輕型載貨汽車功率分流式混合動(dòng)力構(gòu)型研究

沈振方 馬洪彥 雷永超 吳朝

沈振方

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，工程碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)股份有限公司，商品研發(fā)院新能源平臺(tái)科，任助理工程師，主要從事新能源整車控制策略開(kāi)發(fā)及性能仿真工作。

摘? 要：輕型載貨汽車多應(yīng)用于城市物流，混動(dòng)化方案需要充分考慮其日均工作里程長(zhǎng)，在市區(qū)和城郊行駛占比大的特點(diǎn)。本文立足于輕型載貨汽車，對(duì)功率分流式混合動(dòng)力進(jìn)行研究，分析了其構(gòu)型特點(diǎn)和工作模式，應(yīng)用AVL_Cruise建立了整車及動(dòng)力模型，并在Matlab/Simulink中搭建了整車控制策略，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算了整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，功率分流式混動(dòng)車型與燃油車相比，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性顯著提升，功率分流式構(gòu)型在輕型載貨汽車上有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輕型載貨汽車;功率分流;單行星排;仿真分析

中圖分類號(hào)：U462.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）03-0014-07

Research on Power-Split HEV Configuration of Light Truck

SHEN Zhen-fang， MA Hong-yan， LEI Yong-chao， WU Zhao

（Commercial Product R&D Institute， Dongfeng Automobile Co.， Ltd， Wuhan 430057， China）

Abstract： Light-duty trucks are mostly used in urban logistics， and the hybridization scheme needs to fully consider the characteristics of long average daily working mileage and a large proportion of driving in urban and suburban areas. Based on light-duty trucks， this paper conducts research on power-split HEV and analyzes its configuration characteristics and working modes. AVL_Cruise is used to establish the vehicle and power model， and the vehicle control strategy is built in Matlab/Simulink. According to the current standard requirements， the power and economy of the whole vehicle are calculated. The results show that the power split hybrid vehicle has significantly improved power and economy compared with fuel vehicles. The power-split configuration has certain application advantages in light-duty trucks.

Key Words： Light-Duty Truck; Power-Split; Single Planetary Row; Simulation Analysis

1? ? 引言

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中提出到2025年貨車燃油消耗量較2019年降低8-10%，到2035年貨車燃油消耗量較2019年降低15-20%，商用車由于經(jīng)濟(jì)性效益等限制難以實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化，未來(lái)混合動(dòng)力技術(shù)將成為商用車的關(guān)鍵技術(shù)路線，電氣化、混動(dòng)化將成為貨車節(jié)油的重要措施，在兼顧油耗和排放的同時(shí)滿足運(yùn)輸要求。

混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)存在多種構(gòu)型，按照動(dòng)力耦合方式可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪間無(wú)機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)能在高效區(qū)穩(wěn)定工作，但能量必須經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程存在能量損失;并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)都能直接驅(qū)動(dòng)汽車，能量利用率相對(duì)較高，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪間存在機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)不能保證在最佳油耗區(qū)工作;混聯(lián)式包括開(kāi)關(guān)式和功率分流式，結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)，具備更多的驅(qū)動(dòng)模式，在構(gòu)型和控制策略最為復(fù)雜，但節(jié)油效果最佳。

目前，載貨汽車混動(dòng)技術(shù)路線包括串聯(lián)、P2+AMT、單模功率分流式和多模功率分流式，其中主流混動(dòng)技術(shù)路線采用P2+AMT架構(gòu)，保留了傳統(tǒng)AMT變速箱，能夠?qū)崿F(xiàn)多擋直驅(qū)，但節(jié)油效果有限。輕型載貨汽車具備日均工作里程長(zhǎng)，在市區(qū)和城郊行駛占比大的特點(diǎn)，對(duì)于這種應(yīng)用場(chǎng)景，功率分流式構(gòu)型節(jié)油率更高。本文針對(duì)功率分流式構(gòu)型進(jìn)行研究，探討其在輕型載貨汽車中的應(yīng)用。

2? ? 功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)

