插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與控制參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

舒紅，彭大，袁月會(huì)，袁景敏，李建鵬，徐知恩

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.陜汽歐舒特汽車(chē)股份有限公司，陜西，西安 710043）

近年來(lái)，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）因其可以使用外接電網(wǎng)充電，純電動(dòng)行駛里程長(zhǎng)，節(jié)油率高，成為許多國(guó)家新一代電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展計(jì)劃中實(shí)現(xiàn)車(chē)輛節(jié)能減排的重要技術(shù)途徑之一。如何優(yōu)化PHEV的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配和控制策略，是提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

王加雪等[1]運(yùn)用理論計(jì)算與實(shí)際循環(huán)工況功率需求分析相結(jié)合的方法對(duì)PHEV進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)功率匹配，結(jié)果表明該方法使整車(chē)功率匹配優(yōu)化。Karbowski和Sharer等[2-3]應(yīng)用全局最優(yōu)控制策略對(duì)PHEV在不同行駛循環(huán)工況下的性能研究表明，“混合控制”模式優(yōu)于“消耗-保持”模式。趙韓等[4]運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)主要影響燃油經(jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行了匹配和優(yōu)化，找出各因素影響的主次順序并得出其優(yōu)化水平，完成了對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。

在已經(jīng)研制成功的陜汽插電式混合動(dòng)力公交客車(chē)樣車(chē)基礎(chǔ)上，根據(jù)整車(chē)動(dòng)力性和純電動(dòng)里程新要求重新確定了PHEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方案，再利用正交試驗(yàn)方法，選取混合度、變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比和整車(chē)控制參數(shù)作為正交設(shè)計(jì)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以汽車(chē)行駛工況油耗最小為目標(biāo)，優(yōu)選出整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和控制策略參數(shù)的最佳匹配方案。利用基于Advisor軟件平臺(tái)建立的插電式并聯(lián)雙離合器混合動(dòng)力客車(chē)仿真模型，進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析。

1 整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇

1.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

陜汽歐舒特PHEV結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般情況下，汽車(chē)采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)起步并在低速時(shí)保持純電動(dòng)運(yùn)行模式，當(dāng)車(chē)速提高到中高速時(shí)，切換至純發(fā)動(dòng)機(jī)模式驅(qū)動(dòng)；當(dāng)遇到急加速或爬陡坡時(shí)，轉(zhuǎn)入混合模式驅(qū)動(dòng)；當(dāng)汽車(chē)減速制動(dòng)時(shí)，則切換至再生制動(dòng)能量回收模式。整車(chē)主要參數(shù)為：整備質(zhì)量m0=12 000 kg；滿載質(zhì)量m=16 500 kg；空氣阻力系數(shù)CD=0.65；迎風(fēng)面積A=7.85 m2；滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.011；傳動(dòng)效率ηt=0.85；車(chē)輪滾動(dòng)半徑r=0.47 m。整車(chē)的動(dòng)力性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 插電式并聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)排量對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大，為此選擇了兩種不同的設(shè)計(jì)方案。第1種方案是以滿足汽車(chē)最高車(chē)速行駛，同時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)爬坡的功率需求來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率，見(jiàn)式（1）。再加上發(fā)動(dòng)機(jī)附件和空調(diào)消耗功率，選取發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為 132 kW/2 500（r·min-1）。第 2種方案是根據(jù)汽車(chē)的最高車(chē)速確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并加上發(fā)動(dòng)機(jī)附件和空調(diào)消耗功率，選取發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為105 kW。

式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；va為行駛車(chē)速；g為重力加速度；α為道路坡度。

