崔華芳

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

0 引言

隨著汽車的使用量增加和人類環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，混合動(dòng)力汽車的發(fā)展越來越快，混合動(dòng)力系統(tǒng)的形式也越來越多樣化，表1為混合動(dòng)力系統(tǒng)的部分分類情況。一般情況下，依據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式，可以把混合動(dòng)力系統(tǒng)分成3類：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[1]。其中，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)汲取了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)且控制方式簡單，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，市場上應(yīng)用較多的還是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。本文作者主要是通過對某新能源混合動(dòng)力系統(tǒng)的整車架構(gòu)、策略進(jìn)行臺(tái)架測試，解析了相應(yīng)的控制策略，以期為新能源混合動(dòng)力車型的解析、控制策略測試及評價(jià)提供借鑒。

表1 混合動(dòng)力系統(tǒng)分類

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)簡介

混合動(dòng)力系統(tǒng)，顧名思義就是指同時(shí)由兩個(gè)或多個(gè)能運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成的動(dòng)力系統(tǒng)。對于混聯(lián)式的混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大動(dòng)力系統(tǒng)組成，它的運(yùn)行模式一般包含電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。文中所測試解析的某雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)即為典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。

1.1 整車概況

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)一直都由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不受各主機(jī)廠青睞，市場上比較著名的是豐田THS混合動(dòng)力系統(tǒng)。而本文作者解析的某雙電機(jī)混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，它主要由阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力分離裝置e-CTV電氣式無級變速箱組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。表2為該車型混合動(dòng)力系統(tǒng)的部分技術(shù)參數(shù)。

圖1 雙電機(jī)混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)

參數(shù)參數(shù)值性能參數(shù)百公里加速時(shí)間9.5 s最高車速180 km/h,EV90 km/h最大回饋功率50 kWEV最大里程35 km整車參數(shù)尺寸4 915 mm/1 845 mm/1 470 mm軸距2 775 mm驅(qū)動(dòng)型式前置前驅(qū)輪胎235/45 R18整備質(zhì)量1 640 kg發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)最大功率107 kW@6 200 r/min最大扭矩175 N·m@3 500～4 500 r/min電機(jī)類型交流永磁同步電機(jī)最大功率135 kW@3 857～8 000 r/min最大扭矩315 N·m@0～3 857 r/min變速器EV速比8.38發(fā)電速比1.94電池類型鋰離子電池額定容量1.3 kW·h額定電壓260 V冷卻系統(tǒng)空冷電池?cái)?shù)量72個(gè)串聯(lián)

1.2 整車運(yùn)行模式

該車型運(yùn)行模式一共有3大類，分別是純電模式、油電混合模式和純?nèi)加湍Ｊ?，其中油電混合模式又可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電模式和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，不同運(yùn)行模式下的機(jī)械能量傳遞路線分別如圖2—圖4所示。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)純電模式

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)油電混合模式

圖4 動(dòng)力系統(tǒng)燃油模式

根據(jù)車速、油門深度和電池電量等條件的變化，該系統(tǒng)在這幾種模式中切換，以避免能量浪費(fèi)，帶來平順的駕駛體驗(yàn)。

1.3 運(yùn)行模式控制策略

根據(jù)整車實(shí)際的運(yùn)行情況，可以將整車運(yùn)行分為停車、啟停緩加速、低中速運(yùn)行、強(qiáng)力加速、高速運(yùn)行、減速6種情況，如圖5所示。

圖5 整車常用工況劃分

依據(jù)行駛的路況不同，整車動(dòng)力系統(tǒng)的響應(yīng)策略也不斷調(diào)整，大概可以分為以下幾類：(1)在啟停、城市道路工況或低速續(xù)航時(shí)，采用純電運(yùn)行模式運(yùn)行。(2)當(dāng)需要加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)全力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電機(jī)提供動(dòng)力。(3)當(dāng)處于高速巡航狀態(tài)時(shí)，離合器耦合，所有驅(qū)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。具體策略可以參考圖6。

圖6 混合動(dòng)力系統(tǒng)策略響應(yīng)

2 臺(tái)架試驗(yàn)及基本性能解析

目前針對混合動(dòng)力汽車的測試評價(jià)，主要有部分國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 19753-2013《輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》[3]、GB/T 19752-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[4]等，這些標(biāo)準(zhǔn)主要是對整車基本性能進(jìn)行測試評價(jià)，并沒有對策略進(jìn)行解析。為了對該混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)整車的控制策略和基本性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究，對該車型整車進(jìn)行了臺(tái)架測試和解析。采用的測試模式是在整車的實(shí)際工作條件下，將整車的4個(gè)輪胎拆除，將4個(gè)車輪連接到測功系統(tǒng)上，通過加裝相應(yīng)的傳感器和記錄CAN總線的通信參數(shù)，運(yùn)行相應(yīng)的測試工況(如加速、勻速、WLTC法規(guī)工況等)，記錄整車及動(dòng)力系統(tǒng)在各模式下的工作特性。根據(jù)測試結(jié)果對該車型混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本控制策略和性能進(jìn)行研究和分析，圖7為該車型整車的試驗(yàn)臺(tái)架安裝測試圖。

