基于一種混動構型的某車型匹配分析研究

劉懷金

（精進電動科技股份有限公司，江蘇 南京 210037）

面對能源安全、環境污染和全球氣候變暖等形勢，發展新能源汽車已成為中國汽車工業的戰略方向。

近年來，國家以技術路線、法規標準以及補貼政策等方面，全面培育新能源市場的規模和技術的成熟度。其中，以純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車為代表的新能源車型，在市場和技術同時取得了不同程度的重大進展。

但現階段，用戶針對純電動汽車，存在里程焦慮 （電池能量密度低）和充電困難 （充電樁少、標準不統一）等問題。針對燃料電池，存在氫燃料加注困難 （幾乎無加氫站）、車輛安裝氫氣瓶的安全接受度和整車成本高等問題。而混合動力汽車，則彌補了兩者的缺點，既發揮了原傳統燃油車型的優勢，又對節能減排做出了貢獻，是目前新能源汽車中成熟度及接受度最高的產品。

1 混合動力構型的研究分析

1.1 新能源汽車的分類

新能源汽車目前分為3大類別：純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車，見圖1。本文中主要討論的是分類中的混合動力汽車。

本文不詳細介紹混合動力產品的發展歷史，主要針對可以代表目前市場上主流的混合動力構型進行分析介紹，以便于對混動構型的結構、差異及模式等有初步了解。

圖1 新能源汽車分類

1.2 典型混聯式構型介紹［1-3］

混合動力汽車一直是世界各國研究的重點，特別是在早期電池能量密度等技術上以及動力電池成本上未突破的前提下，均把混合動力產品作為主要技術路線。

在實現產業化的量產道路上，日本汽車公司走在了前面，技術最為成熟。豐田公司于1997年推出了第1代的混合動力量產車型Prius，并在2000年推向歐洲和美國市場；本田公司于1999年推出了混合動力量產車型insight，并于2002年在美國推出了混合動力車型Civic；在后面的幾年，美國汽車公司福特和通用也相繼推出了幾款混合動力車型；歐洲汽車公司由于對柴油機精細化的技術路線堅持，混合動力汽車技術相對日本和美國起步較晚，近幾年才加快對應技術的研發，推出了相應的混合動力產品；中國汽車公司，由于在傳統動力總成方面的技術差距等原因，導致混合動力技術研發更為滯后。但同時中國以比亞迪和上汽等為代表的整車企業以及精進電動等為代表的零部件企業，開始將混合動力汽車和系統推向市場。

市場上混動構型較多，下面主要選取3個有代表性的混動構型進行介紹，以了解混動的原理及構造。以豐田THS為代表的行星齒輪組構型、本田I-MMD平行軸系構型、和本文的同軸混聯構型進行介紹。

1.2.1 豐田THS構型

豐田Prius（Toyota Hybrid System，簡稱THS）核心部件是一套豐田公司稱為“動力分配器”的行星齒輪組。行星齒輪動力分流型的油冷雙電機系統是目前國際上最主流的深混和插電／増程動力方案。截止目前已經發展到第4代產品，構型見圖2。

圖2 豐田THS構型

前3代THS均采用發動機、電機ISG電機在同一側，TM電機在另一側，但與行星齒輪組三者同軸。第4代則采用了平行軸結構，結構更緊湊、質量更輕、降低了機械損失和提高了燃油效率等，整體性能得到提升。

下面以第3代為例進行各工況分析。

1）熱機工況。汽油機帶動行星齒輪座正向旋轉，外齒圈不動，行星齒輪座的正向旋轉會帶動4個行星齒輪反向旋轉，4個行星齒輪的反向旋轉帶動太陽輪 （ISG電機）正向旋轉，向動力電池充電。

2）起步工況。TM電機驅動 （帶動外齒圈正向旋轉，此時汽油機仍是同步帶動ISG電機發電）車輪。

3）加速工況。外齒圈的正向轉動速度與行星座相同時，行星齒輪停止自轉，只剩下公轉，行星齒圈座帶動汽油機啟動，分配扭矩到外齒圈 （驅動）和太陽輪 （發電）。

4）巡航工況。車輛扭矩需求降低，TM電機轉速大于汽油機轉速 （外齒圈的轉速高于行星齒輪座轉速）。此時TM電機為發電機模式，ISG電機 （太陽輪）作為電動機與汽油機一起驅動車輛。

5）倒車工況。外齒圈反轉帶動行星齒輪反轉，行星齒輪又帶動太陽輪正轉 （為空轉），此時行星座不動。如果電量不足，則汽油機啟動 （不影響外齒圈反轉和太陽輪正轉）向動力電池充電。

1.2.2 本田I-MMD構型

本田I-MMD （Intelligent Multi Mode Drive，智能化多模式驅動）系統。可以實現純電機驅動模式、混合模式和發動機驅動模式。構型見圖3。

圖3 本田I-MMD構型

1）純電動驅動模式。發動機不啟動，離合器斷開，TM電機直接驅動車輛前進或者后退。另外，車輛制動時具備能量回收模式。

2）混合動力驅動模式。發動機啟動，離合器斷開，發動機轉速運行在經濟轉速區，驅動ISG電機發電，通過動力電池提供給驅動電機，驅動車輛行進。車輛制動能量回收時，發動機根據對應控制停止運行，改善經濟性。

