廣汽機電耦合系統策略研究與性能分析*

梁偉強，張 雄

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

為了滿足國家油耗和排放標準，各個企業都在大力開發混合動力汽車。混合動力機電耦合系統，是混合動力汽車的核心部件，對混合動力汽車的動力性和經濟性有決定性的作用。混合動力機電耦合系統主要分為串并聯式的機電耦合系統和功率分流式的混合系統兩種[1-2]。串并聯的機電耦合系統以本田i-MMD系統為代表，功率分流的機電耦合系統以豐田THS系統為代表[3]。

本文作者單位為開發自主的機電耦合系統，參考市場上主流混動構型，從性能仿真、成本比較及專利分析等經過多輪論證，綜合串聯與并聯系統的優缺點，創造性提出了G-MC（GAC Mechatronic Coupling）機電耦合系統方案[4-5]，并實現了產業化。該構型優點主要包括：（1）電機、傳動和液壓高度集成，結構緊湊；（2）雙電機并排布置，減少軸向尺寸；（3）定軸齒輪傳動，結構簡單，傳動效率高；（4）具有電子駐車功能；（5）具備多種驅動模式以應對多變的行駛工況。

本文首先分析了G-MC機電耦合系統結構原理，分析其各個驅動模式下的動力學模型；綜合考慮各驅動模式的系統效率，制定了模式切換時策略。為驗證設計的合理性，進行了動力性經濟性仿真和G-MC傳動效率試驗驗證，并與同期車型進行性能對比分析，證明了G-MC混合系統的先進性。

1 G-MC系統方案

1.1 系統結構與參數

如圖1所示，新能源汽車混合動力系統一般包括發動機、機電耦合機構、動力電池、整車控制器（VCU）、電機控制器（IPU）、耦合控制器（CCU）等。

圖1 新能源混動系統原理

G-MC采用如圖2所示的串并聯式混合動力系統，該系統具備純電動模式、混合驅動模式、串聯增程模式、駐車發電等多種工作模式。機電耦合系統將發電機、驅動電機、離合器、傳動系統及液壓系統等集成在一個箱體內。G-MC外形如圖3所示。

圖2 G-MC機電耦合系統

圖3 G-MC總成數模

1.2 驅動模式分析

該G-MC機電耦合系統可以實現多種驅動模式，包括純電動模式、混合驅動模式、串聯增程模式、駐車發電等多種工作模式。

當機電耦合系統中的離合器斷開、發動機和發電機不提供動力輸出時，G-MC工作在純電模式。此時功率流由驅動電機經中間軸、主減速齒輪傳遞至車輪，功率流如圖4所示。

圖4 純電模式功率流

圖5 串聯模式功率流

純電動模式主要工作在電量充足且輪端需求轉矩不大的行駛工況下，其傳動系統動力學模型如下所示：

式中：Itire和Im分別為車輪和驅動電機轉動慣量；和分別為車輪和驅動電機角加速度；ωtire和ωm分別為車輪和驅動電機角速度；i0和im分別為主減速比和中間軸到驅動電機傳動比；Tm和Traq分別為驅動電機和輪端需求轉矩；θ0和θm分別為主減速器和中間軸齒輪到驅動電機軸齒輪傳動效率。

當G-MC工作在串聯增程模式時，離合器處于斷開狀態，發動機帶動發電機發出電能，一部分能量通過發電機給電池充電，一部分給驅動電機供電，而驅動電機單獨驅動整車。串聯增程模式下功率流如圖5所示。

串聯增程模式主要工作在電池電量低或急加速需求扭矩較大的行駛工況，其傳動系統動力學模型如下所示：

式中：Itire、Im、Ie和Ig分別為車輪、驅動電機、發動機和發電機轉動慣量；和分別為車輪、驅動電機、發動機和發電機角加速度；ωtire、ωm、ωe、ωg分別為車輪、驅動電機、發動機和發電機角速度；i0和im分別為主減速比和中間軸到驅動電機傳動比；Tm、Te、Tg、Treq分別為驅動電機、發動機、發電機和輪端轉矩；θ0、θm、θs和θc分別為主減速器、中間軸齒輪到驅動電機軸齒輪、減震器和離合器傳動效率。

當離合器結合，耦合系統工作在混合驅動模式，該模式最大的特點是整車需求功率主要由發動機提供，不足的功率由驅動電機提供而多余的功率由發電機吸收，混合驅動模式下功率流如圖6所示。

圖6 并聯模式功率流

該模式下傳動系統動力學模型如下所示：

式中：Itire、Im、Ie和Ig分別為車輪、驅動電機、發動機和發電機轉動慣量；和分別為車輪、驅動電機、發動機和發電機角加速度；ωtire、ωm、ωe、ωg分別為車輪、驅動電機、發動機和發電機角速度；i0、im和ig分別為主減、中間軸到驅動電機和中間軸到發電機軸傳動比；Tm、Te、Tg、Treq分別為驅動電機、發動機、發電機和輪端轉矩；θ0、θm、θs和θc分別為主減速器、中間軸齒輪到驅動電機軸齒輪、減震器和離合器傳動效率；

2 G-MC控制策略

控制策略是耦合系統中至關重要的一部分，它包括模式劃分、模式切換和功率分配控制策略[7-11]。其中模式劃分控制策略主要是根據車輛的當前車速、轉矩需求和當前SOC，在各種驅動模式中選取最合適的工作模式；模式切換控制策略是通過協調控制動力源轉速轉矩與執行機構的工作狀態，實現平穩且無動力中斷的模式切換過程；而功率分配策略是耦合模式下對兩個動力源的功率進行分配，從而實現最優系統效率提高整車經濟型增加續駛里程。