圖7 整車試驗(yàn)臺(tái)架測試

2.1 SOC和電池電壓關(guān)系解析

該車型整車儀表電量顯示為8格，從第2格起對應(yīng)的電池電壓約為245 V，對應(yīng)SOC(State of Charge，電池荷電狀態(tài))為24%；第8格對應(yīng)電池電壓為275 V，對應(yīng)SOC為91%，如圖8所示?？梢钥闯鲈撥嚨腟OC、儀表顯示格數(shù)和電池電壓基本成線性關(guān)系，在低電量狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，使得電池電壓及SOC不會(huì)持續(xù)下跌。值得一提的是，在整車PCU控制器里(如圖1所示)，有一個(gè)DC升壓器，該升壓器會(huì)根據(jù)車速變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電池電壓，該策略在后文中會(huì)專門論述。

圖8 SOC和電池電壓關(guān)系解析

2.2 空擋滑行控制策略解析

圖9 空擋滑行控制策略

目前電動(dòng)車及混動(dòng)車，絕大多數(shù)車型的車輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是機(jī)械直接連接，不可避免的是在整車空擋滑行過程中，整車滑行動(dòng)力會(huì)拖動(dòng)電機(jī)隨動(dòng)。目前各主機(jī)廠在空擋滑行時(shí)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制基本可以分為3種模式。第1種模式為空擋滑行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)被拖動(dòng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)；該狀態(tài)下由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，會(huì)造成整車很強(qiáng)的拖滯感，影響駕乘體驗(yàn)。第2種模式為電機(jī)零扭矩控制，即空擋滑行時(shí)消耗部分電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)保持零扭矩輸出，該方式是目前大部分車型采用的模式。第3種模式是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取關(guān)閉狀態(tài)，這種狀態(tài)對電機(jī)的反電動(dòng)勢有較高的要求，只有很少一部分車輛采用這種模式。通過對該車型進(jìn)行臺(tái)架滑行測試，可以明顯看出該車型是采用第2種模式控制，如圖9所示。

2.3 駐車發(fā)電策略解析

針對目前插電或非插電混合動(dòng)力車型，都有一個(gè)駐車發(fā)電功能，主要是防止在堵車工況下，整車電能因空調(diào)、低壓系統(tǒng)等降至安全警戒以下。對于駐車發(fā)電來講，除了考慮油電轉(zhuǎn)換效率、駕乘體驗(yàn)(駐車發(fā)電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等)外，還需要制定一個(gè)進(jìn)入、退出策略。從圖10可以看出，該車型在不同的模式及是否踩油門狀態(tài)下，有3種駐車發(fā)電策略，以適應(yīng)不同的用戶使用場景。

2.4 電壓隨動(dòng)控制策略

對于大多數(shù)車型來說，整車電池電壓即為整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作電壓，但是，如果要發(fā)揮電驅(qū)系統(tǒng)最佳的性能，在不同的車速下(即驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速下)，電驅(qū)系統(tǒng)對系統(tǒng)工作電壓的特性需求是不一樣的。對混合動(dòng)力車來說，由于電池容量小，電池電壓一般做得較低。從前述內(nèi)容可以看到，該車整車電池額定電壓為260 V，為提高整車性能，在PCU里集成了一個(gè)DC升壓器(如圖1所示)，該升壓器會(huì)隨車速動(dòng)態(tài)調(diào)整電驅(qū)系統(tǒng)的效率，可以較好地提升電驅(qū)系統(tǒng)性能和整車控制性能。

從圖11可以看出，電驅(qū)系統(tǒng)的輸入電壓隨著車速變化，電池電壓從240 V，慢慢隨車速的升高，升至最高720 V左右，并在高車速下保持穩(wěn)定，這樣對電驅(qū)系統(tǒng)的控制及系統(tǒng)效率的提升都有較大幫助。