功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電機(jī)的行星齒輪機(jī)構(gòu)組成。其中行星齒輪機(jī)構(gòu)主要由太陽(yáng)輪、行星架和齒圈組成，通過(guò)三者轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，行星齒輪可以實(shí)現(xiàn)功率分流，即將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)能分別通過(guò)機(jī)械路徑和電路經(jīng)傳遞到車輪端。其結(jié)構(gòu)特性使發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪完全解耦，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)無(wú)級(jí)變速功能，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域，在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性具備明顯優(yōu)勢(shì)[1]。

基于功率分流式結(jié)構(gòu)的混動(dòng)存在輸入分配式構(gòu)型、輸出分配式構(gòu)型和復(fù)合型構(gòu)型[2]，輸入式構(gòu)型采用單個(gè)行星排，存在一個(gè)機(jī)械點(diǎn)，系統(tǒng)在低速處于高效區(qū)，高速出現(xiàn)功率循環(huán);輸出式構(gòu)型與輸入式構(gòu)型結(jié)構(gòu)基本一致，兩者布置方式不同，存在一個(gè)機(jī)械點(diǎn)，低速出現(xiàn)功率循環(huán)，高速處于高效區(qū);復(fù)合式構(gòu)型采用兩個(gè)以上行星排組，存在兩個(gè)機(jī)械點(diǎn)，能夠保證系統(tǒng)始終工作在高效區(qū)，但結(jié)構(gòu)和控制模式過(guò)于復(fù)雜，生產(chǎn)制造難度大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性難以保證，其理論層面研究較為廣泛，但實(shí)際應(yīng)用存在較高難度，不適合應(yīng)用于載貨汽車。圖1為單行星排中的兩種構(gòu)型。

以行星齒輪機(jī)構(gòu)為核心動(dòng)力耦合裝置的混合動(dòng)力車型中，輸入分配式構(gòu)型是目前應(yīng)用最多的類型，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是研究功率分流式混合動(dòng)力的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也符合輕型載貨汽車對(duì)整車可靠性的要求，本文針對(duì)單行星排構(gòu)型在輕型載貨汽車上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2.1? ?輸入分配式構(gòu)型分析

典型的輸入分配式構(gòu)型，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，電機(jī)1與太陽(yáng)輪相連，電機(jī)2與齒圈相連，行星排的動(dòng)力由齒圈輸出，其具體結(jié)構(gòu)如圖2，該系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)大部分轉(zhuǎn)矩通過(guò)齒圈直接傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上，將小部分轉(zhuǎn)矩通過(guò)太陽(yáng)輪軸傳給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并根據(jù)指令用于電池充電或?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)[3]。

為簡(jiǎn)化行星排系統(tǒng)分析難度，常將行星機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為杠桿模型，齒圈、太陽(yáng)輪和行星架等效為杠桿模型上的節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)上的位移和受力表示各部件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，力臂RC、CS表示太陽(yáng)輪和齒圈的齒數(shù)并歸一化，即? ? ? ? ? ? ? ? ?，一般把k定義為行星排的特征參數(shù)，是行星排的物理結(jié)構(gòu)特征，行星機(jī)構(gòu)各部件之間的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系只與特征參數(shù)相關(guān)。圖3為行星排結(jié)構(gòu)，圖4為經(jīng)簡(jiǎn)化后的杠桿模型。

行星排各部件動(dòng)力學(xué)關(guān)系如下式：

行星排轉(zhuǎn)速關(guān)系：

ns+knr-（k+1）nc=0? ? ? ? ? ? ? ? （1）

轉(zhuǎn)矩關(guān)系：

Ts：Tr：Tc=1：k：-（k+1）? ? ? ? ? ? ? （2）

機(jī)械路徑功率：

（3）

電路徑功率：

（4）

輸出功率：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

k為行星排特征參數(shù);ns：太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速;nr：齒圈轉(zhuǎn)速;nc：行星架轉(zhuǎn)速;Ts：太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩;

Tr：齒圈轉(zhuǎn)矩;Tc：行星架轉(zhuǎn)矩;Pmac：機(jī)械路徑功率;Te：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;Pele：電路徑轉(zhuǎn)矩;ng：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;Tg：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩;ne：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Pout：行星排輸出功率。

