基于一種混動(dòng)構(gòu)型的某車型匹配分析研究

劉懷金

（精進(jìn)電動(dòng)科技股份有限公司，江蘇 南京 210037）

面對(duì)能源安全、環(huán)境污染和全球氣候變暖等形勢(shì)，發(fā)展新能源汽車已成為中國(guó)汽車工業(yè)的戰(zhàn)略方向。

近年來，國(guó)家以技術(shù)路線、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以及補(bǔ)貼政策等方面，全面培育新能源市場(chǎng)的規(guī)模和技術(shù)的成熟度。其中，以純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車為代表的新能源車型，在市場(chǎng)和技術(shù)同時(shí)取得了不同程度的重大進(jìn)展。

但現(xiàn)階段，用戶針對(duì)純電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一）等問題。針對(duì)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(dòng)力汽車，則彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)，既發(fā)揮了原傳統(tǒng)燃油車型的優(yōu)勢(shì)，又對(duì)節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)，是目前新能源汽車中成熟度及接受度最高的產(chǎn)品。

1 混合動(dòng)力構(gòu)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(dòng)汽車、混合動(dòng)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(dòng)力汽車。

本文不詳細(xì)介紹混合動(dòng)力產(chǎn)品的發(fā)展歷史，主要針對(duì)可以代表目前市場(chǎng)上主流的混合動(dòng)力構(gòu)型進(jìn)行分析介紹，以便于對(duì)混動(dòng)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)、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(lián)式構(gòu)型介紹［1-3］

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

在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的量產(chǎn)道路上，日本汽車公司走在了前面，技術(shù)最為成熟。豐田公司于1997年推出了第1代的混合動(dòng)力量產(chǎn)車型Prius，并在2000年推向歐洲和美國(guó)市場(chǎng)；本田公司于1999年推出了混合動(dòng)力量產(chǎn)車型insight，并于2002年在美國(guó)推出了混合動(dòng)力車型Civic；在后面的幾年，美國(guó)汽車公司福特和通用也相繼推出了幾款混合動(dòng)力車型；歐洲汽車公司由于對(duì)柴油機(jī)精細(xì)化的技術(shù)路線堅(jiān)持，混合動(dòng)力汽車技術(shù)相對(duì)日本和美國(guó)起步較晚，近幾年才加快對(duì)應(yīng)技術(shù)的研發(fā)，推出了相應(yīng)的混合動(dòng)力產(chǎn)品；中國(guó)汽車公司，由于在傳統(tǒng)動(dòng)力總成方面的技術(shù)差距等原因，導(dǎo)致混合動(dòng)力技術(shù)研發(fā)更為滯后。但同時(shí)中國(guó)以比亞迪和上汽等為代表的整車企業(yè)以及精進(jìn)電動(dòng)等為代表的零部件企業(yè)，開始將混合動(dòng)力汽車和系統(tǒng)推向市場(chǎng)。

市場(chǎng)上混動(dòng)構(gòu)型較多，下面主要選取3個(gè)有代表性的混動(dòng)構(gòu)型進(jìn)行介紹，以了解混動(dòng)的原理及構(gòu)造。以豐田THS為代表的行星齒輪組構(gòu)型、本田I-MMD平行軸系構(gòu)型、和本文的同軸混聯(lián)構(gòu)型進(jìn)行介紹。

1.2.1 豐田THS構(gòu)型

豐田Prius（Toyota Hybrid System，簡(jiǎn)稱THS）核心部件是一套豐田公司稱為“動(dòng)力分配器”的行星齒輪組。行星齒輪動(dòng)力分流型的油冷雙電機(jī)系統(tǒng)是目前國(guó)際上最主流的深混和插電／増程動(dòng)力方案。截止目前已經(jīng)發(fā)展到第4代產(chǎn)品，構(gòu)型見圖2。

圖2 豐田THS構(gòu)型

前3代THS均采用發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)ISG電機(jī)在同一側(cè)，TM電機(jī)在另一側(cè)，但與行星齒輪組三者同軸。第4代則采用了平行軸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕、降低了機(jī)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(jìn)行各工況分析。

1）熱機(jī)工況。汽油機(jī)帶動(dòng)行星齒輪座正向旋轉(zhuǎn)，外齒圈不動(dòng)，行星齒輪座的正向旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)4個(gè)行星齒輪反向旋轉(zhuǎn)，4個(gè)行星齒輪的反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)太陽(yáng)輪 （ISG電機(jī)）正向旋轉(zhuǎn)，向動(dòng)力電池充電。

