基于發動機工作點優化的行星排混動系統控制研究

雷永超 程林 劉城 帥春桃 李帥

摘? 要：行星排混動車輛油耗測試過程中存在油門開度頻繁波動、油門制動頻繁切換的現象，而當前能量管理策略中發動機工作點與油門和制動強耦合，導致車速跟隨過程中發動機瞬態過程偏多，具體表現為發動機啟停頻繁、實際轉矩波動大，最終導致發動機平均工作效率低、油耗惡化。針對此問題，本文提出了一種基于發動機功率濾波與啟停時刻優化的發動機工作點優化方法，且在CHTC-LT工況下驗證了所提方法的有效性。轉鼓測試數據表明，本文所提的優化算法實現了發動機平均效率提升了4%，整車經濟性提升了6%。

關鍵詞：行星排混動系統；發動機效率；油耗優化

中圖分類號：U461.8? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2024）03-0010-05

Research on Control of Planetary Hybrid System Based on Engine Working Point Optimization

Abstract： During the fuel consumption testing process of planetary hybrid vehicles， there are frequent fluctuations in throttle opening and frequent switching of throttle braking. However， in the current energy management strategy， the engine working point is strongly coupled with throttle and braking， resulting in more transient processes of the engine during the speed following process. Specifically， the engine starts and stops frequently， and the actual torque fluctuates greatly， ultimately leading to low average engine efficiency and deterioration of fuel consumption. In response to this issue， this article proposes an engine operating point optimization method based on engine power filtering and start stop time optimization， the effectiveness of the proposed method was verified under CHTC-LT operating conditions. The drum test data shows that the optimization algorithm proposed in this article has achieved a 4% improvement in average engine efficiency and a 6 % improvement in overall vehicle economy.

Key Words： Planetary Hybrid System; Efficiency Of Engine; Fuel Consumption Optimization

1? ? 前言

近年來，全球氣候危機日益加劇，環保節能成為關注焦點，全球各地區不斷推進汽車產業向節能化與新能源化方向發展[1]。而商用車碳排放在汽車領域碳排放中的占比高達55%，且汽車污染物排放主要來源于商用車，因此，在“雙碳”目標下，商用車新能源化勢在必行。在國家政策驅動與新能源汽車大力發展的背景下，新能源商用車的滲透率逐年提升，2022年滲透率已超過15%[2]。

目前，新能源商用車（輕型載貨汽車）主要以純電動為技術路線[3]，但是電池成本、電池壽命、整車成本、續航里程等因素限制其在全應用場景下的推廣。而混合動力商用車通過內燃機技術與電驅動技術的完美結合，具備解決動力、承載、續航與節油的矛盾[4]，具有價格優勢與全應用場景優勢，因此廠商逐漸推廣混合動力商用車。

在各類構型的混合動力商用車中，行星排混動商用車以節油率高、成本低的優點得到青睞。但是在實際油耗測試中發現，跟隨車速過程中存在油門制動頻繁切換、油門頻繁波動的現象，導致發動機多瞬態過程，最終導致行星排混動整車油耗偏高的問題。為了解決此問題，本文提出了一種基于發動機功率濾波與啟停時刻優化的發動機工作點優化方法，且在法規工況下驗證了該方法的有效性。

2? ? 行星排商用車混動系統

本文提出的行星排混動系統與豐田普銳斯混動系統[5，6]不同，混動系統構型如圖1所示，主要是為了適應輕型商用車高承載、強動力的需求。其中，發動機與行星架連接，發電機MG1與太陽輪連接，驅動電機MG2與齒圈連接。混合系統動力傳遞路徑（紅色箭頭所示）如下：發動機動力經扭轉減震器傳遞到行星架，一部分動力分流至發電機MG1發電，一部分動力分流至齒圈與驅動電機MG2動力耦合后傳遞到后橋主減速器與車輪。通過合理控制MG1與MG2的轉矩，達到調控發動機工作點與動力電池電量的目的。