2.1 模式劃分

G-MC混合系統具有多個能量源和動力部件，可以工作在多種驅動模式。為使車輛在兼顧動力性的同時提升經濟性，車輛驅動模式的選擇至關重要。根據插電式混合動力汽車在運行過程中電池SOC變化情況，可將其運行模式劃分為兩個階段，分別是：電量消耗（Charge Depleting,CD）階段和電量維持（Charge Sustaining,CS）階段。

在CD階段，為了盡可能利用動力電池內存儲的電量，車輛在純電動模式下運行。僅當整車需求功率超過電池所能提供的最大功率后，發動機才啟動，對整車的功率需求進行補充，以滿足動力電池的不足。隨著汽車運行，電池SOC逐漸降低，當電池電量消耗到一定值后，進入CS階段，此時耦合系統在純電動、串聯增程和并聯模式之間進行切換，以保證SOC在一定區間內保持平衡。因此，CS階段的模式劃分邊界至關重要，本文首先基于系統效率最優得到初步的系統效率（如圖7所示，其中純電模式效率計及串聯模式平均發電效率）及模式劃分邊界，之后考慮實車中各種因素對邊界進行修正，得到最終的模式邊界如圖8所示。其中，在行駛模式的選擇中額外考慮的因素如下：

（1）整車各工況下電量的平衡；

（2）駕駛員動力性需求；

（3）系統經濟性；

（4）部件運行狀態對模式選擇的干預；

（5）故障處理對模式選擇的干預；

（6）特殊情況下滿足診斷儀的干預。

圖7 電量維持階段系統效率

圖8 電量維持階段模式劃分

2.2 模式切換控制策略

模式切換控制策略是指串聯增程模式和并聯混動模式之間的切換過程控制。基于G-MC構型，通過協調發動機與雙電機的工作點以及離合器的工作狀態，可實現驅動模式之間的平順且無動力中斷切換。以串聯到并聯的切換過程為例，切換過程流程如圖9所示。具體實現過程如下。

（1）在混合動力車輛行駛過程中，檢測車速、動力電池電量和加速踏板位置作為進行離合器接合的判斷條件。

（2）檢測車輛是否滿足以下條件：①當前加速踏板位置下的車速是否高于預設值；②電池電量是否處于預設值區域；③各部件無影響離合器接合的故障。

（3）進入發動機調速模式，準備離合器接合，驅動電機繼續輸出扭矩維持車輛運行。

（4）以驅動電機轉速為目標，采用PID控制調節發動機轉速。

（5）繼續檢測發動機轉數和驅動電機轉速，當發動機轉速與目標轉速之間轉速差小于設定值Δω，并維持一定時間T，離合器接合，車輛進入并聯驅動模式。

圖9 切換過程流程

（6）在離合器接合上后，在總需求扭矩不變的前提下，重新分配發動機和驅動電機扭矩，此時發動機輸出扭矩按一定斜率增加到目標扭矩，驅動電機輸出扭矩按一定斜率下降到目標扭矩，實現并聯驅動。其中調速調扭過程如圖10所示。

3 性能表現

3.1 仿真驗證

基于Matlab/Simulink平臺，搭建混聯式PHEV后向仿真模型，分析整車的動力性、經濟性，并驗證動力傳動系統參數匹配以及能量管理策略的可行性。

以GA3S-PHEV為仿真車型，在動力性方面，最高車速為188 km/h，0～100 km/h加速時間為8.61 s；在經濟型方面，選用NEDC工況仿真計算條件B油耗，100 km油耗值為5.13 L。

圖10 切換過程轉速/轉矩協調控制

3.2 傳動效率實驗

為驗證動力性經濟性仿真模型的準確性，以及基于效率最優制定的控制策略的合理性，搭建G-MC傳動效率實驗臺架如圖11所示，測試不同工況和入口油溫下的傳動效率，圖12所示為其原理圖。

圖11 傳動效率試驗臺架

圖12 傳動效率試驗臺架原理

圖13 、圖14分別為入口油溫80℃條件下純電模式和發動機直驅模式傳動效率圖，以此為依據對動力性和經濟性仿真結果進行修正，以保證仿真結果的真實性。

圖13 入口油溫80℃條件下純電工況效率

圖14 入口油溫80℃條件發動機直驅工況效率

3.3 性能對比分析

表1所示為搭載G-MC的GA3S-PHEV與當時在售的同類插電式轎車車型A的燃油經濟性與動力性對比。在經濟型方面，GA3S純電續駛里程提高20.69%，條件A電耗和條件B油耗分別降低12.72%和28.85%；在動力性方面，0～100 km/h加速時間縮短20.09%。可以說GA3S-PHEV在同類車型中其動力性、經濟性方面具有明顯的優勢。

表1 整車性能參數

4 結束語

廣汽開發的G-MC耦合系統實現多個動力源的耦合，具有多種驅動模式以應對多變的行駛工況。通過合理的制定模式換分邊界、模式切換控制策略和功率分配策略，實現系統的高效性；搭建整機效率實驗臺架以驗證設計的正確性；最后，選取基準車輛對比分析經濟型與動力性，實測結果表明搭載G-MC的GA3S-PHEV在性能方面有20%左右得分提升，效果明顯。