劉懷金

（精進(jìn)電動科技股份有限公司，江蘇 南京 210037）

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

近年來，國家以技術(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的規(guī)模和技術(shù)的成熟度。其中，以純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車為代表的新能源車型，在市場和技術(shù)同時取得了不同程度的重大進(jìn)展。

但現(xiàn)階段，用戶針對純電動汽車，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，又對節(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：純電動汽車、混合動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力汽車。

本文不詳細(xì)介紹混合動力產(chǎn)品的發(fā)展歷史，主要針對可以代表目前市場上主流的混合動力構(gòu)型進(jìn)行分析介紹，以便于對混動構(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］

混合動力汽車一直是世界各國研究的重點(diǎn)，特別是在早期電池能量密度等技術(shù)上以及動力電池成本上未突破的前提下，均把混合動力產(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代的混合動力量產(chǎn)車型Prius，并在2000年推向歐洲和美國市場；本田公司于1999年推出了混合動力量產(chǎn)車型insight，并于2002年在美國推出了混合動力車型Civic；在后面的幾年，美國汽車公司福特和通用也相繼推出了幾款混合動力車型；歐洲汽車公司由于對柴油機(jī)精細(xì)化的技術(shù)路線堅(jiān)持，混合動力汽車技術(shù)相對日本和美國起步較晚，近幾年才加快對應(yīng)技術(shù)的研發(fā)，推出了相應(yīng)的混合動力產(chǎn)品；中國汽車公司，由于在傳統(tǒng)動力總成方面的技術(shù)差距等原因，導(dǎo)致混合動力技術(shù)研發(fā)更為滯后。但同時中國以比亞迪和上汽等為代表的整車企業(yè)以及精進(jìn)電動等為代表的零部件企業(yè)，開始將混合動力汽車和系統(tǒng)推向市場。

市場上混動構(gòu)型較多，下面主要選取3個有代表性的混動構(gòu)型進(jìn)行介紹，以了解混動的原理及構(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，簡稱THS）核心部件是一套豐田公司稱為“動力分配器”的行星齒輪組。行星齒輪動力分流型的油冷雙電機(jī)系統(tǒng)是目前國際上最主流的深混和插電／増程動力方案。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)帶動行星齒輪座正向旋轉(zhuǎn)，外齒圈不動，行星齒輪座的正向旋轉(zhuǎn)會帶動4個行星齒輪反向旋轉(zhuǎn)，4個行星齒輪的反向旋轉(zhuǎn)帶動太陽輪 （ISG電機(jī)）正向旋轉(zhuǎn)，向動力電池充電。

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

3）加速工況。外齒圈的正向轉(zhuǎn)動速度與行星座相同時，行星齒輪停止自轉(zhuǎn)，只剩下公轉(zhuǎn)，行星齒圈座帶動汽油機(jī)啟動，分配扭矩到外齒圈 （驅(qū)動）和太陽輪 （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TM電機(jī)為發(fā)電機(jī)模式，ISG電機(jī) （太陽輪）作為電動機(jī)與汽油機(jī)一起驅(qū)動車輛。

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

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）系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)純電機(jī)驅(qū)動模式、混合模式和發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式。構(gòu)型見圖3。

圖3 本田I-MMD構(gòu)型

1）純電動驅(qū)動模式。發(fā)動機(jī)不啟動，離合器斷開，TM電機(jī)直接驅(qū)動車輛前進(jìn)或者后退。另外，車輛制動時具備能量回收模式。

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

3）發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式。發(fā)動機(jī)啟動，離合器結(jié)合，發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛。同時，在加速時電動機(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)動模式，可最大限度地發(fā)掘發(fā)動機(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)、離合器和電動機(jī)構(gòu)成。發(fā)動機(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)和電動機(jī)通過一個離合器進(jìn)行耦合；電動機(jī)通過傳動軸連接車橋。

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）純電動工況。離合器分開，驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動車輛運(yùn)行。此時發(fā)動機(jī)根據(jù)車速、動力電池SOC值等判斷條件，軟件自動控制啟動或停機(jī) （降低油耗）。

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

圖4 同軸混聯(lián)構(gòu)型

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

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

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

理解了上述3種具有代表性的混動構(gòu)型基本結(jié)構(gòu)和可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行模式后，針對目前市場上主流汽車公司推出的各種混合動力系統(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)的混動構(gòu)型和對應(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混合動力電動汽車 動力性能 試驗(yàn)方法》和《GB／T 19754重型混合動力電動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)行仿真對比并優(yōu)化；③通過結(jié)果對比評估，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際使用場合，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

針對整車，分別對動力性和經(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。

以混動工況為例，動力性仿真圖 （純電和發(fā)動機(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)量對應(yīng)的區(qū)間，按《GB／T 27840-2011重型商用車輛燃料消耗量測量方法》的規(guī)定，選取對應(yīng)比例，進(jìn)行加權(quán)計算最終結(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

此文章針對具有代表性的混合動力構(gòu)型進(jìn)行了分析，并以某車型的性能仿真為示例，對仿真分析方法進(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）對典型混動構(gòu)型的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式進(jìn)行了基本的分析說明，對于相關(guān)研究人員提供了基本的相關(guān)知識和信息。

2）建立了一個基于同軸混合動力構(gòu)型的仿真模型，并可以有效真實(shí)地對重型車進(jìn)行動力性和經(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)，平衡動力性和經(jīng)濟(jì)性以及對結(jié)果趨勢的預(yù)判；還可以根據(jù)電機(jī)制動回收能力等參數(shù)來優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性，提出對電機(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，對系統(tǒng)的選型及車輛的前期設(shè)計，獲得充足的理論對比數(shù)據(jù)，可減少實(shí)車驗(yàn)證時間，減少開發(fā)成本和提高開發(fā)效率。

5）因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限制導(dǎo)致的最高車速較低，同時爬坡度較小。后續(xù)會選擇對此系統(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)動機(jī)布置空間、噪聲、排放、成本和效率map等優(yōu)勢，選取一款小功率的汽油機(jī)進(jìn)行匹配的方向研究。