圖10 駐車發(fā)電策略解析

圖11 DC升壓器輸出電壓隨車速關(guān)系

2.5 行車發(fā)電性能分析

混合動(dòng)力車的核心工作邏輯就是油電工作分配和調(diào)節(jié)，如圖12所示，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)MAP區(qū)域，整車會(huì)根據(jù)策略控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)協(xié)同或獨(dú)立工作。其中評價(jià)驅(qū)動(dòng)模式一個(gè)重要的方面就是行車發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性能，也是影響整車經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。將該指標(biāo)定義為混合驅(qū)動(dòng)效率，如公式(1)所示

(1)

式中：PdynoF為輪端輸出功率，W；FB_VAL為燃油消耗量，kg/h；PDCF為電驅(qū)系統(tǒng)直流側(cè)功率，W；汽油熱值參考值為43 070 kJ/kg。

圖12 混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力分配示意

在該車型進(jìn)行臺(tái)架測試時(shí)，將電池包電量控制在2格以下進(jìn)入行車發(fā)電模式，整車運(yùn)行模式分別為在SPORT模式和默認(rèn)模式下控制車速10～50 km/h(以10 km/h間隔)勻速行駛，和在SPORT模式下，以70、80、90 km/h勻速行駛，測試發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池包和發(fā)電機(jī)功率的變化過程，其測試結(jié)果如圖13、表3所示。

圖13 車速70 km/h的行車發(fā)電示例

表3 行車發(fā)電系統(tǒng)效率

2.6 怠速爬坡控制解析

對于混合動(dòng)力汽車來說，在低速下，一般采用EV模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為了保證低速下的駕駛體驗(yàn)，低速EV的控制穩(wěn)定性是一個(gè)重要評價(jià)方面。采用臺(tái)架模擬整車怠速爬坡的實(shí)車工作模式，測試在不同的道路坡度下，采用怠速模式(0油門)進(jìn)行爬坡，主要關(guān)注是否溜坡、整車是否抖動(dòng)、扭矩是否波動(dòng)劇烈，測試結(jié)果如圖14所示。

圖14 怠速爬坡曲線示意

可以看出：從坡度0逐步增加到坡度10%，整車未發(fā)生溜坡、扭矩波動(dòng)在很小范圍內(nèi)、整車抖動(dòng)亦在可接受范圍內(nèi)，說明該車EV驅(qū)動(dòng)模式的控制性很好。

2.7 發(fā)動(dòng)機(jī)起停策略解析

基于多工作模式的混合動(dòng)力車，發(fā)動(dòng)機(jī)起停對整車經(jīng)濟(jì)性及駕乘體驗(yàn)有著重要的影響。一般來說，發(fā)動(dòng)機(jī)起停有車速起停、功率需求起停2種模式(或者2種模式的混合)，兼顧駕乘體驗(yàn)。

對該混合動(dòng)力車型的整車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在低電量勻速行駛有以下3種情況：

(1)車速在50 km/h以下時(shí)。該混合動(dòng)力系統(tǒng)處于串聯(lián)工作模式，即發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電用于給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng)電量達(dá)到一定條件(車速和行駛模式對電量有影響)后，發(fā)動(dòng)機(jī)停止發(fā)電，進(jìn)入純EV模式，具體發(fā)動(dòng)機(jī)啟停與車速、SOC關(guān)系見表4。

(2)當(dāng)車速在60～80 km/h時(shí)。該混動(dòng)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)入一個(gè)循環(huán)狀態(tài)，即當(dāng)電量低于50%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪端，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，電量上升，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電功率逐漸減小，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，進(jìn)入純EV模式。當(dāng)電量低于50%時(shí)，又重復(fù)以上循環(huán)。

(3)當(dāng)車速高于90 km/h時(shí)。若電量較低時(shí)，該動(dòng)力系統(tǒng)處于串聯(lián)工作模式。若電量處于中等時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力用于輪端驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，拖起驅(qū)動(dòng)電機(jī)，給電池包充電。電量處于較高水平后，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)饋電功率逐漸減小，至幾乎不發(fā)電，基本處于純?nèi)加万?qū)動(dòng)模式。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停與車速、SOC關(guān)系

但在運(yùn)行過程中，也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似系統(tǒng)策略的bug，即車速40 km/h，SOC在49%～54%之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)以48 s為周期反復(fù)起停，如圖15所示。這種情況如果被用戶場景識(shí)別，會(huì)帶來較差的駕乘體驗(yàn),從表3中行車發(fā)電系統(tǒng)效率也可以看出，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的反復(fù)起停，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較其他車速低很多。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)起停bug曲線

2.8 回饋策略解析

制動(dòng)能量回收是新能源車的一大特色，在保證駕乘體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡可能提升制動(dòng)能量回收利用率，可有效改善整車經(jīng)濟(jì)性。一般情況下，新能源乘用車每百公里可回收能量3 kW·h左右。

