串并聯(lián)插電混合動力汽車試驗研究

張志強，丁 磊，陳尉平

（東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005）

隨著中國汽車工業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，截至2018年，中國汽車年產(chǎn)銷量超過2 780萬輛［1-2］，同時汽車保有量達到了2.4億輛［3-4］。汽車給人們帶來交通便利的同時，也造成日益嚴峻的環(huán)境污染和能源危機。為此，國家出臺了乘用車油耗積分［5-6］和新能源積分管理辦法［7-8］，以促進汽車技術(shù)朝著更低油耗的方向發(fā)展。插電式混合動力汽車通過優(yōu)化發(fā)動機工作區(qū)域降低發(fā)動機油耗，并搭載適當電量的動力電池包，具備一定的純電續(xù)航里程，能夠進一步降低綜合油耗。

目前，被廣泛應(yīng)用的混合動力技術(shù)主要有以日產(chǎn)EPOWER為代表的串聯(lián)混動技術(shù)［9］、以比亞迪DM為代表的并聯(lián)混動技術(shù)［10］和以豐田THS為代表的功率分流混動技術(shù)［11-12］。串聯(lián)混合動力技術(shù)由于結(jié)構(gòu)較為簡單無需變速箱，通過提升發(fā)電系統(tǒng)（發(fā)動機和發(fā)電機）效率便能得到較好的油耗特性［13-14］，因此得到了較好的工程應(yīng)用，并成為新能源重點推廣的技術(shù)路線之一。

為進一步提升混動系統(tǒng)的效率，近期出現(xiàn)了一種串并聯(lián)混動技術(shù)。該技術(shù)是基于串聯(lián)技術(shù)路線再增加一套離合系統(tǒng)，因此也被稱為雙電機單離合混動系統(tǒng)。該技術(shù)能同時實現(xiàn)純電工作、串聯(lián)工作和并聯(lián)工作等功能模式，并具有節(jié)油效果較高、動力輸出平順、機艙容易布置等優(yōu)勢［15］。

本課題組針對某搭載了串并聯(lián)混動總成的汽車開展實車轉(zhuǎn)轂試驗研究，提出基于狀態(tài)機的串并聯(lián)控制策略和基于油門踏板的能量回收方法，并分別在電量消耗狀態(tài)和電量維持狀態(tài)下開展試驗研究，以期分析出適合該混動系統(tǒng)的最佳策略方案。

1 串并聯(lián)混動系統(tǒng)及試驗方案

試驗汽車為某五座SUV車型，車型及發(fā)動機、動力電池包和串并聯(lián)混動總成參數(shù)如表1所示。

混動總成系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖1所示，由內(nèi)燃機ICE、發(fā)電機ISG、驅(qū)動電機TM、離合器 Clutch和動力電池包組成。控制系統(tǒng)由發(fā)動機ECU、電機控制器MCU、動力電池包管理系統(tǒng)BMS和混動控制器HCU組成。

通過對發(fā)動機ICE、發(fā)電機ISG、驅(qū)動電機TM和離合器Clutch進行控制，即可分別實現(xiàn)純電工作、串聯(lián)工作和并聯(lián)工作模式。純電動工作模式如圖2所示，離合器保持斷開，發(fā)動機ICE和發(fā)電機ISG不工作，汽車由驅(qū)動電機TM負責驅(qū)動。串聯(lián)工作模式如圖3所示，離合器保持斷開，發(fā)動機ICE和發(fā)電機ISG負責發(fā)電，并維持動力電池包電量SOC平衡。汽車由驅(qū)動電機TM負責驅(qū)動。

并聯(lián)工作模式如圖4所示，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，根據(jù)汽車動力需求，可分別實現(xiàn)發(fā)動機ICE直驅(qū)、行車發(fā)電、發(fā)動機ICE和驅(qū)動電機TM共同驅(qū)動等3種方式。

試驗所用實車轉(zhuǎn)轂設(shè)備關(guān)鍵性能參數(shù)如表2所示。

表2 試驗轉(zhuǎn)轂設(shè)備參數(shù)

