守島串聯式混合動力汽車動力耦合控制策略研究

方瑞蓮 蔡強 張維果 何穎

摘要：動力耦合技術是混合動力汽車的核心技術，動力參數匹配結果直接影響車輛的動力性能。以串聯式混合動力汽車的動力耦合控制技術為研究對象，根據汽車驅動系統的結構及動力源的參數特點。進行驅動系統動力參數匹配設計，提出一種能綜合兼顧車輛行駛中動力性、經濟性及排放性能的最佳驅動動力控制策略。

關鍵詞：混合動力；控制策略；動力耦合

中圖分類號：U469.7 ?收稿日期：2023-03-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.007

1 前言

近年來，汽車工業革命再次興起，新能源汽車技術的突飛猛進是當前能源危機、環境惡化等大背景下的必然發展方向。從“十三五”以后，由于國家和地方的雙重推動，新能源的質量和體量有了很大的變化，我國以混合動力汽車為核心的新能源汽車產業就開始進入加速階段。“十四五”“新能源化”同樣成為我國支持汽車產業跨域發展的內核。發展新能源汽車是實現碳中和目標的重要手段，而完全實現純電動化周期較長，混合動力汽車將會是過渡期的重要替代品，在未來一定時期內是承擔汽車低碳化發展的重要方案。中國汽車工程學會提出，到2025年、2030年和2035年，新能源汽車分別達到總銷量的20%、40%和50%，節能汽車（包括48 V、HEV等混動技術方案）分別達到傳統能源乘用車50%、75%和100%的總目標。由此預計，未來一段時間內，我國混動汽車將保持快速增長態勢，并逐步實現對傳統燃油車的升級替代［1］。

按照使用動力源不同分類，目前市場上主流新能源汽車有純電動汽車及混合動力汽車兩大類。純電動汽車的續航是其發展的主要瓶頸，而混合動力汽車恰好彌補純電動汽車的此缺陷，因此，混合動力汽車成為當前新能源汽車發展的主流，研究混合動力的動力耦合技術具有非常重要的意義。本文以理想ONE汽車為參考車型，基于該車型的一些參數對串聯式混合動力汽車的動力耦合控制設計。

2 串聯式混合動力汽車驅動系統介紹

混合動力汽車（Hybrid Vehicle）是指車輛的動力源由兩個或者多個組成，它的系統會根據路況、汽車行駛的狀況下分配動力。這里的混合動力汽車，通常是指油電混合，它是當下出行最常見的混動類型，動力源是由內燃機和動力電池組成。這種混動技術，可以讓增程器避開低效率的工作區域，使增程器時時刻刻工作在高效區域。

根據動力電池和增程器連接結構的不同，可以將其分成串聯式混合動力汽車（SHEV）、并聯式混合動力汽車（PHEV）和混聯式混合動力汽車（PSHEV）三種驅動模式。

所謂的串聯式混合動力汽車其實就是增程式電動汽車，是在純電動汽車基礎上增加了一個發電機，發電機并不能直接驅動汽車行駛。當動力電池電量不足時給動力電池充電，同時驅動汽車行駛。它本質是兩種動力裝置直列式排列，前級的動力輸出是后級的功率輸入，由電能作為直接驅動動力，并且只有電力一種最終動力［2］。

2.1 動力源主要參數

參考理想汽車某車型，本文研究的串聯式混合動力采用增程器、動力電池為動力源，驅動車輪的力來自驅動電機，而給驅動電機的動力源是增程器和動力電池。即增程器動力經過驅動電機輸出，動力電池通過驅動電機驅動汽車，增程器還可以給電池充電的動力方案設計。串聯式混合動力電動汽車基本上由發電機、增程器、整流器、蓄電池組、機械傳動裝置和牽引電動機組成，如圖1所示。

a.增程器主要參數。

采用排量為1 199 mL的渦輪增壓增程器（型號DAM12TD），最大功率轉速5 500 r/min，最大馬力131 Ps，國六b的環保標準。

b.電動機參數。

對于串聯式混合動力電動汽車，所有動力驅動完全依賴于電動機，因此要求起步或爬坡時低速恒轉矩，高速時恒功率，正好利用電機的特性來驅動車輛，并實現制動能量回收。根據參考車型，本文研究采用總功率245 kW、總扭矩為455 N·m的雙驅動電動機，電動機馬力333 Ps；前電動機最大功率100 kW、最大扭矩240 N·m，后電動機最大功率145 kW、最大扭矩215 N·m。

c.動力電池參數。

采用可逆式直流高壓電的三元鋰電池，電池容量40.5 kW·h，最大對外放電功率2.2 kW，對外放電最低允許值20%。

2.2 工作概況

串聯式混合動力汽車的動力耦合控制，主要是合理分配能量源和控制驅動電機功率輸出。

驅動電機的輸出功率、轉矩和轉速的關系式：

[PM=Mn9 549] ?????????????????????????????????（1）

式中，[PM]為原動機的輸出功率，kW；n為原動機的轉速，r/min；M為原動機轉矩，N·m。

根據驅動電機相關參數可求驅動電機轉速：前驅動電機的轉速n1=3 978.75 r/min，后驅動電機n2=6 440.023 r/min，車速、轉速、傳動比之間關系式：