1.3 電機(jī)特性參數(shù)的選擇

針對(duì)所選擇的兩種發(fā)動(dòng)機(jī)排量，分別確定電機(jī)的性能參數(shù)。對(duì)于第1種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)，其搭配的電動(dòng)機(jī)連續(xù)功率應(yīng)滿足汽車(chē)純電動(dòng)最高車(chē)速要求，為此選取電機(jī)連續(xù)功率為50 kW，最大轉(zhuǎn)矩為340 N·m。電動(dòng)機(jī)的峰值功率和轉(zhuǎn)矩要滿足以下兩個(gè)條件：（1）滿足汽車(chē)全油門(mén)起步加速時(shí)，由靜止加速到50 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的加速時(shí)間要求。（2）滿足汽車(chē)在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況中運(yùn)行時(shí)的行駛功率和轉(zhuǎn)矩要求。經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)峰值功率選取為100 kW，最大轉(zhuǎn)矩為680 N·m。其余參數(shù)見(jiàn)表2。

對(duì)于第2種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)，所搭配的電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行功率要滿足汽車(chē)純電動(dòng)最高車(chē)速60 km/h的要求，同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)時(shí)汽車(chē)最大爬坡度的要求，再加上電動(dòng)空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向助力和制動(dòng)所消耗的功率，得電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的額定功率為75 kW，最大轉(zhuǎn)矩為475 N·m。電動(dòng)機(jī)峰值功率和轉(zhuǎn)矩的確定方法與前述相同，所得參數(shù)見(jiàn)表2。

電機(jī)作為發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行時(shí)，其功率特性應(yīng)滿足充電功率和再生制動(dòng)功率需求。經(jīng)計(jì)算，發(fā)電機(jī)特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 兩種方案的電機(jī)參數(shù)

1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的選擇

主減傳動(dòng)比i0按汽車(chē)的最高車(chē)速等于或略微小于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的車(chē)速來(lái)選取。

式中：np為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速。

傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比imax應(yīng)滿足汽車(chē)連續(xù)爬坡的要求。

上式中對(duì)于第1種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)Te=Temax，Tm=0。變減速器有3種規(guī)格，用B1、B2和B3表示，為可選用的變速器方案(見(jiàn)表3)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，與變速器B1、B2、B3分別聯(lián)合應(yīng)用，能同時(shí)滿足汽車(chē)的最高車(chē)速和最大爬坡度要求的主減速器傳動(dòng)比i0有3.909、4.88、5.13 3種規(guī)格，分別用C1、C2和C3表示,作為可選的設(shè)計(jì)方案。

表3 5擋變速器各擋傳動(dòng)比

1.5 動(dòng)力電池組的確定

蓄電池連續(xù)運(yùn)行額定功率和峰值功率以在荷電維持階段分別滿足牽引電動(dòng)機(jī)連續(xù)功率和峰值功率需求來(lái)確定，并加上電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、電動(dòng)空壓機(jī)等所消耗的功率。

蓄電池的額定容量和總能量根據(jù)汽車(chē)的純電動(dòng)里程確定，鋰電池的總電壓選擇為539.6 V，經(jīng)計(jì)算蓄電池組的容量為130 Ah，考慮到電池容量的衰減，選擇電池組的額定容量為150 Ah。蓄電池組的總能量由式（4）計(jì)算，為81 kWh。

式中：Wb為電池的總能量；vm為車(chē)速，vm=40 km/h；Sm為純電動(dòng)里程；SOC0為初始SOC；SOCf為終點(diǎn)處SOC。

1.6 混合度

為方便正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的計(jì)算，以反映發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)功率相對(duì)大小的混合度作為動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)。計(jì)算得兩種發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)設(shè)計(jì)方案的混合度分別為A1=27.5%，A2=40%，作為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的正交設(shè)計(jì)的可選設(shè)計(jì)參數(shù)。式（5）中A為混合度；Pm為電機(jī)連續(xù)功率；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

影響插電式混合動(dòng)力汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)因素主要有混合度、電池容量、電池組電壓、變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比等。考慮到電池容量和電池組電壓已經(jīng)選定，因此選擇混合度A、變速器傳動(dòng)比B和主減速器傳動(dòng)比C作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)控制參數(shù)選擇

