混合動力汽車扭矩分配策略研究

白國軍，程浩，葛亮，徐東平

(廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東珠海 519000)

0 引言

兼顧油耗低及續(xù)駛里程長的優(yōu)點，混合動力汽車是傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的完美結(jié)合。伴隨著社會的發(fā)展及能源問題的日益突出，混合動力汽車越來越受到世界各國的青睞[1]。我國根據(jù)自身的國情也制定了新能源汽車的發(fā)展戰(zhàn)略，新能源汽車的補貼力度非常大，目前混合動力公交、混合動力出租車廣泛應用于各大城市中，它們正逐漸被群眾接受和認可，因而把握住當前的機遇，提高混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性及降低排放，以品質(zhì)、技術(shù)和創(chuàng)新來占領先機顯得尤為重要。

混合動力汽車之所以能夠節(jié)能，是因為它有一整套先進的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)純電動行駛、發(fā)動機起停機及發(fā)動機高效驅(qū)動功能[2]。本文作者主要研究發(fā)動機驅(qū)動過程中的扭矩分配策略，在滿足扭矩需求的情況下尋找到油耗和電耗的平衡點。降低油耗的關鍵在于讓發(fā)動機和電機的工作點都在高效區(qū)域，從而使得整個系統(tǒng)的效率最高。本文作者基于H平臺插電式混合動力汽車的P2構(gòu)型，引入等效比油耗和等效發(fā)電系數(shù)的概念，當?shù)刃П扔秃淖畹突蛘叩刃Оl(fā)電效率最高時則得到發(fā)動機和電機的最優(yōu)工作點，從而降低了油耗。

1 整車構(gòu)型

H平臺插電式混合動力轎車的構(gòu)型為P2構(gòu)型，如圖1所示，動力系統(tǒng)由發(fā)動機、電機、雙離合器變速箱等組成，發(fā)動機與電機之間由前離合器連接。該構(gòu)型簡單，發(fā)動機的扭矩經(jīng)過前離合器直接傳遞到電機輸入軸，電機輸出軸再經(jīng)過離合器將扭矩傳遞到變速箱并最終作用到車輪上。

圖1 整車構(gòu)型

2 扭矩分配策略

當發(fā)動機驅(qū)動時，根據(jù)需求扭矩的大小和發(fā)動機的經(jīng)濟線及外特性扭矩線將整車的負荷分成3個區(qū)域，即低負荷區(qū)、中負荷區(qū)和高負荷區(qū)。當整車需求扭矩小于等于發(fā)動機經(jīng)濟線扭矩時，此時為低負荷區(qū)；當整車需求扭矩大于發(fā)動機經(jīng)濟線扭矩且小于發(fā)動機外特性扭矩時，此時為中負荷區(qū)；當整車需求扭矩大于發(fā)動機外特性扭矩時，此時為高負荷區(qū)，如圖2所示。

圖2 整車負荷分區(qū)

圖2中：TDemand為整車需求扭矩；TEngEffiLine為當前轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機經(jīng)濟扭矩限值；TEngWottLine為當前轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機外特性扭矩。

(1)中負荷區(qū)扭矩分配

發(fā)動機經(jīng)濟線與發(fā)動機外特性曲線之間的間隔相對來說較小，該區(qū)域的扭矩分配策略可按發(fā)動機工作在經(jīng)濟線上、其余扭矩由電機補償來實現(xiàn)，如式(1)所示：

式中：TEngReq為當前的發(fā)動機扭矩需求；TMotReq為當前的電機扭矩需求，其余參數(shù)同圖2。

(2)低負荷區(qū)扭矩分配

當整車需求扭矩小于發(fā)動機經(jīng)濟線扭矩值時，目前多數(shù)控制方法是讓發(fā)動機工作在經(jīng)濟線上、多余扭矩用于電機發(fā)電[3]，但這樣并不能做到系統(tǒng)效率最高，因而本文作者引入了等效發(fā)電系數(shù)。通過對該系數(shù)的衡量來判斷整個系統(tǒng)何時處于最優(yōu)狀態(tài)，從而最終決定發(fā)動機的工作點及電機的發(fā)電扭矩值。

