一種ISG雙電機(jī)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究

焦燕青，孫玉

(1.麥格納衛(wèi)藍(lán)新能源汽車(chē)技術(shù)(鎮(zhèn)江)有限公司上海分公司，上海 201807； 2.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司商用車(chē)技術(shù)中心，上海 200438)

0 引言

當(dāng)前，國(guó)家新能源汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)整，由原來(lái)的重點(diǎn)推進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)到純電和混動(dòng)兩條技術(shù)路線(xiàn)并行。在此背景下，混合動(dòng)力新能源系統(tǒng)架構(gòu)重新獲得各汽車(chē)制造廠家的重視，相關(guān)研究再次得到蓬勃發(fā)展。本文作者依托某款PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用研究案例，對(duì)一種ISG(Integrated Starter Generator)雙電機(jī)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)工作原理及其系統(tǒng)匹配仿真方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)其適用性進(jìn)行總結(jié)和歸納，給出了相應(yīng)推薦。

1 ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV系統(tǒng)原理及其工作模式

ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理如圖1 所示。該系統(tǒng)架構(gòu)有兩條能量傳遞路徑:第一條路徑(L1)是1-2-4-3，主要通過(guò)電能實(shí)現(xiàn)能量傳遞，實(shí)際上是一種APU(Auxiliary Power Unit)架構(gòu)驅(qū)動(dòng)模式[1]；第二條路徑(L2)是1-2-3,是通過(guò)離合結(jié)合實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)。這兩條路徑通過(guò)一定的控制邏輯關(guān)聯(lián)，最終可以實(shí)現(xiàn)PHEV串、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式的切換。

圖1 ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

表1為ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV系統(tǒng)不同運(yùn)行工況各系統(tǒng)參與工作情況。

概括地講，ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)工作基本邏輯是：低速或市區(qū)工況采用串聯(lián)純電驅(qū)動(dòng)模式，中、高速工況時(shí)機(jī)械驅(qū)動(dòng)介入，高速等速巡航時(shí)采取發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)為主。

下面以某款MPV混合動(dòng)力車(chē)輛設(shè)計(jì)為例，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比來(lái)論證這種系統(tǒng)架構(gòu)的基本特點(diǎn)。

表1 ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV各系統(tǒng)參與工作情況

備注：(1)SOC閾值為觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的動(dòng)力電池電量臨界值；(2)V閾值為純電驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)互為切換所定義的車(chē)速臨界值。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

整車(chē)及設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 整車(chē)及設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率的設(shè)計(jì)，需要考慮表1中各工況的整車(chē)實(shí)際運(yùn)行功率的需要。由于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)ISG系統(tǒng)需要直接為整車(chē)提供驅(qū)動(dòng)功率參與驅(qū)動(dòng)整車(chē)運(yùn)行，因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率首先要由NEDC工況純電或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式下對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求功率決定。

由公式(1)[2]

(1)

式中：i為坡度，取無(wú)坡度i=0；G為汽車(chē)重力，3 150×9.8 N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，根據(jù)試車(chē)場(chǎng)道路，取0.015[3]；ηT為傳動(dòng)效率，0.92；CD為空氣阻力系數(shù),0.41；A為迎風(fēng)面積，3.375 m2；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1.05。

可求得NEDC工況純電驅(qū)動(dòng)模式整車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率需求為68 kW。其中NDEC工況各速段驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率需求如圖2所示。

圖2 NEDC工況整車(chē)功率需求

(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率

根據(jù)電機(jī)特性,取功率因子eP=Pt/Pe=0.6，則與上述峰值功率相對(duì)應(yīng)的電機(jī)額定功率為：Pt=68×0.6=40.8 kW。

(3)根據(jù)永磁電機(jī)特性，取電機(jī)峰值扭矩、峰值功率拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，已知電機(jī)峰值功率68 kW，由式(2)得拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)峰值扭矩650 N·m。驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性見(jiàn)圖3。

(2)

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性

2.2 系統(tǒng)速比的初步確定

(1)整車(chē)以120 km/h等速巡航模式持續(xù)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以直驅(qū)方式參與整車(chē)驅(qū)動(dòng)，可以減少能量的二次轉(zhuǎn)化和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率應(yīng)用的最大化?？紤]到系統(tǒng)NVH因素，定義此時(shí)系統(tǒng)最高需求轉(zhuǎn)速不高于3 500 r/min，則變速器速比應(yīng)不高于：

(2)整車(chē)以最高峰值車(chē)速150 km/h行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)參與整車(chē)驅(qū)動(dòng)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)以直驅(qū)方式參與整車(chē)驅(qū)動(dòng)。取系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速不高于4 000 r/min，則變速器速比應(yīng)不高于：

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(3)

(4)

式中：ig為變速器速比；i0為主減速器速比；i為坡度，取i=0.2；

根據(jù)求得的輪邊驅(qū)動(dòng)扭矩3 440 N·m、電機(jī)峰值扭矩650 N·m，可求得系統(tǒng)總變速需求應(yīng)不低于5.3。

