一種三模式混合動力汽車的行車工況簡要分析

孟祥飛，王微，徐元利，王仁廣

(1.天津科技大學機械學院，天津 300457；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

混合動力汽車動力總成功能的開發是根據汽車具體應用情況確定的。這種應用實際上就是使用工況，而汽車的實際使用工況是多種多樣的，甚至說是復雜的。在確定汽車使用情況時,由于需要考慮實際使用環境、操作狀態、駕駛員操作相互作用等因素，必須把所有可能的情況都考慮到。對于具體的混合動力汽車，需要根據其實際的操作模式，逐一分析。從大的方面來說實際情況可以分為行駛使用情況、非行駛使用情況、濫用情況、環境相關使用情況、及特定使用情況等多個方面。混合動力汽車實際使用情況主要包括原地停車、起步、加速、等速 、減速等，而減速又分為空擋滑行、帶擋滑行、制動3種情況。文中主要結合一種三模式構型的混合動力總成，對其驅動使用工況進行詳細討論。

1 混合動力總成構型介紹

三模式總成的主要結構基本同參考文獻[1]中的結構接近，具體如圖1所示。主要組成部分有一個發動機ICE(Internal Combustion Engine)、第一電機M1、第二電機M2、第一行星排P1、第二行星排P2、動力電池B、以及位于電池和電機間的逆變器等。其中的主要差別在于新的結構中加入了兩個離合器，通過添加兩個離合器可以進一步提高總成的性能。兩個離合器在控制系統指令下結合或者松開來控制第一行星排的相應部件，從而實現電動驅動(E模式)、動力分配式混合動力驅動(H 模式)、并聯混合動力驅動 (C 模式)3個驅動形式。

圖1 三模式HEV總成結構簡圖

三模式HEV(Hybrid Electric Vehicle)總成能夠通過兩個離合器的控制來實現3種不同的驅動模式。其中E模式主要用在低速和汽車起步情況下，同時要動力電池的SOC處在比較充足的電量情況下。在E模式下C1結合，發動機處于關閉狀態，發動機的轉動被鎖止，第一行星排P1的行星架被鎖止，這種情況下兩個電機都可以參與車輛驅動。H模式是一種發動機的動力分割模式。在常規的動力分割模式下，電機M1用作發電機來調節發動機的轉速。發動機的動力被分割成齒圈和太陽輪兩個方向向外傳遞，大部分通過P1的齒圈傳遞到車輛驅動軸，另一部分通過P1的太陽輪傳遞到電機M1驅動其發電，是實際上的功率耦合[2]。H模式適合用于較高車速下，發動機可以直接輸出來單獨驅動車輛，相當于傳統車輛的直接擋。在C模式下，實際是一種并聯混合動力模式，兩個電機的工作狀態根據需要可以分成用作助力電機還是動力分割電機，其轉速不可調，單扭矩可調，是實際意義上的扭矩耦合狀態。

2 驅動使用工況

驅動使用工況是汽車實際使用的主要方面之一，通過駕駛員同車輛的交互作用來實施目標動作，這些動作同汽車行駛情況的具體方面直接對應。下面分具體工況進行說明。

2.1 原地停車

(1)發動機停機。車速為0；擋位可能處在任何可能位置；制動踏板可以踩下或不踩；加速踏板松開；沒有機械功率傳遞到車輪上；電力能源是高壓電池，它為車上高低壓負載供電；變速器和電機都無動力輸出。

(2)發動機工作。車速為0；如果變速桿在D/R位置，則制動踏板踩下；變速桿在其他位置時，制動踏板可能踩下或不踩；無機械功率輸出到車輪；電力能源來自發動機(發動機驅動發電機)，電池SOC不變。變速器處在功率分配混動模式下，發動機可能帶動發電機發電，為DC/DC和高壓附件供電。