如圖3所示，當前整車需求扭矩點處于點A時，此時可以適當?shù)貙l(fā)動機工作點由點A提高至點B，提高至點B后發(fā)動機比油耗由mBSFC_A增加至mBSFC_B，同時帶來了額外的扭矩ΔT用于電機行車發(fā)電。為找到最優(yōu)的點B，讓發(fā)動機及電機系統(tǒng)效率最高，需要計算等效發(fā)電系數(shù)Eqv_GenFactor，其計算公式如式(2)所示，式(2)中分子部分為有效發(fā)電扭矩所消耗的油耗即有效油耗，分母部分為發(fā)電實際消耗的油耗即由A至B增加的油耗。

圖3 低負荷區(qū)扭矩分配示意圖

等效發(fā)電系數(shù)如式(2)所示：

式中：αEqv_GenFactor為等效發(fā)電系數(shù)；mBSFC_B為點B的發(fā)動機比油耗；mBSFC_A為點A的發(fā)動機比油耗；ηB為當前轉(zhuǎn)速ΔT發(fā)電扭矩下的電機效率；ΔT為點B的電機發(fā)電扭矩；TDemand為整車需求扭矩。

逐漸增加發(fā)電扭矩ΔT，并實時計算等效發(fā)電系數(shù)αEqv_GenFactor，求出該組等效發(fā)電系數(shù)中的最大值點即當前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機和電機系數(shù)效率最高的點，此時既能滿足發(fā)電需求又能滿足驅(qū)動需求，同時還能保證油耗最低。理論的等效發(fā)電系數(shù)αEqv_GenFactor曲線如圖4所示。

圖4 等效發(fā)電系數(shù)曲線

(3)高負荷區(qū)扭矩分配

當整車需求扭矩大于發(fā)動機外特性扭矩值時，需要電機進行助力以滿足扭矩需求。由于此時發(fā)動機負荷特別大，單純地將發(fā)動機工作在外特性、額外助力扭矩電機補償?shù)姆绞讲⒉荒芎芎玫亟档陀秃?，因而本文作者引入了等效比油耗，綜合考慮了發(fā)動機萬有特性和電機效率，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機與電機工作點并用等效比油耗來衡量整個系統(tǒng)何時處于最優(yōu)狀態(tài)[4]，從而最終決定發(fā)動機的工作點及電機的助力扭矩值。

如圖5所示，當前需求扭矩處于點A，發(fā)動機最大能力點為點C，當發(fā)動機工作在點C時，電機助力扭矩最小，值為TMot_base；為更好的燃油經(jīng)濟性，適當?shù)貙l(fā)動機工作點往下移，如移至點B，則電機助力扭矩需要額外增加ΔTMot_add，此時應當衡量當前發(fā)動機的比油耗mBSFC_B和電機增加的扭矩ΔTMot_add，ΔTMot_add可以通過公式折算得到一個平均的比油耗βAvr_BSFC，根據(jù)該油耗再和點B發(fā)動機比油耗mBSFC_B作個加權(quán)則可得到總的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC，當總的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC取得最小值時，則找到了最優(yōu)的發(fā)動機工作點和電機助力扭矩值。

圖5 高負荷區(qū)扭矩分配示意圖

βAvr_BSFC計算方法如式(3)所示：

式中：TEngDrvChrg為當前轉(zhuǎn)速下行車發(fā)電時的發(fā)動機扭矩；n為BSFC總共累加的次數(shù)。

根據(jù)βAvr_BSFC及發(fā)動機當前mBSFC_B按式(4)進行加權(quán)計算得到總的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC。

βOverall_Eqv_BSFC=mBSFC_B·r+βAvr_BSFC·(1-r)

r=TEngReq/TDemand

(4)

