48V P2 混動系統匹配設計及仿真驗證

石田俊雄， 李 圓， 張倍堅， 周 友， 劉學武

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434）

1 前言

為了提高汽車燃油經濟性，滿足日益嚴苛的排放法規［1，2］，在傳統燃油車動力總成結構基礎上增加驅動電機構成了并聯混動系統，達到節能減排目標。根據電機布置位置不同可分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4及組合方案。并聯混動系統在原總動基礎上進行開發，開發成本及開發風險大幅降低［3，4］。其中，P2混動方案的結構如圖1所示，電機布置在發動機與變速器之間，可實現純電驅動、啟動發動機、制動能量回收及發動機工況點調節等功能，單電機P2方案在燃油經濟性、開發成本及系統改動等方面綜合優勢明顯，是目前應用最廣泛的并聯混動方案。

圖1 P2混動結構示意圖

P2電機布置有偏置布置和同軸布置兩種方案（圖2），其中偏置布置的動總軸向尺寸較小，有利于動總在整車上搭載，鏈傳動或帶傳動速比可適當降低電機扭矩需求；同軸布置方案更方便與變速器集成，如基于AT的P2混動變速器在原液力變矩器的位置集成P2電機，基于DCT的P2混動變速器把C0離合器、雙離合器及電機集成為一個模塊等，因此，P2電機同軸布置方案集成度更高，有利于提升混動變速器傳動效率等。

圖2 P2混動電機布置方案

燃油車及純電動車的動總匹配通過最高車速、最大爬坡度、加速性能等指標，確定動力源的額定功率扭矩、變速器速比等［5-9］。P2混動車型發動機和電機協同工作，包括發動機、電機單獨驅動、電機行車充電、電機助力、電機啟動發動機等多種工作模式，發動機與電機參數選擇直接決定不同模式下整車動力性能、經濟性能及駕駛性能。48V系統具有成本低、系統成熟等優點，廣泛應用于P0混動系統上。同時，相比高壓系統，48V系統在額定功率扭矩上性能有限，當其應用于P2混動時，應著重考慮48V電機電池與動總發動機、變速器的匹配性，使之滿足整車動力性經濟性及駕駛性要求。

本文針對某A級P2混動車型，從純電模式下最高車速、最大爬坡度及加速性能等指標出發，制定P2混動電機、電池匹配設計方案，結合WLTC工況需求功率扭矩統計數據，完成電機電池參數修正；通過搭建整車動力學模型，完成48VP2混動動力總成匹配驗證。

2 48V P2混動動總匹配設計

P2混動車型一般在燃油車型的基礎上進行改型：增加電機、電池組及相關控制模塊等。P2混動車輛發動機與電機最大輸出扭矩超過了變速器限扭，因此，P2混動的最高車速及爬坡性能不低于對應的燃油車版本，不能作為電機選型依據，在此以純電模式相關指標確定電機參數，在結合整車WLTC工況需求功率扭矩統計數據最終確定電機及電池參數。

2.1 WLTC工況需求功率扭矩統計分析

在此以搭載1.5TG發動機、7速濕式雙離合變速器某A級轎車為基礎，進行P2混動車型電機、電池的匹配設計研究。發動機、變速器及整車參數如表1所示。發動機特性數據、變速器傳動效率通過效率試驗實測得到。

表1 發動機、 變速器及整車參數

通過對燃油車型仿真分析獲得WLTC工況下動力源的需求功率及需求扭矩，如圖3所示。低速工況 （車速小于100km/h） 統計數據如表2所示，可以發現，WLTC工況對動力端功率需求敏感性更高，輸出功率大于20kW、輸出扭矩大于100Nm才能滿足90%以上工況點功率扭矩需求。

圖3 WLTC工況整車需求扭矩及需求功率

表2 WLTC低速工況（車速＜100km/h）整車需求功率/扭矩占比

2.2 電機參數匹配設計

電機主要用于純電驅動、啟動發動機、輔助發動機工作及制動能量回收。通過純電最高車速、純電最大爬坡度及制動能量回收性能確定電機參數。

2.2.1 電機參數匹配設計

1） 純電最高車速

最大需求功率可表示為：

式中：vEV_V——純電最高車速；m——滿載質量；f——滾動阻力系數；cD——空氣阻力系數；A——迎風面積；ηT——總傳動效率。

對于48V P2混動車型，假設純電模式最高車速vEV_V=50km/h，根據式（1）得到電機的需求功率為PEV_V= 15.78kW，根據換擋圖，在50km/h時擋位為5擋，得到電機需求扭矩為TEV_V=98.54Nm。

