蘇天晨

（國(guó)家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心）

隨著國(guó)家油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，目前來(lái)看國(guó)家第五階段乘用車燃料限值將會(huì)降到4 L/100 km，這是傳統(tǒng)燃油車很難達(dá)到的限值，而純電動(dòng)汽車的里程焦慮和充電焦慮也成為制約純電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸[1]。文章所探討的單行星排式動(dòng)力耦合系統(tǒng)是基于某2 擋自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)原理改進(jìn)而來(lái)，其目的是為了解決混聯(lián)式混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)短缺的現(xiàn)狀，擴(kuò)充企業(yè)產(chǎn)品線。該動(dòng)力耦合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的扭矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合，具有較好的節(jié)油表現(xiàn)和動(dòng)力性能。此外行星式混合動(dòng)力系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)客車市場(chǎng)領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[2]。

1 系統(tǒng)構(gòu)型分析

原型行星動(dòng)力耦合系統(tǒng)的原型，如圖1 所示。動(dòng)力源從左側(cè)輸入端輸入，通過(guò)行星排傳遞到車輪上。當(dāng)離合器C1 接合，離合器C2 分離時(shí)，動(dòng)力由太陽(yáng)輪通過(guò)行星架傳遞到車輪上，速比為1+k，k 為太陽(yáng)輪與齒圈的傳動(dòng)比；當(dāng)離合器C1 分離，離合器C2 接合時(shí)，太陽(yáng)輪與行星架鎖止，動(dòng)力由太陽(yáng)輪和行星架共同傳出，速比為1。更改后的動(dòng)力耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。在原有行星架端的主減端增加1 個(gè)離合器C3，再連接1 個(gè)IGS 系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)MT1），驅(qū)動(dòng)電機(jī)MT2 與原輸入端的太陽(yáng)輪相連。利用MT1 反拖啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并通過(guò)離合器C3 的分離與接合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的串聯(lián)與并聯(lián)的切換。

圖1 原2 擋自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 更改后的動(dòng)力耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 動(dòng)力耦合系統(tǒng)原理分析

由于動(dòng)力耦合系統(tǒng)的本質(zhì)是單行星排結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且工作效率高，通過(guò)離合器C1 和離合器C2 實(shí)現(xiàn)擋位切換及轉(zhuǎn)速扭矩的傳遞[3]。

由于是單行星排結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)速和扭矩有如下關(guān)系：

式中：ns，nr，nc——太陽(yáng)輪、行星架和齒圈轉(zhuǎn)速，r/min；

Tr，Ts，Tc——太陽(yáng)輪、行星架和齒圈的扭矩，N·m。

聯(lián)立式（1）～式（3）可求出太陽(yáng)輪與行星架的扭矩關(guān)系為：

通過(guò)對(duì)耦合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的分析可知，當(dāng)C1結(jié)合，C2 分離時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：

當(dāng)C1 分離，C2 結(jié)合時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：

3 模式分析

通過(guò)3 個(gè)離合器的分離與結(jié)合，該耦合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)整車的停車充電、純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)模式、并聯(lián)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且充電、再生制動(dòng)等多種工作模式。在不同的驅(qū)動(dòng)需求下，通過(guò)合理的模式選擇，可以有效地提升整車的油耗水平[4]。

動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型的工作模式及各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)構(gòu)型工作模式

4 仿真分析

4.1 整車參數(shù)

整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能是考核動(dòng)力耦合裝置可行性的重要指標(biāo)，特別是經(jīng)濟(jì)性能，根據(jù)國(guó)家新能源積分與補(bǔ)貼政策的相關(guān)法規(guī)規(guī)定，PHEV 的節(jié)油效果需在30%以上[5]。為了方便對(duì)比分析，選擇現(xiàn)有產(chǎn)品車型進(jìn)行對(duì)比模擬分析，在保留原有發(fā)動(dòng)機(jī)不變的前提下，增加動(dòng)力耦合系統(tǒng)，其仿真整車參數(shù)，如表2 所示。現(xiàn)有車型的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性實(shí)測(cè)值，如表3 所示。純電動(dòng)續(xù)駛里程的目標(biāo)值設(shè)為70 km。

