混合動力車輛動力技術對比研究

謝召艷

（西安航空職業技術學院 陜西 西安 710089）

引言

現代動力傳動系統的基本功能是在提供高效率和良好的行駛質量的同時，將轉矩傳遞給輪胎接口。車輛控制系統（包括液壓離合器控制），必須提供理想的發動機控制和傳輸速度和轉矩，在換擋期間以達到最好的可能結果。車輛位移瞬變是指速度、轉矩和轉動慣量的不連續性的結果。為了減少動力車輛的瞬態響應，必須將這些不連續點降至最低，一種溫和的混合動力電動車輛能夠提高駕駛舒適性、改變質量和提高駕駛性能和降低制造成本。這種結構要求在輸出軸上安裝一個低功率電動機，并連接到一個受控電源；這種配置可以增加動力總成的功能，同時減少換擋時的轉矩孔，提高駕駛性能[1-3]。

主電機控制器的主要輸入信號是：離合器位置，ICE負載（從速度和節氣門角度計算）和選定的擋位。電機的功能是通過在離合器分離時提供牽引力來消除或減小換擋期間的轉矩孔，并且還為轉矩振蕩提供阻尼，特別是在換擋和起步（反沖擊）期間，在某些駕駛情況下，電動機也可以用作發電機。

混合動力汽車的主要趨勢旨在提高換擋質量，增加動力系統的混合動力或電氣化。通過應用精確的瞬態離合器控制技術，可以在不使用液力變矩器的情況下提高換檔質量。在換擋過程中容易產生振蕩，這些振蕩是噪聲、振動和粗糙（Noise、Vibration、Harshness，NVH）的來源。在這些情況下，NVH的阻尼來源于扭振吸收器和離合器、傳動部件和差速器中的摩擦損失。由于從動總成系統中消除了液力變矩器，阻尼減少，但是，通過使用手動變速箱（Manual Transmission，MT）齒輪系，實現了高效率的變擋。在混合動力電動車輛（Hybrid Electric Vehicles，HEV）動力系統中，可以控制電機輸出轉矩以快速抑制動力系瞬態振蕩，這種控制技術通常被稱為“反沖擊”。車輛動力傳動系控制的建模和分析對于近年來變速器的發展至關重要。

本文研究了前輪驅動輕度混合動力傳動系的動力學。提出了具有多個自由度系統的綜合分析，并且所得到的運動方程組可以很容易地集成到車輛模型中。通過廣義牛頓第二定律來推導模型，對動力總成進行建模的目的是在使用電驅動裝置時識別可能的改進。通過對混合動力系統與傳統的手動變速箱傳動系統相比較，重點分析了較低擋位的性能，這是由于在較低擋位時，傳遞到驅動軸的轉矩更大，軸的偏轉也更大。這種較大的偏轉意味著在較低的傳動比下軸扭轉較高，產生較大的振蕩。

1 混合動力車輛動力系統建模研究

發動機的簡化模型在建模和控制應用程序中很常用，包括經驗模型以及更詳細的動態研究，這些研究使用基于發動機燃燒的轉矩變化用于瞬態動力系研究。本文所開發的模型利用三維查找表的簡單發動機元件，這個元素被插入到兩個動力傳動系模型中，這兩個模型將在本節中介紹。車輛動力總成系統轉矩可通過以下模型進行表示，包括平均發動機轉矩、分段離合器模型，車輛阻力轉矩和電機轉矩模型等。

1.1 混合動力系統配置

圖1給出了一種基本的輕度混合動力系統結構圖，其利用永久耦合到變速器輸出軸的電機（EM）。

圖1 混合動力系統結構圖

這種配置允許EM直接驅動車輪，由于電機位于變速器的下游，因此它通過主減速器與車輪具有固定的恒定速比。在變速箱模型中，齒輪1、2、3、4和5（G）連接到輸入和輸出軸，并通過閉合的離合器（C）驅動，同步器用S表示。在傳統手動變速器中，必須在同步之前松開離合器，將同步器與發動機慣性隔離。動力傳動系統的性質要求在發動機和變速箱之間連接一個干式離合器，如圖2所示，來自聯軸器的阻尼必須在系統中加以識別，這種阻尼與連接離合器片的的螺旋彈簧以及各個片段在相對移動時彼此之間的摩擦有關[4-7]。