3? ? 基于發動機工作點優化的策略架構

針對當前行星排混動系統能量管理策略[9]的缺陷，本文提出一種新型的能量策略架構，如圖2所示。

圖2所示的能量管理策略中，首先通過擋位、油門與制動踏板開度判斷車輛處于驅動或者制動過程，若車輛處于滑行或者制動過程中，為了防止發動機頻繁啟停，加入發動機延時停機判斷邏輯，當處于滑行或者制動模式中的持續時間在3s內時，發動機保持最低功率一工作，發動機多余動力通過電機MG2反拖發電；持續時間超過3s時，發動機停機。若車輛處于驅動過程，則根據以下流程計算發動機、發電機MG1、驅動電機MG2需求轉矩。通過車速與油門開度計算得到輪端驅動轉矩與驅動功率；由于輪端驅動功率頻繁波動，若發動機承擔全部的輪端驅動功率時，容易導致發動機工作點頻繁波動，油耗惡化。因此，設計了發動機功率濾波與分級方法，如圖3所示。首先將輪端驅動功率進行平均濾波與分級，根據從小到大的順序分為停機功率段、第一功率段、第二功率段，以此類推，當處于停機功率段時，發動機停機。在其余每個功率段中選取對應的目標功率，為了防止頻繁波動，在計算目標功率時加入了功率延時確認環節。在得到穩定的發動機需求功率后，發動機只需要承擔此穩態功率即可。隨后將此功率通過發動機最優功率曲線可得到發動機穩態轉速與穩態轉矩。調速電機MG1作用是調節發動機轉速，通過發動機穩態轉矩、發動機實際轉速與需求轉速差，利用前饋+PI方法計算得到發電機MG1需求轉矩。驅動電機作用是補充（或消除）驅動轉矩，利用電機響應快的特點，通過輪端需求轉矩、發動機穩態轉矩即可計算得到驅動電機需要提供的瞬態轉矩。

4? ? 轉鼓實驗分析

本節通過轉鼓油耗測試驗證本文所提策略的有效性，轉鼓測試如圖4所示，測試工況為CHTC_LT。測試過程中車速跟隨如圖5所示，需求車速與實際車速誤差始終在誤差運行范圍內，優化前油門與制動開度與發動機啟停未解耦，從圖6所示的優化前發動機落點可以看出，優化前策略發動機啟停頻繁，低效率區間發動機落點較多，導致發動機平均熱效率低。而優化后的策略一定程度上解耦了油門、制動踏板與發動機工作點的耦合關系，在油門開度頻繁變化時，可以維持發動機工作點的穩定性；在油門與制動頻繁切換過程中，優化的策略可以維持發動機少啟停，例如駕駛員為了實時跟隨車速，存在短時間（2s內）頻繁松踩油門的現象，優化前的策略在此區間內發動機頻繁關機與開機，而優化后的策略可以實現發動機在此期間內低功率穩定工作，如圖7優化后的發動機落點圖所示，低扭矩區間為發動機低效率區間，此區間內發動機落點大大減少，混動模式下，發動機絕大多數工作點均落在中高功率的發動機最優線上。

本文統計了優化前后發動機油耗與熱效率數據，如表1、表2所示。可以發現，優化前混動模式下發動機轉矩低于190Nm下發動機油耗占比達到4%，而優化后發動機轉矩低于190Nm下的發動機油耗占比僅為0.58%，說明低扭矩區間發動機工作大大減少，促進了發動機平均熱效率從39.4%提升為40.96%，提升率達到4%。實車油耗從9.7L降至9.1L/100km，提升率為6%。

5? ? 結論

針對行星排混動車輛當前能量管理策略存在的發動機瞬態過程多導致的發動機平均熱效率低、節油率低問題，本文提出了一種基于發動機功率濾波與啟停時刻優化的發動機工作點優化方法，通過轉鼓測試驗證了所提方法的有效性。試驗結果表明了本文所提方法大大減少了發動機的低扭矩區間落點，從而實現了發動機平均效率提升了4%，整車經濟性提升了6%。

參考文獻：

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