2） 純電最大爬坡度

純電穩態車速最大爬坡度為α，根據整車動力學建立電機需求扭矩可表示為：

式中：vEV_C——爬坡時穩定車速；Rtire——輪胎滾動半徑；i1——變速器一擋速比。

根據式（2）計算得到純電模式下穩定車速vEV_C=10km/h，爬坡度α=20°時的電機需求扭矩為TEV_C=120.26Nm，得到的電機需求功率為PEV_C=16.26kW。

3） 純電加速性能

一般以百公里加速時間作為評價指標，然而對于混動車輛，若整車需求扭矩大于電機最大輸出扭矩將啟動發動機，故設置工況點檢查純電模式加速性能。設工況點車速為vEV_A，加速度為a，則電機需求扭矩可表示為：

式中：δm——等效整車質量，滿足δm=m+；i2——變速器速比。

假設工況點車速vEV_A=20km/h，加速度a=0.2g，對應的油門開度下變速器擋位為2擋，根據式（3）計算得到電機需求扭矩為TEV_A=124.11Nm，電機需求功率為PEV_A=12.05kW。

4） 電機與發動機匹配

通過純電模式最高車速、最大爬坡度及加速性能要求，得到電機的扭矩、功率要求為：

滿足條件1） ～3） 電機需求扭矩TEV=124.11Nm，需求功率PEV=15.78kW。由于P2電機用于啟動發動機，發動機的啟動力矩至少為15Nm，則確定電機需求扭矩TEV=139.11Nm；純電行駛過程中，電機需帶動油泵、空調壓縮機等附件，假設附件功率損失為0.84kW，則電機需求功率為PEV=16.62kW。

結合表2中WLTC低速工況整車需求功率和需求扭矩可知，確定電機的額定功率為20kW、額定扭矩為150Nm時，可滿足WLTC低速工況90%工況點功率扭矩需求。同時，由于P2混動取消了發動機怠速，發動機在轉速小于怠速轉速時不啟動，因此希望電機恒扭轉速區間覆蓋發動機怠速轉速，20kW/150Nm電機恒扭轉速區間為0～1273r/min，發動機怠速轉速800r/min，滿足要求。

5） 制動能量回收

圖3中需求功率及需求扭矩負值為電機的制動需求功率和需求扭矩，可以發現，電機作為發電機的額定轉矩Tgen=-150Nm，額定功率Pgen=-20kW可以滿足WLTC工況90%制動工況點需求。

由于48V電機額定扭矩一般限制在100Nm以內，推薦電機偏置布置，若鏈傳動速比i=3，則確定電機參數為：額定功率20kW、額定扭矩50Nm。WLTC工況發動機最高轉速為6000r/min，則確定電機最高轉速18000r/min。

根據上述各工況計算得到48V-ISG永磁同步電機各項參數，具體參數如表3所示。

表3 電機基本性能參數

2.3 電池參數匹配設計

1） 電池的額定功率

逆變器及電機存在功率損失，為保證電機輸出額定功率，電池放電功率需滿足：

式中：ηDCAC——逆變器效率；ηM——電機效率。假設ηDCAC=90%、ηM=90%，得到電池的額定功率PBattery=24.69kW。

2） 電池能量及容量

車輛在純電模式下以車速vcs行駛里程為S，電池電量消耗ΔSOC，根據純電行駛里程計算電池的能量EB和容量CB，方程式可表示為：

式中：Pcs——車輛以車速vcs等速行駛所需功率；U=48V——電池組電壓。假設vcs=50km/h，S=5km，ΔSOC=0.9，計算得到EB=2.74kWh，電池容量CB=57Ah。電池組的具體參數如表4所示。

3 P2混動匹配仿真分析

3.1 整車仿真模型

根據動力學原理建立P2混動整車動力學模型［10-12］，如圖4所示。模型包括機械部分和控制部分。其中機械部分有發動機及電機模型、電池等效電路模型、傳動系統模型、整車模型等子系統；控制部分有駕駛員模型、混動能量管理、換擋控制等3個模塊?？刂撇糠指鶕{駛員模型的油門、制動信號，以及機械部分的反饋等作出決策，輸出發動機和電機需求扭矩、離合器C0接合/分離狀態請求、變速器需求擋位及機械制動扭矩等控制參數。