2.1 整車(chē)控制策略

汽車(chē)控制策略可以根據(jù)車(chē)速、負(fù)載和蓄電池SOC值，來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和電池工作在高效率區(qū)域內(nèi)，降低整車(chē)燃油消耗。電力輔助控制策略[5]原理如圖2所示，控制邏輯見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]所述，電力輔助控制策略的控制變量見(jiàn)表4。

表4 電力輔助控制策略變量表

2.2 控制參數(shù)的選擇

整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件參數(shù)和控制參數(shù)的匹配直接影響汽車(chē)燃油消耗和排放，因此也將整車(chē)控制參數(shù)作為正交試驗(yàn)的因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。以城市公交車(chē)平均每天行駛42個(gè)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況（總里程246 km）為基準(zhǔn)，計(jì)算整車(chē)油耗，對(duì)整車(chē)控制參數(shù)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以總油耗最小為目標(biāo)優(yōu)選出最佳的設(shè)計(jì)方案。對(duì)表4中所示的5個(gè)控制變量在取值范圍內(nèi)選取多個(gè)不同數(shù)值，各控制參數(shù)的取值水平如下：cs_electric_launch_spd_1o取值范圍為[2 m/s,6 m/s]，用D表示，取4個(gè)水平[2 m/s，3.5 m/s，5 m/s，6 m/s]；cs_electric_launch_spd_hi取值范圍為[6 m/s，12 m/s]，用E表示，取4個(gè)水平[6 m/s，8 m/s，10 m/s，12 m/s]；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)區(qū)域工作，確定cs_off_trq_frac取值范圍為[0.3，0.6]，用F表示，取4個(gè)水平[0.3，0.4，0.5，0.6]；cs_min_trq_frac取值范圍為[0.3，0.75]，用G表示，取4個(gè)水平[0.3，0.45，0.6，0.75]；cs_chg_trq/min(fc_m-ax_trq)范圍為[0.1，0.4]，用H表示，取4個(gè)水平 [0.1，0.2，0.3，0.4]。

2.3 整車(chē)仿真模型的建立

運(yùn)用Advisor軟件進(jìn)行PHEV建模與仿真。通過(guò)在Advisor軟件現(xiàn)有單離合器并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)仿真模型基礎(chǔ)上，增加一個(gè)自動(dòng)離合器模塊，并修改整車(chē)和動(dòng)力系統(tǒng)各部件等模塊的仿真參數(shù)，建立了插電式雙離合器并聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)仿真模型[6]，如圖3所示。

3 插電式混合動(dòng)力客車(chē)參數(shù)正交設(shè)計(jì)

3.1 確定正交試驗(yàn)因素及水平

影響整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)共有8個(gè)，分別是混合度A、變速器傳動(dòng)比B、主減速器傳動(dòng)比C、車(chē)速限值(低SOC時(shí))D、車(chē)速限值(高SOC時(shí))E、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉轉(zhuǎn)矩系數(shù)F、發(fā)動(dòng)機(jī)最低工作轉(zhuǎn)矩系數(shù)G、充電轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下最大輸出的最小值之比H。將上述8個(gè)因素作為進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素，其中A為2水平，B、C為3水平，其余均為4水平的因素。

表5 正交設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

3.2 參數(shù)正交設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

根據(jù)3.1節(jié)所確定的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及其水平數(shù),選取混合正交表L32(21×32×46)[7]進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。空余的X列可以作為反映隨機(jī)誤差的大小或交互作用，正交設(shè)計(jì)方案及42個(gè)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下油耗仿真結(jié)果見(jiàn)表5，其中循環(huán)工況起始時(shí)電池SOC為95%，結(jié)束時(shí)SOC為 25%。

由 表 5可 見(jiàn) ,第 26號(hào)（A2B3C3D2E1F3G3H1）設(shè)計(jì)方案的油耗45.89 L為最小油耗，但并不是其最優(yōu)組合。由效應(yīng)曲線圖4可知其最佳方案為A2B2C3D2E1F2G4H1。