綜上，初步考慮為系統(tǒng)提供兩速比AMT方案，兩級(jí)速比分別為：3.74，5.3。

2.3 動(dòng)力電池電量需求計(jì)算

已知：續(xù)駛里程按半載NEDC計(jì)算；SOC放電深度按100%～20%計(jì)算；電機(jī)平均效率：EPT系統(tǒng)95%。借助Cruise系統(tǒng)建模仿真不難得出， NEDC工況能耗率：27.4 kW·h/100 km，若按50 km續(xù)駛里程計(jì)算，所需工作電量為50/100×27.4=13.7 kW·h，按放電深度80%考慮，動(dòng)力電池的最大荷電量需求為13.7/(1-20%)≈18 kW·h。

2.4 ISG系統(tǒng)功率需求

整車(chē)對(duì)ISG系統(tǒng)的需求，主要考慮其功率輸出。表3列出了在考慮系統(tǒng)傳遞效率的條件下，混合動(dòng)力各極限功率工況功率總需求及各工況條件下對(duì)系統(tǒng)的最小功率需求。

表3 各運(yùn)行工況基本功率需求

備注：(1)附件功率需求；(2)工作模式參見(jiàn)表1。

上述，采納模式三120 km/h持續(xù)巡航，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速3 500 r/min條件下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率需達(dá)到50 kW，此時(shí)處于發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

為規(guī)避由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速過(guò)高可能引起的系統(tǒng)過(guò)疲勞和NVH風(fēng)險(xiǎn)，初步確定工作轉(zhuǎn)速為3 500 r/min、功率為50 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)為理想的發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.6 ISG電機(jī)功率的確定

圖4為根據(jù)架構(gòu)布置初選的PHEV系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性?？梢钥闯觯涸谙鄬?duì)經(jīng)濟(jì)的油耗-功率線(xiàn)上，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min以下最大峰值功率可達(dá)55 kW，基本滿(mǎn)足整車(chē)120 km/h持續(xù)巡航的功率需求。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)特性，v′=100 km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 918 r/min，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率36 kW，不難求得急加速工況下ISG電機(jī)峰值C′=140-68-36=36 kW。相應(yīng)地ISG電機(jī)額定功率為36×60%=21.6 kW。

2.7 動(dòng)力系統(tǒng)匹配的結(jié)果

動(dòng)力系統(tǒng)匹配結(jié)果如表4所示。

表4 動(dòng)力系統(tǒng)匹配結(jié)果

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

由于PHEV系統(tǒng)的匹配主要圍繞高速工況時(shí)降低能耗為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)，其著眼點(diǎn)在于通過(guò)離合結(jié)合實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)以減少能量二次轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題。

3.1 系統(tǒng)工作模式定義

(1)為最大限度減少油電二次轉(zhuǎn)換帶來(lái)的效率損失，設(shè)定系統(tǒng)工作過(guò)程中電池荷電量(SOC)變化范圍為30%～40%。當(dāng)SOC<30%時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以串聯(lián)或直驅(qū)模式驅(qū)動(dòng)車(chē)輛并將動(dòng)力電池充電至40% SOC；當(dāng)SOC>40%時(shí)，在需求功率充足的條件下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)以純電模式放電至30% SOC。圖5中數(shù)據(jù)已通過(guò)效率折算等效發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為整車(chē)需求功率，并均考慮計(jì)入了整車(chē)附件功率和系統(tǒng)損耗。可看出：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 250 r/min時(shí)，串聯(lián)模式整車(chē)功率需求曲線(xiàn)較發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)時(shí)整車(chē)功率需求曲線(xiàn)更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)工作最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)，高于3 250 r/min時(shí)反之。據(jù)此得出兩種驅(qū)動(dòng)模式切換閾值v閾值=110 km/h。

(2)在油耗性能最大化前提下，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高引起NVH問(wèn)題，取巡航車(chē)速120 km/h所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 760 r/min作為發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上限(實(shí)踐中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)外特性好，可以進(jìn)一步降低上限轉(zhuǎn)速)。而在整車(chē)從120 km/h至150 km/h最高車(chē)速急加速過(guò)程中，為保證高速段較好的加速性能，可以設(shè)定臨界轉(zhuǎn)速為4 500 r/min、整車(chē)車(chē)速為140 km/h時(shí)離合器再脫開(kāi)，使得當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 500 r/min時(shí)ISG系統(tǒng)和動(dòng)力電池以并聯(lián)純電功率輸入的方式為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供功率驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。

(3)急加速和爬坡、坡起工況時(shí)，離合結(jié)合，ISG電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)提供扭矩驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已被ISG電機(jī)拖動(dòng)到怠速轉(zhuǎn)速以上，開(kāi)始參與急加速和爬坡、坡起工況扭矩的輸出。

