖7所示為傳統發動機的工作點分布圖，圖8所示為文中混動模型在充電循環工況下的發動機工作點分布圖。通過對比發現，混動控制策略能讓發動機工作點集中在低油耗高扭矩區域，比傳統發動機工作點集中在高油耗低扭矩區域有明顯優勢。

圖7 傳統燃油車發動機工作點分布

圖8 PHEV混動車發動機工作點分布

4 結論

開發了全新的PHEV插電式混合動力系統，實現了變速箱的簡化，優化了整車的動力性及經濟性。實現了單擋速比即可達到高爬坡度、百公里加速時間5 s以及最高車速200 km/h的目標。通過控制策略優化了發動機的工作范圍，使各系統都在高效區工作，實現整車的經濟性優化。利用AVL Cruise與Simulink對控制策略聯合仿真，可以提前評估動力匹配及策略的準確性，縮短后期實車標定周期。