2）起步工況。TM電機(jī)驅(qū)動(dòng) （帶動(dòng)外齒圈正向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)汽油機(jī)仍是同步帶動(dòng)ISG電機(jī)發(fā)電）車輪。

3）加速工況。外齒圈的正向轉(zhuǎn)動(dòng)速度與行星座相同時(shí)，行星齒輪停止自轉(zhuǎn)，只剩下公轉(zhuǎn)，行星齒圈座帶動(dòng)汽油機(jī)啟動(dòng)，分配扭矩到外齒圈 （驅(qū)動(dòng)）和太陽(yáng)輪 （發(fā)電）。

4）巡航工況。車輛扭矩需求降低，TM電機(jī)轉(zhuǎn)速大于汽油機(jī)轉(zhuǎn)速 （外齒圈的轉(zhuǎn)速高于行星齒輪座轉(zhuǎn)速）。此時(shí)TM電機(jī)為發(fā)電機(jī)模式，ISG電機(jī) （太陽(yáng)輪）作為電動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛。

5）倒車工況。外齒圈反轉(zhuǎn)帶動(dòng)行星齒輪反轉(zhuǎn)，行星齒輪又帶動(dòng)太陽(yáng)輪正轉(zhuǎn) （為空轉(zhuǎn)），此時(shí)行星座不動(dòng)。如果電量不足，則汽油機(jī)啟動(dòng) （不影響外齒圈反轉(zhuǎn)和太陽(yáng)輪正轉(zhuǎn)）向動(dòng)力電池充電。

1.2.2 本田I-MMD構(gòu)型

本田I-MMD （Intelligent Multi Mode Drive，智能化多模式驅(qū)動(dòng)）系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、混合模式和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。構(gòu)型見圖3。

圖3 本田I-MMD構(gòu)型

1）純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，離合器斷開，TM電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或者后退。另外，車輛制動(dòng)時(shí)具備能量回收模式。

2）混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，離合器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)，驅(qū)動(dòng)ISG電機(jī)發(fā)電，通過動(dòng)力電池提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛行進(jìn)。車輛制動(dòng)能量回收時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)控制停止運(yùn)行，改善經(jīng)濟(jì)性。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。同時(shí)，在加速時(shí)電動(dòng)機(jī)可以助力。

1.2.3 同軸混聯(lián)構(gòu)型

串并聯(lián)機(jī)混動(dòng)構(gòu)型系統(tǒng)，通過一種電磁離合器的通斷，可以實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)模式，可最大限度地發(fā)掘發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，降低整車油耗。滿足多種專用功能需求。

此構(gòu)型由發(fā)電機(jī)、離合器和電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。發(fā)動(dòng)機(jī)通過扭減或離合器和發(fā)電機(jī)進(jìn)行耦合；發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)離合器進(jìn)行耦合；電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸連接車橋。

系統(tǒng)的耦合及解耦是通過離合器實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)不同模式切換。構(gòu)型見圖4。

1）純電動(dòng)工況。離合器分開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)車速、動(dòng)力電池SOC值等判斷條件，軟件自動(dòng)控制啟動(dòng)或停機(jī) （降低油耗）。

2）串聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況。離合器分開，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)ISG電機(jī)運(yùn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)給動(dòng)力電充電，提供電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。

圖4 同軸混聯(lián)構(gòu)型

3）回收制動(dòng)工況。根據(jù)運(yùn)行條件，離合器接合或分開。車輛運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)等工況實(shí)現(xiàn)能量回收，給動(dòng)力電池充電。

4）并聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況。離合器接合，根據(jù)車輛運(yùn)行情況，軟件自行判定，啟動(dòng)電機(jī)對(duì)行車過程中的發(fā)電或加速助力。

5）發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工況。離合器接合，此時(shí)電機(jī)均不起作用，僅隨發(fā)動(dòng)機(jī)作為傳動(dòng)的一部分一起驅(qū)動(dòng)車輛的運(yùn)行。

理解了上述3種具有代表性的混動(dòng)構(gòu)型基本結(jié)構(gòu)和可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行模式后，針對(duì)目前市場(chǎng)上主流汽車公司推出的各種混合動(dòng)力系統(tǒng)，基本上都可以較為清楚地去類比分析不同點(diǎn)與相同點(diǎn)了。