圖2 車輛離合器組成結構圖

以下給出混動車輛電機選擇過程的詳細說明，這種車輛配置的明顯局限在于，不可能將EM與車輪隔離開來，因此在電動機慣性滑行時存在附帶損失，換擋過程中的速度同步使用手動變速箱中常用的標準同步器完成，具有低成本和高可靠性。在研究過程中由于所提出的HEV系統的性質，可以通過拆除同步器來節省材料，而使用電子節氣門控制來實現速度同步，可以以非常高的準確度實現速度同步。

動力系統可在較大的運行速度下提供轉矩并將其傳送到路面上。因此，必須考慮驅動轉矩、齒輪減速和車輛阻力轉矩，以精確模擬動力傳動系統。動力系統是一種簡單的后變速器并聯混合動力配置，它采用了一個低功率的四缸發動機，通過一個機器驅動的離合器連接到一個五速手動變速箱，在最終傳動之前，電動機通過與變速器輸出軸進行連接實現動力傳輸。在實際的車輛動力研究過程中需要考慮發動機模型、電機模型、動力系統慣性模型和車輛阻力矩模型等[8-9]。

1.2 動力總成模型研究

利用高階動力總成模型的集總參數方法構建高階動力傳動系統模型，利用動力傳動系的軸剛度和旋轉慣性特征，結合物理布局，為不同動力傳動系配置生成具有代表性的模型。動力總成模型使用扭轉集中參數來捕捉系統的換擋特性，慣性元件代表動力總成的主要部件，如發動機、飛輪、離合器鼓、離合器片、帶主減速器的同步器、軸、差速器、電動機、車輪和車輛慣性等。這些元件受到各種負載如滾動阻力和空氣拖曳力，扭轉軸剛度由連接主要部件的彈簧元件表示，損耗表示為阻尼元件。

圖3顯示了安裝在前輪車輛上的電機的模型布局，可以應用假設來降低動力總成的復雜性。首先是將變速器中的空轉齒輪的慣性，主齒輪和同步器慣性集中在一起，從而消除了傳動部件；然后假定齒輪中沒有齒隙，也沒有嚙合同步器，從而消除了模型中的高剛度元件，這個假設減少了計算需求；最后車輪和車軸的對稱性可以將這些慣性集中在一起，作為一個單一元件，對變速箱和差速器的附加損耗與接地減振元件進行建模。

圖3 集中參數模型適用于配備HEV的動力總成

式（1）定義了廣義的運動方程：

式中：I是以kg·m2為單位的慣性矩陣，C是以Nm·s/rad為單位的阻尼矩陣，K是以Nm/rad為單位的剛度矩陣，T是以Nm為單位的轉矩矢量，θ是以rad為單位的旋轉位移，θ˙是以 rad/s為單位的角速度，θ¨是以rad/s2為單位的角加速度；傳動比減速副和最終傳動副的齒數比表示為γ。每個元件的運動方程是：

如果離合器接合，則方程（4）和（5）統一，并且離合器構件的慣性結合。方程（11）是所得到的運動方程，在接合離合器的情況下，系統的總自由度減少。如果離合器分離，則系統具有八個自由度，而如果離合器接合，則只有7個自由度。

混合動力汽車的靈活性允許發動機/電機配置的多種選擇，這種配置靈活性可以研究不同配置對車輛性能和瞬態振動抑制的影響。在如圖1所示的建議配置中，使用用于功率轉換的恒定齒輪比，電機將定位在變速器輸出軸上，如圖3所示。混合動力汽車動力總成的配置取決于一系列設計考慮因素，最終決定組件的布局，互連和大小。當考慮混合動力系統時，引入式（10）并且用式（8）代替分析傳統動力系時使用的式（7）。

2 2種動力技術對比研究

混動車輛控制策略與變速控制相結合需要考慮許多因素，包括離合器位置、擋位狀態、發動機轉速、節氣門位置和傳動軸速度。本節通過2種動力技術進行模擬研究，即使用驅動器在回路或開環電子控制來控制離合器和齒輪驅動，這2種方法都具有時間和成本效益，并且均可較簡單地應用于自動化系統，而無需進行任何修改。本文對混合動力車輛的幾種動力技術進行對比研究，主要是車輛控制策略的分析對比。首先是內燃機（internal combustion engine，ICE）啟動，該方式主要在車輛初始啟動時使用；第二和第三是加擋，減擋過程。在ICE啟動期間，車輛可以3種模式供電：僅通過發動機、通過發動機和電動機、僅通過電動機；在第一種（僅發動機）模式中，第一擋接合，并且離合器打開，從而沒有轉矩傳遞到車輪；當離合器開始接合時，由于作用在其摩擦表面上的軸向負載，通過輸入軸發生向第一齒輪組的漸進轉矩傳遞，然后系統將控制權交給“升級”制度。