(3)發動機發電。車速為0；變速桿處于可能位置；如果在D/R位置，制動踏板踩下，其他位置可以不踩；當在D/R位置時，踩下加速踏板，電能來自發動機，動力電池充電。

(4)外部充電。車速為0；變速桿在P，車內無人，加速和制動踏板都不踩；無機械功率輸出、電能來自外部電網，電網為動力電池充電；動力電池通過DC/DC為車載電壓系統供電。

2.2 純電驅動

汽車通過電機驅動前進或倒車；制動踏板松開、變速桿位于D/R，加速踏板踩下；機械功率來自電動機，電能來自動力電池，動力電池SOC下降；發動機處于關閉狀態。純電動模式下，動力電池SOC必須高于設定值，車速可能只能低于一個設定值，具體取決于動力電池和電機的大小。

2.3 H模式驅動

汽車處于H驅動模式，發動機工作在功率分配模式，電機工作具體取決于汽車運行狀態和混動系統狀態。該模式可以實現較好驅動和較高燃油效率，常用在SOC較低、車速處于中低速情況下。

(1)發動機開，常規運行。在這種情況下，汽車運行在中低速度和中高驅動功率狀況。制動踏板松開、加速踏板踩下，變速桿位于D/R。車輛驅動功率來自發動機和電動機，另外一個電機發電。根據具體情況，動力電池可能充電或放電。這種發動機開的混動模式使用時SOC可能較低。

(2)發動機開，低負荷巡航。這種情況下，汽車運行在中低車速和中低功率需求狀態。其他情況跟上面的情況基本相同。

(3)發動機關。這種發動機關的混動模式只用在低車速和低功率需求情況下。車輪驅動功率來自電機，動力電池放電。

2.4 C模式驅動

這種模式下，汽車行駛主要依靠發動機，電機可能電動或發電，車速恒定或者在高于設定值時增速。制動踏板松開、變速桿位于D、加速踏板踩下。

(1)并聯常規驅動。汽車行駛只依靠發動機驅動，同時發動機帶動電機發電給高壓負載供電但動力電池不充電，車速恒定或者高于設定值時增速。這種情況主要用在高中速巡航模式下，SOC較高。

(2)并聯驅動和充電。汽車行駛只依靠發動機驅動，電機發電給動力電池充電和高壓負載供電，車速恒定。這種情況主要用在高中速巡航時功率需求中等且SOC較低時。

(3)電機助力驅動。汽車行駛主要依靠發動機，電機輔助驅動，車速加速。動力源為發動機和電機，電力能源為動力電池。這種情況下主要用在車速較高和功率需求較大時。

2.5 減速

(1)回饋-發動機關閉(H模式)。汽車混動驅動情況下開始減速，發動機關，制動踏板踩下，變速桿處于D/R，加速踏板松開，動力源來自驅動車輪(車輛動能)。但電機發電，動力電池充電。在這種情況下動力電池SOC必須高于最低設定值，否則發動機會起動。

(2)回饋-發動機關閉(E模式)。汽車純電驅動情況下開始減速，發動機關，制動踏板踩或不踩，變速桿位于D/R，加速踏板松開。動力源來自車輪，雙電機發電，動力電池充電。

(3)回饋-發動機開(H模式)。汽車減速行駛，制動踏板松開或踩下，變速桿位于D/R，加速踏板松開。動力來自車輪，一個電機發電為系統供電或充電(發電足夠的話)，另外一個電機由發動機帶動發電。

(4)回饋-發動機開(C模式)。汽車減速行駛，發動機處于斷油模式；制動踏板松開或踩下，變速桿位于D/R，加速踏板松開；動力來自車輪，電機發電，電池充電。

(5)空擋滑行。汽車減速行駛，空擋；制動踏板踩下或松開，加速踏板踩下或松開；機械動力來自車輪，電力能源是高壓電池，電機不發電；發動機可以是開或者關兩種可能狀態。

2.6 發動機起動/停機

2.6.1 發動機起動

(1)停車時的發動機起動。此時車速為0；變速桿位于處于P位置，制動踏板踩下或松開，加速踏板松開。無機械功率輸出到車輪。發動機起動前的能量來自動力電池，之后來自發動機。