2 某車型的仿真匹配分析

此分析基于串并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型進(jìn)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(lián)的混動(dòng)構(gòu)型和對(duì)應(yīng)的控制器策略［4-5］，以MATLAB軟件中的Simulink模塊進(jìn)行仿真模型搭建［6］（此處不詳細(xì)討論建模過程）。

根據(jù)此車型的參數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)《GB／T 19752混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法》和《GB／T 19754重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2 車型基本參數(shù)及參數(shù)選擇

整車及選定的電機(jī)總成及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

參數(shù)的選定：①根據(jù)車型參數(shù)及整車性能目標(biāo)，平衡動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)為基礎(chǔ)；②在現(xiàn)有資源前提下，通過匹配選取不同參數(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比并優(yōu)化；③通過結(jié)果對(duì)比評(píng)估，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際使用場(chǎng)合，最終選定了表1中的參數(shù)。

表1 參數(shù)表

2.3 仿真分析過程

針對(duì)整車，分別對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真［7-8］，具體過程如下。

2.3.1 動(dòng)力性分析

本次仿真根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的加載條件并結(jié)合客戶的要求，仿真結(jié)果見表2。

以混動(dòng)工況為例，動(dòng)力性仿真圖 （純電和發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)工況類似）見圖5。

圖5 加速性和最高車速

表2 動(dòng)力性仿真值

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

本車型按C-WTVC循環(huán)工況分析，分市區(qū)、公路和高速三段循環(huán)，分別在電量平衡條件下進(jìn)行結(jié)果仿真，然后根據(jù)車型最大總質(zhì)量對(duì)應(yīng)的區(qū)間，按《GB／T 27840-2011重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法》的規(guī)定，選取對(duì)應(yīng)比例，進(jìn)行加權(quán)計(jì)算最終結(jié)果。

現(xiàn)以市區(qū)循環(huán)為例進(jìn)行說明。

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

2）發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在經(jīng)濟(jì)高效區(qū)域，避免低負(fù)荷下效率較差的工況點(diǎn)，見圖8；驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要工作在中低負(fù)荷，工作點(diǎn)見圖9。

圖6 市區(qū)循環(huán)工況

圖7 SOC平衡圖

圖8 發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)

圖9 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)

最后模型仿真得出SOC保持不變情況下，市區(qū)經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)果為6.45 L／100 km。同理得出公路經(jīng)濟(jì)性為7.45 L／100 km，高速經(jīng)濟(jì)性為9.20 L／100 km。

3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取對(duì)應(yīng)分配比例，加權(quán)綜合結(jié)果如下：

FC貨車綜合=FC市區(qū)×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(jié)束語(yǔ)

此文章針對(duì)具有代表性的混合動(dòng)力構(gòu)型進(jìn)行了分析，并以某車型的性能仿真為示例，對(duì)仿真分析方法進(jìn)行了介紹，得出了一些結(jié)論以及后續(xù)進(jìn)一步的研究方向。

1）對(duì)典型混動(dòng)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式進(jìn)行了基本的分析說明，對(duì)于相關(guān)研究人員提供了基本的相關(guān)知識(shí)和信息。

2）建立了一個(gè)基于同軸混合動(dòng)力構(gòu)型的仿真模型，并可以有效真實(shí)地對(duì)重型車進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性 （CWTVC循環(huán)）仿真分析，提高性能匹配的效率。

3）可以通過調(diào)節(jié)模型里的系統(tǒng)參數(shù)，平衡動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)結(jié)果趨勢(shì)的預(yù)判；還可以根據(jù)電機(jī)制動(dòng)回收能力等參數(shù)來優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性，提出對(duì)電機(jī)以及標(biāo)定參數(shù)的要求。

4）提前通過仿真模型進(jìn)行匹配分析，對(duì)系統(tǒng)的選型及車輛的前期設(shè)計(jì)，獲得充足的理論對(duì)比數(shù)據(jù)，可減少實(shí)車驗(yàn)證時(shí)間，減少開發(fā)成本和提高開發(fā)效率。

5）因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制導(dǎo)致的最高車速較低，同時(shí)爬坡度較小。后續(xù)會(huì)選擇對(duì)此系統(tǒng)增加變速器的方向優(yōu)化構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)布置空間、噪聲、排放、成本和效率map等優(yōu)勢(shì)，選取一款小功率的汽油機(jī)進(jìn)行匹配的方向研究。