混合動力汽車串并聯模式切換控制研究

摘 要：混合動力汽車有多個能量源，汽車控制器在不同的工況需要協調選擇不同的能量進行驅動，而混合動力汽車既有串聯模式驅動也有并聯模式驅動，不同的驅動方式能量損耗不同，如何提升能量的傳遞效率，一直都是多能源動力系統的關鍵。本論文首先通過研究混合動力汽車各部件間的速比關系，得出優化速比可以使得各部件間傳遞效率得到共同提升的結論，在此基礎上計算各驅動模式的傳遞效率并得到平衡曲線，以此優化串并聯模式切換時機，提升了整車的經濟性。

關鍵詞：能量源 能量傳遞效率 串并聯 模式切換時機

0 引言

近些年來，由于國家政策的導向、油耗排放法規的日益嚴苛、市場需求逐步明朗，國內新能源汽車行業如雨后春筍般崛起[1]，混合動力汽車逐漸成為市場的寵兒。混合動力汽車因為其架構的特性，在整車的行駛過程中出于對駕駛性以及經濟性的考慮，需要適時改變其驅動方式來完成這些目的，但是驅動方式的轉變，往往涉及到整車動力源的切換，如何把握時機完成驅動模式的切換，一直是混合動力汽車研究的重要課題，也是車輛是否能夠擁有好的駕駛性及動力性的一個重要指標，因此，研究模式切換的控制是一個解決混合動力汽車駕駛性與經濟性非常重要的手段。

市面上主流的混合動力汽車采用P1+P3前驅的動力組合方案，區別于增程車輛的串聯模式（HEV）模式和純電（EV）模式，P1+P3架構還存在另一種混合動力模式，即并聯驅動模式。在并聯模式下，離合器結合，此時車輛主要由發動機驅動，發電機提供部分加速助力扭矩或發電扭矩，發動機輸出功率通過“機械傳動”傳遞至車輪[2]。

為了保證車輛的平順性，市面上一般采用單檔結構使發動機一檔介入驅動，在發動機直接介入驅動前需要進行整車的模式切換：由串聯驅動切換成并聯驅動。目前切換時機的選擇上主要是通過對車速、需求功率等條件的判斷進行判斷，如太原理工大學范長盛的基于模糊PI控制方法[3]；吉林大學的巴特等人的基于計時、濾波、模糊邏輯和滯回的方法抑制模式控制方法[4]。本文結合對整車的硬件速比以及整車傳遞效率的研究，提出一種利用最高傳遞效率為界線的方法進行整車模式切換選擇，以達到提高整車的經濟性的目的。

1 汽車油電轉換基本參數

在研究車輛的經濟性前，需要先進行發動機燃油經濟性的相關研究。一般通過發動機的萬有特性研究發動機的燃油經濟性，通過對發動機油電轉換效率來評估發動機的相關性能指標。一般的，用每度電（kWh）發電量所消耗的燃料質量來確定其燃油效率。

如表1是根據國標《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589）的各能源折標準煤參考系數，其中可以得到汽油的平均發熱量。通過計算，理想情況下，1kg汽油完全燃燒產生的熱量為11.96kWh，而一度電產生的熱量和83.61g汽油完全燃燒產生的熱量是相當的。

公式1為功率計算公式，利用公式可計算油電的相互轉換。

式中，W是電功率（kwh）;P是功率（kW）;S是時間（h）。

如研究某車型比油耗最低為205g/kWh，如圖1所示，即每發一度電需要消耗205g燃油，相對于標準燃油消耗量來說則是83.61/205≈0.4079，即發動機最高熱效率為40.79%。發動機的熱效率越高，說明其性能越好。

從發動機的萬有特性可以看出發動機的最佳效率是需要運行在一定的轉速扭矩區域即一定功率內的，在串聯模式下發動機與驅動軸是解耦的，并不直接參與驅動，可以隨時調整功率使得其絕大部分處于最佳效率內。而在并聯模式，由于發動機與驅動軸單檔進行耦合，且發動機轉速與車速相關，不能隨意調整，所以找到一個效率平衡點對兩種模式的切換來說非常有意義。

2 各耦合速比優化

2.1 優化發電速比

由于發動機與發電機是時刻耦合的兩個部件，所以需要對與發動機耦合的P1電機進行優化，使其在合適的效率區間。如公式2所示。

式中，N1是P1電機轉速（rpm/min）；N是發動機轉速（rpm/min）；G1是兩者之間速比。

為保證較佳的發電效率，經過速比轉化后的P1電機的效率圖應該盡可能地處于發動機最佳熱效率附近，使得整車的發電效率與發動機燃油消耗率高度重合，得到較佳的經濟性。如圖2所示為速比優化前的發動機萬有特性與經過速比轉化后的P1電機效率圖，圖3為速比優化后的發動機萬有特性與經過速比轉化后的P1電機效率圖。