3? ? 仿真模型建立及驗(yàn)證

本文采用AVL Cruise搭建整車的物理模型[4]，根據(jù)現(xiàn)有輕型載貨燃油車整車參數(shù)及動(dòng)力總成，搭建燃油車仿真模型，完成發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等模塊，然后在燃油車模型的基礎(chǔ)上，利用分層功能修改動(dòng)力系統(tǒng)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、行星排等模塊，控制策略的搭建在Simulink中完成，并通過(guò)Cruise Interface模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真。圖5為燃油車仿真模型，圖6為功率分流式混動(dòng)車仿真模型。

3.1? ?輕型載貨汽車整車及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

整車參數(shù)參照現(xiàn)有燃油車，在采用相同發(fā)動(dòng)機(jī)的前提下，對(duì)電機(jī)、行星排等混動(dòng)專有部件進(jìn)行匹配，考慮目前電機(jī)性能、成本和載貨汽車動(dòng)力性要求，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒圈間增加一個(gè)兩擋變速箱，整車及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2? ?工作模式

車輛在實(shí)際工作過(guò)程中需要根據(jù)車速、油門踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度和電池電量情況等因素來(lái)判斷并切換工作模式。對(duì)于行駛需求來(lái)講，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)純電模式、混動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)、再生制動(dòng)模式和停車充電模式[5]。利用杠桿模型和能量流向圖對(duì)各工作模式分析。

3.2.1 純電模式

當(dāng)整車需求功率較小且電池SOC滿足純電行駛要求時(shí)，整車處于純電模式;此時(shí)電池作為動(dòng)力源，MG2電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)自身存在摩擦阻力，處于靜止?fàn)顟B(tài)，而MG1電機(jī)在MG2的帶動(dòng)下隨轉(zhuǎn)，根據(jù)行星排工作原理，MG1轉(zhuǎn)速是齒圈處的k倍，為防止MG1轉(zhuǎn)速過(guò)高，需要限制純電最高車速或者通過(guò)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)降低MG1轉(zhuǎn)速。純電工作模式如圖7所示。

3.2.2 混動(dòng)模式

當(dāng)整車需求功率增大或者電池SOC不滿足純電行駛要求時(shí)，整車進(jìn)入混動(dòng)模式，調(diào)節(jié)MG1扭矩來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

實(shí)際車速不高的情況下，MG1電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下正轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率通過(guò)行星排機(jī)構(gòu)分成機(jī)械功率和電功率，機(jī)械功率在齒圈處輸出，電功率經(jīng)過(guò)太陽(yáng)輪、MG1電機(jī)、MG2電機(jī)、兩擋箱，在齒圈處匯合，最終一同驅(qū)動(dòng)車輛行駛，驅(qū)動(dòng)所需動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，處于電量保持狀態(tài)，并且根據(jù)實(shí)際功率需要，電池可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)完成充放電。MG1電機(jī)在發(fā)電的同時(shí)調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作曲線上?；靹?dòng)工作模式如圖8所示：

實(shí)際車速較高的情況下，MG1電機(jī)由正轉(zhuǎn)變成反轉(zhuǎn)，此時(shí)，MG2電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，將齒圈處功率轉(zhuǎn)換為電能提供給MG1，MG1電機(jī)通過(guò)消耗電能來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作曲線上，形成了功率循環(huán)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)依然工作在高效區(qū)間，但整車傳動(dòng)效率下降，節(jié)油效果不理想。

3.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式

為了提高整車傳動(dòng)效率，車輛行駛在較高車速時(shí)，將太陽(yáng)輪鎖住，發(fā)動(dòng)機(jī)功率全由機(jī)械路徑輸出，直接驅(qū)動(dòng)車輪。此模式發(fā)動(dòng)機(jī)不再工作在最優(yōu)工作曲線上，MG2電機(jī)根據(jù)實(shí)際需求輔助驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)能量回收。發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)工作模式如圖9所示：

3.2.4制動(dòng)模式

駕駛員踩下制動(dòng)踏板，車輛進(jìn)入到制動(dòng)模式，在電池SOC、行駛車速、制動(dòng)踏板開(kāi)度同時(shí)滿足能量回收要求時(shí)，MG2電機(jī)提供全部制動(dòng)力，混動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，純電模式發(fā)動(dòng)機(jī)靜止，MG1處于隨轉(zhuǎn)。