通常情況下，會使用ICE啟動的純電動模式，這些情況包括合適的高SOC，怠速啟停已經停止發動機和來自駕駛員的低轉矩請求；在這種情況下，二擋以零速接合，并且離合器打開，使得它不會由電動機驅動發動機。電機提供所需轉矩的100%，直到換擋計劃需要切換到二檔，或者低SOC導致發動機起動，此時，發動機啟動，系統切換到“升擋”控制模式，已經預先選擇了所需的擋位。在駕駛員提出高轉矩要求的情況下，ICE啟動可以使發動機和電動機都使發動機從靜止狀態推進；因為在高轉矩時，1-2轉矩孔不能被電機完全充滿，所以可以通過以最大轉矩操作電機直到1-2擋完成，使其最小化。這一控制策略能夠最大限度地提高駕駛性能，每當需要更高的擋位時，就會使用升擋機制，如圖4所示為車輛換擋時間表。

圖4 車輛換擋時間表

手動變速箱同步器用于匹配目標擋位的速度并將其物理鎖定到軸上。同步器由一個爪形離合器和一個錐體組成：爪形離合器在錐體之后嚙合并使齒輪達到軸的速度，同步器在加速車輛方面提供更好的性能，并且在換檔期間沒有連續的轉矩傳遞的情況下更舒適地駕駛；當同步器與電動轉矩填充器相結合時，硬件理想情況下不會導致路面牽引力矩的損失，還可以通過減少離合器摩擦片的磨損從而減少維護，更好地將發動機轉速同步到變速箱速度。

根據以上提出的控制策略分別采用仿真模擬的方式進行性能測試。

圖5顯示了在最大節氣門條件下0～100 km/h的加速期間車輛的速度。

與傳統動力系統相比，通過模擬以評估該車輛基準測試的性能提升，在換擋過程中，實施了轉矩-填充控制方法。除了換擋期間，油門保持固定在100%開度。該仿真結果表明，使用轉矩補充傳動系統加速時間縮短了大約1.5 s，并且每次換擋期間的減速度都顯著降低。

圖5 ICE和混動車型的0～100 km/h加速度比較

圖6 表示在按照圖2所示動力結構體系下的0～100 km/h行駛循環之后，當從第二擋向第五擋升擋時，傳統和混動傳動系統的輸出軸轉矩對比。

圖6 0～100 km/h加速周期內的輸出軸轉矩曲線

在每次升擋事件中，都有3個離散的轉矩振蕩響應，分離離合器引起第一轉矩激勵，當離合器打開時，發動機和飛輪的慣性與變速器分離；這種慣性的突然變化引起轉矩響應的激勵，同步齒輪導致第二個較小的激勵。當前一擋失步，下一擋鎖定在輸出軸上時，由于同步器吸收的能量以及風阻和軸承損失，會導致副軸速度發生變化，當離合器重新接合時會發生第三次尖峰。圖中清楚地顯示了輸出軸上的轉矩激勵，比較原動力傳動系和轉矩補充傳動系的轉矩分布，當系統以轉矩補給模式運行時，顯示轉矩孔減少了約175 N·m，并且振蕩峰顯著減小。

3 結論

混合動力系統已經成為業界的主要研究對象，本文對常見的混動動力模式進行分析研究，對通用的混動系統進行了介紹，其集成了一臺電動機，通過減少換擋期間的轉矩孔來提供駕駛性能和舒適性，采用電動機需要開發車輛換擋控制策略，以通過在由換擋引起的瞬時振動期間主動控制電動機輸出來提高動力系統阻尼的性能。通過對轉矩補充傳動系統可以與自動手動變速箱和傳統手動變速箱同樣成功使用，證明了電機的功率和占空比限制了其他系統組件（如電池和變流器）的尺寸和成本。