[va=0.377nrigi0] ????????????????????????????（2）

式中，[va]為電動汽車的車速；n為驅動電機的轉速；R為驅動輪胎的半徑；ig為變速器的傳動比；i0為減速器的轉動比。

本文研究的車型的動力傳動系統中，驅動電機到車輪只用一個單級減速器，故ig=1，根據數據計算i0=5.4。汽車的驅動力以扭矩的形式傳給驅動輪，最終由驅動輪驅動整車行駛，驅動輪的直徑、寬度、高度等一些參數直接影響驅動效率，即驅動輪的規格影響汽車動力性能。本文以參考車型理想汽車某車型使用的輪胎，其前后輪胎的規格型號均是255/50 R20，即輪胎的寬度是255 mm、扁平率為50、輪轂直徑20 in的子午線輪胎。再計算驅動輪的直徑r，（r=輪輞直徑+輪胎寬度×扁平率×2），可得r=0.3815 m。

增程專用增程器的轉速在2 000～3 500 r/min范圍，為其燃油消耗最理想的區域，對應的功率區域在24～52 kW。

由公式（1）可求增程器的最大輸出功率和驅動電機的最大輸出功率，其能量的轉動效率[η=0.79]，即[η=PfPd=0.7931]，結合以上的相關參數計算得驅動電機的經濟轉速在1 586～2 776 r/min范圍。再由公式（2）計算得增程器工作在經濟時，相應的車速在42～74 km/h范圍，故驅動力控制策略中，考慮當增程器介入工作時，確保增程器工作在經濟區范圍，即可有效地減少汽車的油耗［3-4］。

3 耦合控制方案

3.1 工作模式

串聯式混合動力結構設計中，增程增程器輸出扭矩不直接驅動電動機，而是驅動發電機發電，則發電機實現對動力電池充電或電驅動電動機的功能。車輛在各種不同的工況、環境行駛時，動力控制的基本原則是：對車輛要兼顧動力性、經濟性等多方面性能，且滿足續航，此外，還考慮能源節省，減少有害排放。基于動力控制基本原則，本文對串聯式混合動力汽車的動力控制根據不同工況分三種模式進行研究，即純電優先模式、燃油優先模式和油電混合模式［5］。

a.純電優先模式。

當車輛在市區內行駛時，由于交通環境復雜，具有行駛里程不高，行駛速度為60 km/h以內，環境排放要求高等特點，車輛所需的驅動力由動力電池組提供，即電池優先驅動電機輸出。若動力電池組的SOC值低于20%時，才由增程器驅動發電機發電，由發動電機輸出動力驅動電機，保證車輛動力性及續航。驅動力傳輸如圖2a所示。

b.燃油優先模式。

當車輛在市外郊區或者偏遠的鄉村路行駛時，由于道路條件較差，路面窄、彎曲、坡度多等情況；周邊充電站少甚至沒有，充電條件受限制，因此車輛所需的驅動力控制基本原則為：當電池組的SOC值高于70%時，由電池組驅動電機；當電池電量低于70%或車輛處于急加速行駛、爬坡時增程器才會介入工作，同時在保證動力滿足的條件下給電池包充電。驅動力傳輸如圖2b所示。

c.油電混合模式。

當車輛需要遠距離或高速公路行駛時，車輛的行駛速度以高速為主，且確保續航。此工況下，即便開始動力電池組的SOC值還高，若先由動力電池提供驅動力，則電池組的SOC值很快下降，其下降后再由增程器發動給蓄電池充電則增加油耗，能源利用效率低，甚至影響旅程。因此，此工況下采用增程器及電池組共同驅動的模式，增程器在經濟區工作，動力電池的SOC值低于80%則由增程器充電，確保動力電池的SOC值不低于80%。驅動力傳輸如圖2c所示。

d.行車充電模式。

車輛在行駛過程中，控制單元采集到動力電池的SOC值小于設定值（不同模式設定值不同）時，增程器會介入工作，在滿足汽車行駛所需的動力的前提下，把剩余的電量通過充電模塊保存到動力電池里面儲存起來。驅動力傳輸如圖2d所示。

3.2 控制方案

車輛行駛過程中，不同工況所需的動力不同。本文研究控制方案基于單片機技術進行對動力輸出控制，控制單元是根據控制策略編制程序的控制模塊，通過各傳感器采集車輛實時狀況，車速、動力電池的SOC值等狀態、車輛制動、急加速、爬坡等參數作為動力控制的主要參考參數（因素），將信號反饋給控制中心，控制中心通過數據計算、對比分析，確定動力模式并對執行裝置發出執行指令執行裝置接收到執行信號后，對動力進行控制，增程器、動力電池二者電動動力輸出控制，從而達到控制的目的［6-7］。控制方案框圖見圖3。

4 結語

混合動力是一個復雜的多動力源系統，不同工況下動力輸出的控制策略要兼顧車輛的動力性、經濟性外，還考慮排放、車輛壽命、續航里程等多方面因素。通過以車速和動力電池的SOC值為主要參數的混合動力控制策略，根據不同工況分純電輸出、純燃油輸出、混合輸出三種動力輸出模式，同時電池的SOC值低于設定值時增程器給電池充電。在三種模式中，單一動力源輸出模式相對比較簡單，二者動力共同輸出模式較為復雜，難點在于各二者動力輸出動力的匹配，本文僅以按照參考車型計算的經濟車速范圍內二者共同輸出，二者動力輸出的精準匹配有待繼續深入研究。

控制策略程序完成編制后，對系統的控制方案進行仿真，通過電路仿真軟件proteus或者相關軟件仿真；或者通過模型制作對系統仿真驗證，本文研究的控制方案可行，三種模式的動力輸出順暢達到預期效果。

參考文獻：

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作者簡介：

方瑞蓮，女，1982年生，工程師，研究方向為新能源汽車動力。