功率分流式混合動力系統整車高速工況經濟性研究

呂康輝 廖萍 王晨 程輝軍 周文太

摘 ?要： 為研究功率分流式混合動力系統整車高速工況經濟性優化問題，提出在高速工況下采用制動器B2鎖止、功率損耗最小的控制策略方案。綜合考慮發動機、電機、電池的功率損耗，建立混合動力系統模型，并對該方案進行仿真驗證及整車試驗。結果顯示，優化后的整車高速工況經濟性有明顯提升。制動器B2鎖止、功率損耗最小的控制策略有助于提升整車高速工況經濟性。

關鍵詞： 功率分流; 混合動力; 高速工況; 經濟性; 控制策略; 仿真驗證

中圖分類號： TN98?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0072?04

Research on fuel consumption of vehicle′s power split hybrid

powertrain at high?speed operation

L? Kanghui1， LIAO Ping1， WANG Chen2， CHENG Huijun2， ZHOU Wentai2

（1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China;

2. Corun Hybrid Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201500， China）

Abstract： In order to research the fuel consumption optimization of the vehicle′s power split hybrid powertrain at high?speed operation， a control strategy to lock the brake B2 and make the vehicle′s system with minimum power loss at high?speed operation is proposed. The power loss of the engine， motor and battery was comprehensively considered， the hybrid power system model was established， and the simulation verification and vehicle test were performed for the scheme. The result shows that the fuel consumption of the optimized vehicle at high?speed operation has obviously improved. The control strategy to lock the brake B2 and make the system with minimum power loss is contribute to reduce the fuel consumption of the vehicle at high?speed operation.

Keywords： power split; hybrid power; high?speed operation; fuel consumption; control strategy; simulation verification

0 ?引 ?言

在傳統的內燃機汽車向新能源汽車發展的過程中，混合動力汽車作為一種過渡車型，因具有污染小、油耗低、動力性強等優勢，獲得了越來越廣泛的應用[1?2]。

以豐田Prius的機械功率分流系統為代表[3]，通過雙電機轉速和扭矩調整發動機工作于最佳運行區域，達到節能減排的目的[4]，可以實現40%以上的節油效果[5]。本文介紹一種功率分流式混合動力系統，由于其具有多種工作模式，控制策略有待進一步挖掘完善，燃油經濟性有待進一步提高。

1 ?高速工況B2鎖止、功率損耗最小控制策略設計

由于系統在高速工況下總存在一個電機發電、另一個電機用電的電功率回環[6]，影響了系統效率，利用制動器B2將電機E1鎖止，等效杠桿[7]如圖1所示。此模式下僅電機E2工作，不存在電功率循環，系統工作效率較高。

B2鎖止時車速滿足下列關系：

圖1 ?等效杠桿

以功率損耗最小為控制目標，在滿足上述車速的條件下，由于電機E1轉速較高時鎖止制動器B2會影響整車平順性。因此，對上述控制策略進行修正：只有滿足電機E1轉速低于100 r/min時，才允許制動器B2鎖止。

本文研究的功率損耗忽略機械功率損耗[8]，僅研究電機、電池、發動機功率損耗。系統總的功率損耗可由下式得出：

2 ?混合動力系統建模

2.1 ?發動機模型

發動機萬有特性曲線如圖2所示。

圖2 ?發動機萬有特性曲線

通過扭矩、轉速可查得比油耗，本文研究的發動機經濟比油耗取240 g/（kW[·]h），發動機功率損耗可由下式得出：

2.2 ?電機E2模型

電機E2驅動時的效率數值模型如圖3所示。其功率損耗可由下式得出：

圖3 ?電機E2驅動效率數值模型

同理，可建立電機E2發電效率數值模型以及電機E1驅動、發電效率數值模型。

2.3 ?動力電池模型

動力電池簡化為一階模型[9]，電池內阻模型等效電路如圖4所示。

圖4 ?電池內阻模型等效電路

圖5 ?電池內阻曲線

通過電池SOC可得到電池內阻，通過電機功率及電池電壓可求得電池電流，動力電池功率損耗可由下式得出：

2.4 ?整車動力學模型

由等效杠桿工作原理可得出如下關系：

式中：[vspd]為汽車車速;[r]為車輪半徑;[i]為主減速比;[F]為整車行駛阻力;[G]為整車重力;[f]為滾動阻力系數;[CD]為空氣阻力系數;[A]為整車迎風面積。

3 ?仿真驗證

3.1 ?發動機工作點的確定

在各車速下，通過所有允許的發動機轉速、扭矩組合，計算得到對應的系統損耗功率。發動機轉速與系統損耗功率關系曲線如圖6所示。

圖6 ?發動機轉速與系統損耗功率關系曲線

由圖6可知，在各個車速下都能找到一個系統損耗功率最小值，并且此時B2制動器鎖止，發動機轉速與車速呈線性關系，發動機轉速和電機E2轉速隨著車速的增加而等比例增加。

圖7列出了系統功率損耗最小時對應的車速與發動機轉速和扭矩關系。

圖7 ?車速與發動機轉速及扭矩關系曲線

3.2 ?仿真驗證

通過上述建立的模型以及由功率損耗最小確立的發動機轉速、扭矩組合，以及發動機工作最經濟確定的發動機轉速、扭矩組合，利用Matlab/Simulink進行整車經濟性仿真，整車參數如表1所示。

表1 ?整車參數設置

表2 ?高速工況經濟性仿真結果

4 ?整車試驗

通過前文所述的系統功率損耗最小以及發動機工作最經濟發動機轉速、扭矩組合，分別進行巡航80 km/h，90 km/h，100 km/h，110 km/h，120 km/h高速工況下整車油耗試驗如圖8所示。

圖8 ?整車油耗試驗

圖9 ?油耗試驗結果

油耗試驗結果表明，功率損耗最小控制策略更有利于提升整車高速工況經濟性。隨著車速的增加，二者油耗的差距越來越小，原因是隨著車速的增加整車驅動力減少，電機助力減少，SOC變化量減少，油耗幾乎全部來自發動機，120 km/h車速下，SOC變化量幾乎為0，二者油耗也趨于一致。各高速工況下電池SOC變化情況如圖10所示。

圖10 ?SOC變化情況

5 ?結 ?語

本文基于功率分流式混合動力系統，提出在高速工況下，采用制動器B2鎖止、功率損耗最小控制策略。建立混合動力系統模型并進行仿真驗證及整車試驗。結果表明，該策略有助于提升整車高速工況經濟性，對類似雙電機混合動力系統高速工況經濟性優化有一定參考價值。

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