從上面兩個圖中對比可以看出，優化后的速比可以將P1電機的最高效率區與發動機的較高熱效率區重合在一起，只需要發動機運行在經濟區，發電機P1將穩定運行在高效率區，絕大部分工況下發電機的效率將在95%以上。

2.2 優化驅動速比

保證較高的驅動效率同樣重要，效率越高，驅動時轉化的能量越多。在并聯模式時發動機的轉速與驅動電機轉速比是一定的，都會通過一個速比作用到驅動軸上。并聯時的發動機轉速與P3轉速轉換如公式3所示

式中，N2是P3電機轉速（rpm/min）；N是發動機轉速（rpm/min）；G2是發動機的直驅單檔速比；G3是驅動電機P3速比。

如圖4所示為速比優化前的發動機萬有特性與經過速比轉化后的P3電機效率圖，圖5為速比優化后的發動機萬有特性與經過速比轉化后的P3電機效率圖。

一樣的，從上面兩個圖對比可以看出，優化后的速比可以將P3電機的最高效率區與發動機的較高熱效率區重合在一起，發動機運行在經濟區的時候，保證電機的轉速也相應的在經濟區間。

3 效率計算

在確保發動機經濟區對應的電機效率都較高后，根據并聯下發動機直驅的效率與相同功率下的串聯模式的效率找到串并聯的平衡點。如公式4、5所示：

式中，為并聯直驅軸上總效率；為常數項；為并聯下燃油消耗量；為發動機到軸效率。

式中，為串聯驅動軸上總效率；為常數項；為串聯下燃油消耗量；為電機控制器效率；為驅動電機效率；為驅動電機到軸效率。

如上述公式4中，發動機到軸效率為機械嚙合效率，按離合器嚙合兩端98%計算；驅動電機到軸效率也為機械嚙合效率98%計算，P1和P3電機效率由上文確定合適速比后基本在95.5%和96.5%以上，各工況下電機控制器的轉換效率可由臺架測試得出。綜上，當使得公式4與公式5相等時，我們可以得到串并聯兩個不同驅動方式下的燃油量之間的關系，如公式6所示：

式中，=為并聯下燃油消耗量；為系數；為串聯下燃油消耗量。

從公式6可以根據不同工況下測算出來的值，就可以確定串并聯切換的燃油消耗量的關系，在相同轉速下，并聯可以做到更高的功率且最終效率可以與串聯一致，這樣就可以判斷是否保持當前模式使得當前效率最優。結合上述公式帶入具體的電機控制器效率，我們可以得出轉速-功率圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，效率一定的情況下，在發動機的最優油耗功率與最大功率之間存在一個串并聯效率的平衡線，在平衡線以上，并聯模式的效率比串聯效率要差，平衡線以下，并聯模式的效率比串聯要好。所以可以以此分界線作為串并聯模式切換的臨界線進行控制，從而達到即考慮到經濟性又能精準地控制驅動模式的效果。

4 結論

混合動力汽車的串并聯模式切換一直是汽車研究的熱點課題，合適的串并聯模式切換時機可以有效提升用戶的駕駛性、有益于整車的經濟性。首先，本課題從硬件層面出發，探究了各部件的速比對車輛效率的影響，表明了一組優化合適的速比可以將發動機、P1發電機、P3驅動電機三個重要部件效率達到較佳的水平，從而推進整車效率的提升。接著，在優化速比下，通過研究各驅動模式下的能量傳遞路徑和效率，經分析和計算，推導出一個串并聯模式最佳切換的適用公式。在此公式基礎上，結合發動機萬有特性數據分析，得到串并聯模式的功率-車速表，從表中得出串并聯模式切換控制的關鍵平衡曲線，最終確定整車的驅動模式最佳切換時機。由于串并聯模式的效率損耗，此優化方案及切換時機可節約3%左右的綜合能耗。

參考文獻：

[1]龐業升.P1P3串并聯混合動力汽車的HCU控制策略設計[J].裝備制造技術，2023（03）：166-170+179.

[2]祝浩，于釗，徐家良.雙電機混動車輛串并聯模式切換過程設計與實現[J].汽車科技，2022（1）：35-42.

[3]范常盛.基于模糊PI控制的混聯式混合動力汽車能量管理策略的研究[D].太原：太原理工大學，2022.

[4]巴特，高印寒，曾小華，等.混合動力汽車工作模式切換控制方案[J].吉林大學學報：工學版，2016，46（1）：21-27.