為保證試驗研究的一致性和可重復(fù)性，按照《GB/T 19753》規(guī)定的試驗規(guī)范開展條件A（即電量消耗狀態(tài)，動力電池包從最高荷電狀態(tài)至最低荷電狀態(tài)）和條件B（即電量維持狀態(tài)，動力電池包一直處于最低荷電狀態(tài)）的試驗過程。車輛的車速嚴格按照NEDC工況（如圖5所示）進行控制。

2 串并聯(lián)控制策略和能量回收方法

串并聯(lián)混合動力系統(tǒng)工作流程如圖6所示。首先結(jié)合所有硬件的溫度等狀態(tài)、故障及報警信號，作出扭矩限制保護設(shè)定；其次，結(jié)合駕駛員意圖、動力電池包電量和整車等參數(shù)，解析出扭矩需求，并對能否進入純電動、串聯(lián)和并聯(lián)工作模式進行判斷，對發(fā)動機ICE、發(fā)電機ISG、驅(qū)動電機TM進行扭矩分配；最后，控制所有硬件系統(tǒng)按所需狀態(tài)進行工作。

模式判斷采用基于狀態(tài)機的串并聯(lián)控制策略，具體如圖7所示。

純電動、串聯(lián)和并聯(lián)工作狀態(tài)作為主要功能模式，啟動/關(guān)閉發(fā)動機ICE、離合器同步/斷開作為主要工作模式之間跳轉(zhuǎn)的瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程。結(jié)合“多用電、少啟動發(fā)動機”的降低油耗思路，只有電池SOC過低或需求扭矩過高時，才由純電動切換至串聯(lián)工作模式。當車速對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到發(fā)動機最佳運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速或驅(qū)動扭矩進一步增大等條件滿足時，才由串聯(lián)切換至并聯(lián)工作模式。

在串聯(lián)工作時，采用電池電量PI補償和驅(qū)動功率跟隨的控制算法來計算發(fā)動機工作功率，具體如式（1）所示。

其中：Pser_ICE為計算所得發(fā)動機工作功率；ΔSOC=SOCtar-SOC，SOCtar為目標 SOC，SOC為當前動力電池包電量狀態(tài)；Treq為解析出的所需扭矩。

為控制發(fā)動機工作在最佳效率區(qū)間，結(jié)合Pser_ICE和如圖8所示的發(fā)動機最佳效率扭矩線Topt，綜合得到發(fā)動機的發(fā)電轉(zhuǎn)速n和扭矩Tser_ICE。

在并聯(lián)模式中，當需求扭矩Treq落在發(fā)動機最佳效率工作區(qū)間（Topt_min，Topt_max）時，采用發(fā)動機直驅(qū)方式，以獲得較高的工作效率；當Treq＜Topt_min且SOC較低時，采用行車發(fā)電方式，一方面將發(fā)動機保持在高效區(qū)工作，另一方面將超出驅(qū)動扭矩需求的扭矩用來帶動發(fā)電機發(fā)電；當Treq＞Topt_max時，采用發(fā)動機ICE和TM共同驅(qū)動方式，即發(fā)動機按Topt工作，TM負責輔助輸出扭矩。

綜合而言，純電動、串聯(lián)和并聯(lián)這3種工作模式下的扭矩分配如表3所示。

表3 不同工作模式下扭矩分配

為提升純電續(xù)航里程和制動能量回收效能，采用基于油門踏板控制的能量回收方法，即僅通過油門踏板的控制即可實現(xiàn)整車的加速及減速功能。

如圖9所示，將油門踏板行程標定成制動行程B-A和加速行程B-C，其中B位置作為驅(qū)動力矩和電機制動力矩為零的位置。當駕駛員有加速意圖，即油門踏板從B至C位置變化時，驅(qū)動扭矩按照油門踏板位置信號相應(yīng)地進行線性解析。當駕駛員有松油門和減速需求時，即油門踏板從B至A位置變化時，電機回饋制動扭矩按照油門踏板位置信號相應(yīng)進行解析。驅(qū)動力矩和制動力矩的解析方法如圖10所示。

