串并聯插電混合動力汽車試驗研究

張志強，丁 磊，陳尉平

（東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005）

隨著中國汽車工業的持續高速發展，截至2018年，中國汽車年產銷量超過2 780萬輛［1-2］，同時汽車保有量達到了2.4億輛［3-4］。汽車給人們帶來交通便利的同時，也造成日益嚴峻的環境污染和能源危機。為此，國家出臺了乘用車油耗積分［5-6］和新能源積分管理辦法［7-8］，以促進汽車技術朝著更低油耗的方向發展。插電式混合動力汽車通過優化發動機工作區域降低發動機油耗，并搭載適當電量的動力電池包，具備一定的純電續航里程，能夠進一步降低綜合油耗。

目前，被廣泛應用的混合動力技術主要有以日產EPOWER為代表的串聯混動技術［9］、以比亞迪DM為代表的并聯混動技術［10］和以豐田THS為代表的功率分流混動技術［11-12］。串聯混合動力技術由于結構較為簡單無需變速箱，通過提升發電系統（發動機和發電機）效率便能得到較好的油耗特性［13-14］，因此得到了較好的工程應用，并成為新能源重點推廣的技術路線之一。

為進一步提升混動系統的效率，近期出現了一種串并聯混動技術。該技術是基于串聯技術路線再增加一套離合系統，因此也被稱為雙電機單離合混動系統。該技術能同時實現純電工作、串聯工作和并聯工作等功能模式，并具有節油效果較高、動力輸出平順、機艙容易布置等優勢［15］。

本課題組針對某搭載了串并聯混動總成的汽車開展實車轉轂試驗研究，提出基于狀態機的串并聯控制策略和基于油門踏板的能量回收方法，并分別在電量消耗狀態和電量維持狀態下開展試驗研究，以期分析出適合該混動系統的最佳策略方案。

1 串并聯混動系統及試驗方案

試驗汽車為某五座SUV車型，車型及發動機、動力電池包和串并聯混動總成參數如表1所示。

混動總成系統主要構成如圖1所示，由內燃機ICE、發電機ISG、驅動電機TM、離合器 Clutch和動力電池包組成。控制系統由發動機ECU、電機控制器MCU、動力電池包管理系統BMS和混動控制器HCU組成。

通過對發動機ICE、發電機ISG、驅動電機TM和離合器Clutch進行控制，即可分別實現純電工作、串聯工作和并聯工作模式。純電動工作模式如圖2所示，離合器保持斷開，發動機ICE和發電機ISG不工作，汽車由驅動電機TM負責驅動。串聯工作模式如圖3所示，離合器保持斷開，發動機ICE和發電機ISG負責發電，并維持動力電池包電量SOC平衡。汽車由驅動電機TM負責驅動。

并聯工作模式如圖4所示，離合器處于結合狀態，根據汽車動力需求，可分別實現發動機ICE直驅、行車發電、發動機ICE和驅動電機TM共同驅動等3種方式。

試驗所用實車轉轂設備關鍵性能參數如表2所示。

表2 試驗轉轂設備參數

為保證試驗研究的一致性和可重復性，按照《GB/T 19753》規定的試驗規范開展條件A（即電量消耗狀態，動力電池包從最高荷電狀態至最低荷電狀態）和條件B（即電量維持狀態，動力電池包一直處于最低荷電狀態）的試驗過程。車輛的車速嚴格按照NEDC工況（如圖5所示）進行控制。

2 串并聯控制策略和能量回收方法

串并聯混合動力系統工作流程如圖6所示。首先結合所有硬件的溫度等狀態、故障及報警信號，作出扭矩限制保護設定；其次，結合駕駛員意圖、動力電池包電量和整車等參數，解析出扭矩需求，并對能否進入純電動、串聯和并聯工作模式進行判斷，對發動機ICE、發電機ISG、驅動電機TM進行扭矩分配；最后，控制所有硬件系統按所需狀態進行工作。

模式判斷采用基于狀態機的串并聯控制策略，具體如圖7所示。

純電動、串聯和并聯工作狀態作為主要功能模式，啟動/關閉發動機ICE、離合器同步/斷開作為主要工作模式之間跳轉的瞬態調節過程。結合“多用電、少啟動發動機”的降低油耗思路，只有電池SOC過低或需求扭矩過高時，才由純電動切換至串聯工作模式。當車速對應的發動機轉速達到發動機最佳運轉轉速或驅動扭矩進一步增大等條件滿足時，才由串聯切換至并聯工作模式。

在串聯工作時，采用電池電量PI補償和驅動功率跟隨的控制算法來計算發動機工作功率，具體如式（1）所示。

其中：Pser_ICE為計算所得發動機工作功率；ΔSOC=SOCtar-SOC，SOCtar為目標 SOC，SOC為當前動力電池包電量狀態；Treq為解析出的所需扭矩。