MG2扭矩不能滿足制動(dòng)力矩要求時(shí)，由機(jī)械制動(dòng)來(lái)補(bǔ)充，在電池電量充足或者行駛速度過(guò)低或者急踩制動(dòng)踏板時(shí)，直接由制動(dòng)器提供全部制動(dòng)力。制動(dòng)工作模式如圖10所示：

3.3? ?能量管理策略

本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)控制和基于規(guī)則的門限策略，通過(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)速控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)始終控制在最優(yōu)工作曲線上，并在確定的規(guī)則下進(jìn)行模式判斷，本策略在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的前提下，保證控制過(guò)程可靠有效，在實(shí)車策略中易實(shí)現(xiàn)。

能量管理策略在simulink中完成，控制策略主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，對(duì)附件需求進(jìn)行簡(jiǎn)化，包括輸入輸出信號(hào)處理，需求估算，模式判斷仲裁和能量分配模塊。其基本邏輯：需求估算模量根據(jù)輸入信號(hào)估算需求，包括動(dòng)力系工作狀態(tài)和整車需求功率等，模式判斷仲裁模塊再根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷工作模式，并通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)完成模式切換，然后在能量分配模塊控制對(duì)應(yīng)模式的動(dòng)力源扭矩、功率和工作狀態(tài)。

4? ? 仿真結(jié)果

分別仿真計(jì)算燃油車和功率分流混動(dòng)車的性能指標(biāo)，動(dòng)力性參照《GB/T 19752-2005 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》設(shè)定仿真工況，計(jì)算最高車速、最大爬坡度和0-50km/h加速時(shí)間，考慮到用戶實(shí)際使用習(xí)慣，動(dòng)力性計(jì)算載質(zhì)量設(shè)定為6000kg，經(jīng)濟(jì)性計(jì)算參照《GB/T 38146.2-2019 中國(guó)汽車行駛工況》循環(huán)工況，貨車（GVW≤5500kg）使用CHTC-LT工況計(jì)算百公里油耗[6]。由于混動(dòng)存在燃油消耗和電量損耗，需要轉(zhuǎn)化為等效油耗，轉(zhuǎn)化過(guò)程存在誤差，本文通過(guò)調(diào)節(jié)充電功率大小和充電門限，實(shí)現(xiàn)循環(huán)工況仿真前后SOC電量維持平衡，這樣燃油消耗結(jié)果即為最終油耗。具體計(jì)算結(jié)果如表2。

功率分流式混動(dòng)車在最高車速和極限加速上有明顯提升;持續(xù)最高車速的情況下，電池不再提供動(dòng)力，且發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入直驅(qū)模式，太陽(yáng)輪鎖死，行星齒輪作為減速器，減速比為0.68，此時(shí)混動(dòng)車實(shí)際的工作方式與燃油車一致，兩者持續(xù)最高車速相同;最大爬坡度與一擋減速比有直接關(guān)系，燃油車一擋使用大速比，而混動(dòng)車選用的兩擋箱只用于提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，混動(dòng)車爬坡性能低于燃油車，但能夠滿足實(shí)際爬坡性能指標(biāo)。

CHTC-LT循環(huán)工況下，燃油車百公里油耗12.1L，與轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)綜合油耗結(jié)果值基本一致，混動(dòng)車百公里油耗為10.0L，節(jié)油率為17%，節(jié)油效果較好，考慮到制動(dòng)回饋、模式切換門限等策略因素對(duì)油耗都有影響，通過(guò)優(yōu)化控制策略能夠進(jìn)一步提升油耗。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)功率分流式構(gòu)型在輕型載貨汽車上應(yīng)用做了相關(guān)研究，分析了功率分流式構(gòu)型的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并使用仿真軟件建立了混動(dòng)模型及相應(yīng)控制策略，完成了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算，并和燃油車對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明，功率分流式構(gòu)型對(duì)于輕型載貨汽車綜合性能有顯著提高，具備很好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[5]石萬(wàn)凱，秦鵬飛，楊亞聯(lián)，羅才偉，邱紅友.新型動(dòng)力耦合系統(tǒng)工作模式分析與參數(shù)匹配研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2016，33（10）：5-10.

[6]GB/T 38146.2-2019 中國(guó)汽車行駛工況.