該混動(dòng)車型整車制動(dòng)回饋策略測試是先把車輛加速至120 km/h后，分別在高、低電量下，以制動(dòng)深度10%為一個(gè)間隔，從0至極限位置進(jìn)行制動(dòng)，測試制動(dòng)過程中實(shí)時(shí)的回饋功率。該車型的測試結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 低電量制動(dòng)回饋功率曲線

圖17 高電量制動(dòng)回饋功率曲線

車輛加速至120 km/h，在高、低電量下制動(dòng)，存在以下現(xiàn)象：

(1)高電量時(shí)，相同制動(dòng)深度(不小于20%)下產(chǎn)生的制動(dòng)力矩相對低電量較大，且存在不同的制動(dòng)力矩策略；低電量制動(dòng)力矩響應(yīng)較快，踩下制動(dòng)很快達(dá)到制動(dòng)力矩峰值，而高電量的制動(dòng)力矩，隨著車速的降低逐漸變大，在車速達(dá)到20 km/h左右才達(dá)到峰值。

(2)高低電量時(shí)的制動(dòng)回饋策略不同。低電量在制動(dòng)瞬間便回饋；而高電量在制動(dòng)深度10%和20%時(shí)，在制動(dòng)瞬間(車速120 km/h)回饋，制動(dòng)深度在30%～80%時(shí)，則在車速降低到100～115 km/h才開始回饋，兩者能量回饋強(qiáng)度相差很大，低電量制動(dòng)回饋功率最高可達(dá)到接近50 kW，而高電量在5 kW以下。

(3)低電量制動(dòng)時(shí)，在開始回饋的瞬間，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)回饋。發(fā)電機(jī)在回饋一段時(shí)間后(制動(dòng)深度越大，時(shí)間越長)停止回饋，轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)回饋，在這個(gè)過程中，系統(tǒng)始終在回饋電能，直到車速降到0 km/h；高電量制動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)始終不會(huì)回饋電能，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)回饋。車速不到0 km/h，回饋就會(huì)停止，制動(dòng)深度越小，停止回饋時(shí)的車速越大，滑行(0制動(dòng))時(shí)，退出回饋時(shí)的車速為31 km/h，制動(dòng)深度為80%時(shí)，退出制動(dòng)的車速為12 km/h。在整個(gè)制動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)基本不會(huì)退出工作。

2.9 雙動(dòng)力分配解析

動(dòng)力分配解析是針對在踩踏一定程度油門下加速及加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)在這個(gè)過程中的動(dòng)力分配情況。通過對該車整車在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上模擬不同油門下的加速及超越加速工況，分析發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的工作區(qū)域限制及特性，基本測試結(jié)果如圖18和圖19所示。

圖18 車速10 km/h油門5%～25%工作示例

圖19 車速60 km/h油門30%工作示例

通過對測試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

(1)當(dāng)車速和油門較低(車速50 km/h以下，油門15%以下)時(shí)，若電量低于50%，發(fā)動(dòng)機(jī)開始發(fā)電，僅有電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電量上升到55%以上(油門越大，電量越高)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止發(fā)電，退出工作。若電量下降到50%以下，會(huì)重復(fù)上述循環(huán)。

(2)當(dāng)油門達(dá)到20%以上時(shí)，前期發(fā)動(dòng)機(jī)參與發(fā)電，當(dāng)電量達(dá)到一定條件，發(fā)動(dòng)機(jī)退出發(fā)電，參與驅(qū)動(dòng)。

(3)當(dāng)油門穩(wěn)定在30%以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，僅由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力用于加速。表5和表6表示不同車速下發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)的界限。

表5 車速不超過60 km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作界限

表6 車速在60 km/h以上時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作界限

3 結(jié)論

與豐田THS混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，該雙電機(jī)架構(gòu)混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)最大的區(qū)別在于變速箱沒有行星齒輪，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單。從整個(gè)試驗(yàn)解析來看，該混合動(dòng)力車更像一輛電動(dòng)車，混合動(dòng)力系統(tǒng)更多地工作在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車的工作模式。當(dāng)整車處于低電量狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過發(fā)電機(jī)提供給電池包和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；若電量足夠時(shí)，則參與驅(qū)動(dòng)或不工作。這樣實(shí)現(xiàn)了不同工況的無縫連接，最大程度地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。在制動(dòng)回饋階段，若電量較低，回饋的響應(yīng)時(shí)間比較快，并且回饋功率大，當(dāng)處于高電量時(shí)則相反。測試的同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，因整車集成化程度較高，在高電量回饋時(shí)，有部分回饋功率的傳遞路徑?jīng)]有確定，這還需要進(jìn)一步的研究。