3）發動機驅動模式。發動機啟動，離合器結合，發動機驅動車輛。同時，在加速時電動機可以助力。

1.2.3 同軸混聯構型

串并聯機混動構型系統，通過一種電磁離合器的通斷，可以實現多種驅動模式，可最大限度地發掘發動機經濟油耗區，降低整車油耗。滿足多種專用功能需求。

此構型由發電機、離合器和電動機構成。發動機通過扭減或離合器和發電機進行耦合；發電機和電動機通過一個離合器進行耦合；電動機通過傳動軸連接車橋。

系統的耦合及解耦是通過離合器實現，從而實現不同模式切換。構型見圖4。

1）純電動工況。離合器分開，驅動電機直接驅動車輛運行。此時發動機根據車速、動力電池SOC值等判斷條件，軟件自動控制啟動或停機 （降低油耗）。

2）串聯驅動工況。離合器分開，此時發動機啟動，帶動ISG電機運行發電，實現給動力電充電，提供電能給驅動電機驅動車輛運行。

圖4 同軸混聯構型

3）回收制動工況。根據運行條件，離合器接合或分開。車輛運行時的制動等工況實現能量回收，給動力電池充電。

4）并聯驅動工況。離合器接合，根據車輛運行情況，軟件自行判定，啟動電機對行車過程中的發電或加速助力。

5）發動機直接驅動工況。離合器接合，此時電機均不起作用，僅隨發動機作為傳動的一部分一起驅動車輛的運行。

理解了上述3種具有代表性的混動構型基本結構和可以實現的運行模式后，針對目前市場上主流汽車公司推出的各種混合動力系統，基本上都可以較為清楚地去類比分析不同點與相同點了。

2 某車型的仿真匹配分析

此分析基于串并聯混動構型進行仿真分析。

2.1 仿真模型建立

該車型為4×2型物流車，基于串并聯的混動構型和對應的控制器策略［4-5］，以MATLAB軟件中的Simulink模塊進行仿真模型搭建［6］（此處不詳細討論建模過程）。

根據此車型的參數，按標準《GB／T 19752混合動力電動汽車 動力性能 試驗方法》和《GB／T 19754重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》標準執行。

2.2 車型基本參數及參數選擇

整車及選定的電機總成及傳動系統參數如表1所示。

參數的選定：①根據車型參數及整車性能目標，平衡動力性和經濟性目標為基礎；②在現有資源前提下，通過匹配選取不同參數進行仿真對比并優化；③通過結果對比評估，結合產品實際使用場合，最終選定了表1中的參數。

表1 參數表

2.3 仿真分析過程

針對整車，分別對動力性和經濟性進行了仿真［7-8］，具體過程如下。

2.3.1 動力性分析

本次仿真根據標準的加載條件并結合客戶的要求，仿真結果見表2。

以混動工況為例，動力性仿真圖 （純電和發動機直驅工況類似）見圖5。

圖5 加速性和最高車速

表2 動力性仿真值

2.3.2 經濟性分析

本車型按C-WTVC循環工況分析，分市區、公路和高速三段循環，分別在電量平衡條件下進行結果仿真，然后根據車型最大總質量對應的區間，按《GB／T 27840-2011重型商用車輛燃料消耗量測量方法》的規定，選取對應比例，進行加權計算最終結果。

現以市區循環為例進行說明。

1）市區循環工況總計900 s，循環過程中SOC保持平衡（插值法）。如圖6、圖7所示。

2）發動機始終工作在經濟高效區域，避免低負荷下效率較差的工況點，見圖8；驅動電機主要工作在中低負荷，工作點見圖9。

圖6 市區循環工況

圖7 SOC平衡圖

圖8 發電機運行點

圖9 驅動電機工作點

最后模型仿真得出SOC保持不變情況下，市區經濟性的仿真結果為6.45 L／100 km。同理得出公路經濟性為7.45 L／100 km，高速經濟性為9.20 L／100 km。

3）根據標準選取對應分配比例，加權綜合結果如下：

FC貨車綜合=FC市區×40%+FC公路×40%+FC高速×20%

=6.45×40%+7.45×40%+9.20×20%

=7.40 L／100 km

3 結束語

此文章針對具有代表性的混合動力構型進行了分析，并以某車型的性能仿真為示例，對仿真分析方法進行了介紹，得出了一些結論以及后續進一步的研究方向。

1）對典型混動構型的結構及運行模式進行了基本的分析說明，對于相關研究人員提供了基本的相關知識和信息。

2）建立了一個基于同軸混合動力構型的仿真模型，并可以有效真實地對重型車進行動力性和經濟性 （CWTVC循環）仿真分析，提高性能匹配的效率。

3）可以通過調節模型里的系統參數，平衡動力性和經濟性以及對結果趨勢的預判；還可以根據電機制動回收能力等參數來優化經濟性，提出對電機以及標定參數的要求。

4）提前通過仿真模型進行匹配分析，對系統的選型及車輛的前期設計，獲得充足的理論對比數據，可減少實車驗證時間，減少開發成本和提高開發效率。

5）因發動機轉速限制導致的最高車速較低，同時爬坡度較小。后續會選擇對此系統增加變速器的方向優化構型和仿真模型，平衡低速大扭矩爬坡和高速巡航車速要求。

6）考慮到汽油發動機布置空間、噪聲、排放、成本和效率map等優勢，選取一款小功率的汽油機進行匹配的方向研究。