為控制發動機工作在最佳效率區間，結合Pser_ICE和如圖8所示的發動機最佳效率扭矩線Topt，綜合得到發動機的發電轉速n和扭矩Tser_ICE。

在并聯模式中，當需求扭矩Treq落在發動機最佳效率工作區間（Topt_min，Topt_max）時，采用發動機直驅方式，以獲得較高的工作效率；當Treq＜Topt_min且SOC較低時，采用行車發電方式，一方面將發動機保持在高效區工作，另一方面將超出驅動扭矩需求的扭矩用來帶動發電機發電；當Treq＞Topt_max時，采用發動機ICE和TM共同驅動方式，即發動機按Topt工作，TM負責輔助輸出扭矩。

綜合而言，純電動、串聯和并聯這3種工作模式下的扭矩分配如表3所示。

表3 不同工作模式下扭矩分配

為提升純電續航里程和制動能量回收效能，采用基于油門踏板控制的能量回收方法，即僅通過油門踏板的控制即可實現整車的加速及減速功能。

如圖9所示，將油門踏板行程標定成制動行程B-A和加速行程B-C，其中B位置作為驅動力矩和電機制動力矩為零的位置。當駕駛員有加速意圖，即油門踏板從B至C位置變化時，驅動扭矩按照油門踏板位置信號相應地進行線性解析。當駕駛員有松油門和減速需求時，即油門踏板從B至A位置變化時，電機回饋制動扭矩按照油門踏板位置信號相應進行解析。驅動力矩和制動力矩的解析方法如圖10所示。

如上所述，采用基于油門踏板控制的能量回收方法，在實際駕駛過程中，可以由駕駛員結合自身減速意愿，完全自主地控制減速扭矩及減速度，更有利于提升操控體驗。

3 電量消耗狀態下的試驗研究

在電量消耗狀態下，試驗工況為NEDC工況。試驗初始時動力電池包為最高荷電狀態（即SOC為90%），試驗過程一直為純電行駛狀態。

采用基于油門踏板的能量回收方法的試驗結果如圖11所示。在整個NEDC工況過程中，驅動電機TM作為唯一的動力源提供驅動扭矩；在減速工況下（例如：第85～95 s、1 125～1 160 s等車速段），驅動電機TM按照如圖9、10所示能量回收方法進行制動扭矩解析（即驅動電機TM扭矩為負值），對整車實現電制動，將動能回饋成電能進行能量回收。

將動力電池包從最高荷電狀態行駛多個NEDC循環至最低荷電狀態（即SOC為30%），采用機械液壓制動方法時純電續航里程為48 km。由于采用了基于油門踏板的能量回收方法，純電續航里程提升了14.6%，即純電續航里程達到了55 km。

4 電量維持狀態下試驗研究

電量維持狀態即低SOC狀態，無法純電工作，需要啟動發動機并維持電量平衡的狀態。串并聯系統可以實現純串聯模式，也可結合驅動需求和SOC狀態靈活切換串聯和并聯工作模式。本文中針對純串聯方案和基于狀態機的串并聯方案開展對比試驗，試驗工況為NEDC工況。

純串聯方案的試驗結果如圖12所示。在NEDC工況起始階段，由于動力電池電量較低，發電機ISG起動發動機ICE，然后發動機ICE和發電機ISG負責發電來保證電池電量SOC平衡。整車由驅動電機TM負責驅動和電回饋制動能量回收。

基于狀態機的串并聯控制方案的試驗結果如圖13所示。

在NEDC工況起始階段，由于動力電池電量較低，混動系統同樣按照串聯方式進行工作。在NEDC的市郊高速工況，驅動扭矩需求較高，在基于狀態機的串并聯策略的控制下，混動總成進入發動機直驅和行車發電這兩種工作模式（例如1 065～1 089 s和1090～1 125 s），該混動系統的工作效率更高。從而避免串聯工作模式時先發電再驅動的多重能量轉化的問題，最終提高混動系統工作效率。

純串聯方案和基于狀態機的串并聯控制方案下的油耗如表4所示。純串聯方案油耗為6.5 L/100 km。采用基于狀態機的串并聯方案后，系統工作效率得到提升，油耗降低了1.54%，油耗降低至6.4 L/100 km。

表4 純串聯和串并聯控制方案下的油耗對比

5 結論

1）采用基于油門踏板的能量回收方法，純電續航里程相比基于機械液壓制動時提升了14.6%。

2）采用基于狀態機的串并聯控制策略，系統工作效率更高，油耗相比采用純串聯方案時降低了1.54%。