如上所述，采用基于油門踏板控制的能量回收方法，在實際駕駛過程中，可以由駕駛員結(jié)合自身減速意愿，完全自主地控制減速扭矩及減速度，更有利于提升操控體驗。

3 電量消耗狀態(tài)下的試驗研究

在電量消耗狀態(tài)下，試驗工況為NEDC工況。試驗初始時動力電池包為最高荷電狀態(tài)（即SOC為90%），試驗過程一直為純電行駛狀態(tài)。

采用基于油門踏板的能量回收方法的試驗結(jié)果如圖11所示。在整個NEDC工況過程中，驅(qū)動電機TM作為唯一的動力源提供驅(qū)動扭矩；在減速工況下（例如：第85～95 s、1 125～1 160 s等車速段），驅(qū)動電機TM按照如圖9、10所示能量回收方法進行制動扭矩解析（即驅(qū)動電機TM扭矩為負值），對整車實現(xiàn)電制動，將動能回饋成電能進行能量回收。

將動力電池包從最高荷電狀態(tài)行駛多個NEDC循環(huán)至最低荷電狀態(tài)（即SOC為30%），采用機械液壓制動方法時純電續(xù)航里程為48 km。由于采用了基于油門踏板的能量回收方法，純電續(xù)航里程提升了14.6%，即純電續(xù)航里程達到了55 km。

4 電量維持狀態(tài)下試驗研究

電量維持狀態(tài)即低SOC狀態(tài)，無法純電工作，需要啟動發(fā)動機并維持電量平衡的狀態(tài)。串并聯(lián)系統(tǒng)可以實現(xiàn)純串聯(lián)模式，也可結(jié)合驅(qū)動需求和SOC狀態(tài)靈活切換串聯(lián)和并聯(lián)工作模式。本文中針對純串聯(lián)方案和基于狀態(tài)機的串并聯(lián)方案開展對比試驗，試驗工況為NEDC工況。

純串聯(lián)方案的試驗結(jié)果如圖12所示。在NEDC工況起始階段，由于動力電池電量較低，發(fā)電機ISG起動發(fā)動機ICE，然后發(fā)動機ICE和發(fā)電機ISG負責發(fā)電來保證電池電量SOC平衡。整車由驅(qū)動電機TM負責驅(qū)動和電回饋制動能量回收。

基于狀態(tài)機的串并聯(lián)控制方案的試驗結(jié)果如圖13所示。

在NEDC工況起始階段，由于動力電池電量較低，混動系統(tǒng)同樣按照串聯(lián)方式進行工作。在NEDC的市郊高速工況，驅(qū)動扭矩需求較高，在基于狀態(tài)機的串并聯(lián)策略的控制下，混動總成進入發(fā)動機直驅(qū)和行車發(fā)電這兩種工作模式（例如1 065～1 089 s和1090～1 125 s），該混動系統(tǒng)的工作效率更高。從而避免串聯(lián)工作模式時先發(fā)電再驅(qū)動的多重能量轉(zhuǎn)化的問題，最終提高混動系統(tǒng)工作效率。

純串聯(lián)方案和基于狀態(tài)機的串并聯(lián)控制方案下的油耗如表4所示。純串聯(lián)方案油耗為6.5 L/100 km。采用基于狀態(tài)機的串并聯(lián)方案后，系統(tǒng)工作效率得到提升，油耗降低了1.54%，油耗降低至6.4 L/100 km。

表4 純串聯(lián)和串并聯(lián)控制方案下的油耗對比

5 結(jié)論

1）采用基于油門踏板的能量回收方法，純電續(xù)航里程相比基于機械液壓制動時提升了14.6%。

2）采用基于狀態(tài)機的串并聯(lián)控制策略，系統(tǒng)工作效率更高，油耗相比采用純串聯(lián)方案時降低了1.54%。