式中：r為比油耗加權(quán)系數(shù)；TEngReq為點B發(fā)動機需求扭矩；TDemand為總的需求扭矩。

逐漸增加電機助力扭矩ΔTMot_add，發(fā)動機需求扭矩逐漸往下降，發(fā)動機工作點逐漸由外特性向經(jīng)濟線靠近，同時實時計算總的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC，直到到達發(fā)動機經(jīng)濟線上時停止計算，求出該組總的等效比油耗中的最小值點即可得到當前轉(zhuǎn)速下理想的發(fā)動機和電機工作點，此時既能滿足驅(qū)動需求又能保證油耗最低。理論的總等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC曲線如圖6所示。

圖6 總等效比油耗曲線

3 扭矩分配策略建模與仿真

(1)扭矩分配策略建模

在HCU的控制策略開發(fā)過程中使用MATLAB/Simulink進行建模，扭矩分配的模型是用Simulink搭建起來的，根據(jù)整車負荷的分區(qū)搭建了3個子模塊，分別是DrvChrTrqSplit(行車發(fā)電，對應低負荷)模塊、AssistTrqSplit(Assist，對應中負荷)模塊和BoostTrqSplit(Boost，對應高負荷)模塊。

高低負荷扭矩分配模塊由于要涉及到循環(huán)計算，因而在模型中采用了For循環(huán)模塊，如圖7所示，在一個周期內(nèi)For循環(huán)模塊會運行多次，可以滿足策略的需求，最終將等效發(fā)電系數(shù)或者總等效比油耗計算出來，并得到發(fā)動機及電機相應的工作點。

(2)扭矩分配策略仿真

為驗證扭矩分配的Simulink模型是否實現(xiàn)預定的策略，結(jié)合實際的發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)、萬有特性數(shù)據(jù)及電機的效率Map，對模型進行了離線仿真。

給定的輸入條件為當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、需求扭矩90 N·m，最終仿真輸出結(jié)果為目標發(fā)動機扭矩為102 N·m、電機扭矩為-12 N·m。圖8所示為此次仿真輸出的等效發(fā)電系數(shù)曲線，可以看到在電機發(fā)電扭矩為-12 N·m時等效發(fā)電系數(shù)取得最大值，與仿真結(jié)果輸出一致，即驗證了低負荷扭矩分配策略的正確性。

圖7 高低負荷扭矩分配Simulink模型

圖8 仿真得到的等效發(fā)電系數(shù)曲線

給定的輸入條件為當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、需求扭矩300 N·m，最終仿真輸出結(jié)果為目標發(fā)動機扭矩為259 N·m、電機扭矩為41 N·m。圖9所示為此次仿真輸出的總等效比油耗曲線，可以看到在電機額外助力扭矩為21 N·m時總等效比油耗取得最小值，加上電機此時助力的最小限值20 N·m，得到電機最優(yōu)助力扭矩41 N·m，與仿真結(jié)果輸出一致，即驗證了高負荷扭矩分配策略的正確性。

圖9 仿真得到的總等效比油耗曲線

通過兩組仿真數(shù)據(jù)可以看出：扭矩分配模型能夠?qū)崿F(xiàn)既定的分配策略，尋找出最優(yōu)的發(fā)動機與電機的工作點，提高燃油經(jīng)濟性。

4 總結(jié)

基于H平臺插電式混合動力汽車的P2構(gòu)型，研究了扭矩分配的相關影響因素，提出了一種基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的扭矩分配策略。該控制策略通過引入等效發(fā)電系數(shù)和等效比油耗的方式對扭矩分配的結(jié)果進行評價，并最終篩選出最優(yōu)的扭矩分配結(jié)果。策略仿真結(jié)果證明，該扭矩分配策略能夠合理、高效地進行發(fā)動機與電機之間的扭矩分配，保證了發(fā)動機和電機系統(tǒng)效率最優(yōu)，提高了燃油經(jīng)濟性。