(2)行駛狀態下發動機起動。汽車電動行駛到一定車速以上，制動踏板松開，變速桿位于D/R，加速踏板踩下。機械功率來自電機。發動機起動之前的電力能源為高壓動力電池，之后為發動機和動力電池。SOC必須高于最低限值。

(3)回饋狀態下發動機起動。汽車在平路面上電動行駛開始減速，加速踏板松開，變速桿位于D。制動踏板踩下或松開(擋位結合)，動力源為驅動車輪，電力能源為電機。

(4)常規發動機起動。汽車停車；制動踏板踩下或松開，變速桿位于D/R，加速踏板踩下或松開。發動機通過常規的低壓起動機起動，這種起動方法作為一種發動機備用起動方法，在電機起動不可使用情況下采用。

(5)推車起動。汽車在擋位結合狀態下，靠外力推動車輛，通過車輪旋轉來起動發動機。這種情況下很少使用。

(6)跨接起動。通過外部搭線來起動發動機，需要借助同系統電壓相同的汽車或設備來完成。

2.6.2 發動機停機

(1)停車狀態下的發動機停機。車速為0；變速桿處于可能位置，制動踏板踩下或松開，加速踏板松開。沒有機械功率輸出到車輪。發動機發電，電力能源來自發動機，SOC不變。電機在發動機停機時提供阻力距使得發動機平穩減速。這種停機模式由駕駛員觸發。

(2)行駛狀態下發動機停機。汽車通過發動機驅動行駛，制動踏板松開，變速桿處于D/R位置，加速踏板踩下。汽車動力來自發動機和電機，車輛滿足純電驅動的所有條件，發動機停機。

(3)回饋模式下發動機停機。在平路上汽車通過發動機驅動，開始減速，加速踏板松開，變速桿位于D，制動踏板踩下或松開。機械動力來自車輪，電能來自電機，滿足純電行駛的所有條件，發動機停機。

(4)緊急情況下發動機停機。如果系統檢測到嚴重故障或者遇到嚴重安全問題，發動機緊急停機觸發，此時的發動機停機不受邊界條件限制。

3 其他情況

(1)非驅動使用工況。混合動力汽車在非行駛情況下，具體使用情況內容也非常繁雜，主要有汽車停車、汽車模式選擇、汽車上電、汽車下電、駕駛員乘客保護、舒適要求、環境適應、防盜、儲存、車輛維護、修理、生產、試驗臺測試、報廢處置、拖車等情況。

(2)濫用情況。濫用情況實際上是不正常和錯誤操作，但實際使用情況下也可能遇到，設計時也需要仔細考慮。主要有行車時同時踩下加速/制動踏板、變速桿誤操作、行車時上電、行車時斷電、行車時施加駐車制動、碰撞、超載行駛、加錯機油、加錯燃料、缺少機油、燃料不足、冷卻液缺失、行駛時開門、無駕駛員情況下行車、胎壓不合適情況下行車、 拖拉其他車輛、被其他車輛拖車、運輸不當、被盜等情況。

(3)使用場景相關的使用情況。這在汽車實際行駛中都可能遇到。 如白天、夜晚，直路、彎路，瀝青路、混凝土路、泥土路、沙子路，平路行駛、上坡、下坡，潮濕路面、干燥路面、雪路面、冰路面，高速、鄉村公路等,設計時也要加以考慮。

4 結束語

介紹一種三模式混合動力總成，并以此為基礎較為詳細地介紹了其實際行駛模式，并簡要介紹了非驅動情況、濫用情況和使用場景相關情況，有助于對實際工作模式的準確理解，同時對控制策略的確定也有輔助作用。

參考文獻:

[1]WANG R G,ZHANG L T,YU C,et al.Development of a New Type Power Train for HEV[J].Advanced Materials Research,2013,694/695/696/697:1587-1590.

[2]趙航，史廣奎.混合動力電動汽車技術[M].北京：機械工業出版社，2012.