3.2 系統(tǒng)建模

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，在輸出功率充分條件下，當(dāng)系統(tǒng)以串聯(lián)模式工作時(shí)可采用發(fā)動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)速以2 500 r/min工作從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的最大化。而當(dāng)整車(chē)需求功率較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)以功率伴隨方式沿經(jīng)濟(jì)曲線(xiàn)上移，直至發(fā)動(dòng)機(jī)以直驅(qū)模式工作。

應(yīng)用MATLAB/Simulink建立一個(gè)Demo(如圖6—圖7所示)使發(fā)動(dòng)機(jī)始終以相對(duì)經(jīng)濟(jì)的工況運(yùn)行，并通過(guò)AVL.Cruise自帶的策略控制模塊進(jìn)行設(shè)定實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)構(gòu)想。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況控制是由整車(chē)需求功率通過(guò)查表法求得對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)油門(mén)開(kāi)度來(lái)控制。Demo文件通過(guò)Cruise接口程序轉(zhuǎn)換為.dll文件，最終代入圖8的 Cruise程序模型進(jìn)行整車(chē)性能計(jì)算。

圖6 MATLAB/Simulink仿真模型

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨策略

圖8 Cruise仿真模型

3.3 仿真結(jié)果分析

將各系統(tǒng)參數(shù)代入上述模型，根據(jù)表1定義設(shè)定系統(tǒng)工作模式，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)確定能量回收策略為制動(dòng)踏板非解耦設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真得出結(jié)果見(jiàn)表5，滿(mǎn)足設(shè)定目標(biāo)。

表5 仿真結(jié)果

備注：條件A為純電驅(qū)動(dòng)模式；條件B為保持電量平衡、燃油消耗模式。加權(quán)油耗(單位L/100 km)=條件B油耗×25/(25+純電續(xù)駛里程)。

3.3.1 NEDC工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間分布

從圖9可看出：在整個(gè)NEDC工況運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)。

表6為同款車(chē)型ISG架構(gòu)PHEV混合動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛燃油消耗率的對(duì)比。

圖9 NEDC工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間分布

表6 同款車(chē)型ISG架構(gòu)PHEV混合動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)車(chē)輛燃油消耗率對(duì)比L·10-2·km-1

由此可得出以下結(jié)論：

(1)110 km/h及以下時(shí)ISG串架構(gòu)較省油。110 km/h以上時(shí)速時(shí)盡管ISG架構(gòu)也為發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)，如果ISG架構(gòu)所選用發(fā)動(dòng)機(jī)排量小，高功率輸出時(shí)將偏離油耗經(jīng)濟(jì)區(qū)，導(dǎo)致油耗偏高。

(2)市區(qū)工況，ISG架構(gòu)PHEV系統(tǒng)整車(chē)油耗僅為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛燃油消耗率的59.5%，系統(tǒng)節(jié)油率40.5%。

3.3.2 最大爬坡度及整車(chē)急加速工況仿真結(jié)果

圖10為整車(chē)最大爬坡度仿真結(jié)果，圖11為整車(chē)急加速工況仿真結(jié)果。

圖10 整車(chē)最大爬坡度仿真結(jié)果

圖11 整車(chē)急加速工況仿真結(jié)果

從圖10、圖11可以看出：低車(chē)速時(shí)ISG電機(jī)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)方式參與工作，同時(shí)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)以負(fù)扭矩輸出；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到和高于1 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始參與扭矩輸出，此時(shí)整車(chē)爬坡、坡起能力和整車(chē)最大加速能力達(dá)到最大值(仿真結(jié)果見(jiàn)表5)。

4 結(jié)論

(1)ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配的重點(diǎn)，是結(jié)合整車(chē)運(yùn)行工況，根據(jù)選定系統(tǒng)尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特性，合理設(shè)定各串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式的切換工況，預(yù)設(shè)好臨界閾值。

(2)ISG雙電機(jī)架構(gòu)屬于混聯(lián)式混合動(dòng)力的一種[5]，其完美地實(shí)現(xiàn)了混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)所具備的所有特性，與單一APU架構(gòu)系統(tǒng)相比大大地?cái)U(kuò)展了經(jīng)濟(jì)工況下巡航車(chē)速。由于該類(lèi)架構(gòu)系統(tǒng)具有兩個(gè)電機(jī)并且ISG電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)離合器硬連接，項(xiàng)目實(shí)踐中可能對(duì)系統(tǒng)布置空間造成較大的壓力，造成只能選用有限排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致高速巡航段油耗偏離經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，致使油耗偏高。這一點(diǎn)需要在項(xiàng)目預(yù)研前期做好規(guī)劃。

(3)ISG雙電機(jī)架構(gòu)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛，綜合經(jīng)濟(jì)性能突出。因其同時(shí)具備APU怠速發(fā)電和相對(duì)高速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)直驅(qū)的特性，既照顧了客戶(hù)的實(shí)際需要，又優(yōu)化了燃油的經(jīng)濟(jì)性。該架構(gòu)形式具有較高的實(shí)用價(jià)值。