表4 電池基本性能參數

混動控制系統的核心是能量管理［13-16］，完成發動機及電機扭矩分配決策。根據電機介入情況把P2混動驅動工作狀態劃分為：純電模式（EV）、行車充電（LMP）、發動機單獨驅動（Engine） 及電機助力（eBoost）、制動能量回收（Regenerative Brake）、機械制動等6種工作模式。具體的模式切換如圖5所示。根據整車需求扭矩、轉速及電池電量建立模式切換判定模型，對于具體的模式，搭建不同的扭矩分配模型。

為了維持電池電量平衡，需要根據電池電量對模式切換行進了修正。行車過程中發動機啟動是能量管理策略的難點，當以下3個條件之一滿足時，啟動發動機：①電池電量過低；②整車需求扭矩超過電機峰值扭矩；③車速及整車需求扭矩超過設定值。

3.2 動力性經濟性仿真分析

以表1給定的發動機、變速器及整車參數、表3和表4選定的電機電池參數進行仿真分析，得到的動力性經濟性指標如表5所示。

表5 P2混動動力性經濟性仿真結果

從表5中仿真分析結果可以發現：在動力性方面，相同配置的燃油車型與48V P2混動車型動力性相差不大，主要原因為變速器限扭250Nm，電機與發動機外特性扭矩之和超過了變速器限扭但仍然只能輸出250Nm合扭矩，限制了混動車型動力性能發揮。在40-80km/h超車加速性能指標上，P2混動稍差與燃油車，原因在于：在車速為40km/h時，P2混動處于純電模式，急踩油門需要啟動發動機，啟動發動機過程大約為1.2s，在啟動發動機過程中，電機輸出扭矩小于燃油車中發動機的輸出扭矩，造成40-80km/h加速時間指標上P2混動車型大于燃油車，對于其他超車加速度指標，由于P2混動電機與發動機輸出合扭矩等于變速器限扭，與燃油車發動機單獨輸出扭矩大致相等，因此，加速時間大致相同。

在經濟性方面，48V P2混動車型WLTC工況油耗為4.89L/100km，比燃油車型6.08L/100km 提高了19.57%，WLTC工況仿真結果如圖6所示。P2混動從3個方面進行節油：①電機實時啟動發動機，取消了發動機怠速工況；②電機制動能量回收；③發動機工況點調節。當發動機啟動后，若工況點落在發動機燃油經濟區間時采用發動機直驅模式；若工況點在發動機燃油經濟區之下，進入行車充電模式，發動機工作在最優燃油經濟曲線上，多余扭矩用于電機發電儲存在電池中；若工況點在發動機燃油經濟區之上，進入電機助力模式，發動機工作在最優燃油經濟曲線上，不足扭矩通過電機驅動提供。以上3部分節油效果如表6所示。

從表6可以發現，由于WLTC工況停車工況較少，取消怠速節油占比為12.6%；同時減速工況較多，則制動能量回收節油占比80.7%；WLTC工況車速變化較大，需要頻繁啟停發動機，電機對發動機工況點調節節油效果不明顯，也從側面證明電機電池參數對WLTC工況節油影響有限。后續工作將從駕駛性出發，研究電機電池對P2混動駕駛性能影響。

4 結論

本文針對某搭載1.5TG發動機、7速濕式雙離合變速器的48V P2混動A級車型，完成了電機電池參數匹配設計，并搭建了P2混動整車動力學模型及能量管理策略，通過動力性經濟性仿真分析，驗證了電機電池選型方案，得到了如下結論。

圖6 WLTC工況P2混動仿真結果

表6 WLTC工況P2混動節油原理分析 （油耗單位L/100km）

1） 以48V P2混動車型純電模式下最高車速、最大爬坡度、加速性能及WLTC工況驅動及制動需求功率扭矩統計，制定了電機電池參數選擇方案。確定電機額定功率20kW、額定扭矩150Nm，可滿足90%WLTC工況功率扭矩需求，受制于48V電機扭矩限制，48V P2電機只能采用偏置布置，若帶傳動速比為3，電機額定扭矩可降低到50Nm；通過電機額定功率、純電里程確定電池額定輸出功率及電能、電量等。

2） P2混動動力性經濟性仿真結果表明，由于變速器限扭，48V P2混動車型動力性與相同配置燃油車型大致相同，但經濟性大幅提高，WLTC工況油耗降低19.57%。

3） P2混動WLTC工況節油原理分析表明，P2混動主要通過取消發動機怠速、發動機工況點節油及制動能量回收實現，WLTC工況制動能量回收節油效果明顯，取消發動機怠速次之，電機對發動機工況點調節效果較差，從側面表明WLTC工況油耗對電機電池參數選擇不敏感。