上述最佳方案在正交試驗(yàn)表中未列出,由效應(yīng)曲線圖可以看出各控制參數(shù)D、E、F、G和H的取值還可以進(jìn)一步優(yōu)化，于是在最佳方案中的每一個(gè)控制參數(shù)取值附近再各取4個(gè)值，對(duì)控制策略進(jìn)行第2次正交試驗(yàn)優(yōu)化。選取D的4個(gè)水平為[3.3 m/s，3.5 m/s，3.9 m/s，4.3 m/s]；E的4個(gè)水平為[5.8 m/s，6 m/s，6.4 m/s，6.8 m/s]；F的4個(gè)水平為[0.37，0.4，0.43，0.46]；G的4個(gè)水平為[0.67，0.71，0.75，0.79]；H的4個(gè)水平為[0.1，0.12，0.14，0.16]。

選取L16(4)5正交表安排仿真，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 二次正交設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

第2次正交試驗(yàn)的因素與指標(biāo)的效應(yīng)曲線圖如圖6所示。由表6和圖5可以看出，第2次正交試驗(yàn)中各因素的調(diào)整對(duì)油耗影響不大，且通過(guò)效應(yīng)曲線圖可知，其最優(yōu)組合方案為D4E4F3G4H2，仿真油耗為45.81 L，最終選取參數(shù)和優(yōu)化前參數(shù)如下。

參 數(shù) 優(yōu)化后/優(yōu)化前數(shù)值發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率 105 kW/132 kW電機(jī)額定功率 75 kW/50 kW電機(jī)峰值功率 150 kW/100 kW主減速傳動(dòng)比 5.13/5.13 5擋變速器型號(hào) B2/ B3 cs_electric_launch_spd_1o 4.3（m·s－1）/4.17（m·s－1）cs_electric_launch_spd_hi 6.8（m·s－1）/9.72（m·s－1）cs_off_trq_frac/ 0.43/0.28 cs_min_trq_frac 0.79/0.3 cs_chg_trq/min(fc_max_trq)0.12/0.2

4 整車(chē)性能仿真分析

（1）采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)選出的整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)，在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真, 圖6是兩個(gè)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下的仿真結(jié)果圖。

（2）在42個(gè)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果見(jiàn)表7，表明其動(dòng)力性完全滿足要求。百公里油耗為18.6 L，與參數(shù)優(yōu)化之前的車(chē)型相比(19.7L/100 km)，油耗降低5.58%,燃油消耗有明顯降低。

表7 仿真結(jié)果

圖7—圖9所示為42個(gè)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布圖和電池SOC變化曲線圖。由圖7可知，電機(jī)的正負(fù)轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)主要集中在高效率區(qū)域，說(shuō)明整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)匹配能夠很好地滿足動(dòng)力與制動(dòng)能量回收的需要。由圖8可知，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)主要集中在燃油消耗率比較低的中高負(fù)荷區(qū)域附近，說(shuō)明制定的控制策略能使發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間工作在高效率區(qū)域，提高了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。由圖9可知，當(dāng)電池SOC大于25%時(shí)，處于荷電消耗階段，降到25%時(shí)，轉(zhuǎn)入荷電維持階段。

5 結(jié)論

（1）整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和控制策略直接影響汽車(chē)燃油消耗和排放。根據(jù)整車(chē)動(dòng)力性和純電動(dòng)里程要求確定了插電式并聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方案。選取PHEV混合度、變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比和整車(chē)控制策略參數(shù)作為正交設(shè)計(jì)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以汽車(chē)行駛工況油耗最小為目標(biāo)，優(yōu)選出整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和控制策略參數(shù)的最佳匹配方案。

（2）基于電動(dòng)汽車(chē)仿真分析軟件Advisor，建立了插電式并聯(lián)雙離合器混合動(dòng)力客車(chē)仿真模型。采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)選后的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和控制策略參數(shù)，對(duì)整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)優(yōu)化匹配合理，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。在42個(gè)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下百公里油耗為18.6 L，與參數(shù)優(yōu)化之前的車(chē)型相比，油耗降低5.58%。

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