表2 仿真整車模型參數(shù)

表3 現(xiàn)有車型測(cè)試值

4.2 整車物理模型搭建

通過(guò)AMEsim 軟件建立整車物理模型，搭建動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的模型，并結(jié)合IPF 整車模型庫(kù)搭建整車物理模型。創(chuàng)建與Simulink 聯(lián)合仿真的接口模塊，將Simulink 建立的控制模型與整車物理模型結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)整車的聯(lián)合仿真，如圖3 所示。

圖3 整車物理模型搭建界面示意圖

4.3 整車控制模型搭建

整車控制模型[6]，如圖4 所示。

圖4 整車控制邏輯模型

由于不同的驅(qū)動(dòng)模式對(duì)整車需要的行駛扭矩和各動(dòng)力總成的輸出扭矩有所不同，因此需要對(duì)各動(dòng)力總成的輸出扭矩進(jìn)行扭矩分配[7-8]。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩計(jì)算：當(dāng)整車處于并聯(lián)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且充電等模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩（Te/N·m）應(yīng)盡量運(yùn)行在最佳工作曲線上，如式（9）所示；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)等于整車的需求扭矩，如式（10）所示。

式中：Topt——發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線扭矩，N·m；

TVehicle——整車需求扭矩，N·m。

2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩計(jì)算：驅(qū)動(dòng)電機(jī)MT2 在純電動(dòng)模式和能量回收模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩（TM/N·m）等于整車的需求扭矩，如式（11）所示；而在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩需要補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，如式（12）所示。

式中：TBrake——能量回收扭矩，N·m。

3）發(fā)電機(jī)扭矩計(jì)算：發(fā)電機(jī)的主要作用是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，在串聯(lián)模式或停車充電時(shí)，發(fā)電機(jī)的扭矩（TG/N·m）等于發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，如式（13）所示；在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且充電模式時(shí)，發(fā)電機(jī)扭矩應(yīng)等于發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余扭矩，如式（14）所示。

4.4 模式切換分析

在仿真開(kāi)始時(shí)，設(shè)置動(dòng)力電池的SOC 初始值為95，整車只由驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入純電動(dòng)模式。當(dāng)動(dòng)力電池的SOC 值下降到30%時(shí)，仿真退出CD 模式，進(jìn)入CS 模式[9]，如圖 5 所示。從 NEDC 工況的仿真結(jié)果來(lái)看，由于設(shè)置的整車需求功率的閾值較大，且由于主減速比較小，造成發(fā)動(dòng)機(jī)介入驅(qū)動(dòng)整車的車速較高。在前4 個(gè)UDC 工況中并沒(méi)有啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)只在EUDC 工況中才被啟動(dòng)，并進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且充電模式，以保證動(dòng)力電池SOC 值的平衡（結(jié)束值為30.104，變化率為0.35%）。在整個(gè)仿真過(guò)程中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)模式的順利切換，而且能夠?qū)崿F(xiàn)整車純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)能量回收、機(jī)械制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且充電多種模式，可有效地支撐控制策略和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖6 所示。

圖5 動(dòng)力電池SOC 變化曲線

圖6 NEDC 工況下模式切換狀態(tài)

4.5 仿真結(jié)果對(duì)比

在仿真模型中分別建立0～100 km/h 加速時(shí)間、30～100 km/h 加速時(shí)間、最大爬坡度、NEDC 油耗、百公里電耗和純電動(dòng)續(xù)駛里程的仿真工況，其仿真結(jié)果，如表3 所示。從仿真結(jié)果可以看出，更換完動(dòng)力耦合系統(tǒng)的車型其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都較原車型有很大提升，特別是在NEDC 油耗上，由原車型的7.2 L/100 km 下降至4.3 L/100 km，節(jié)油率達(dá)到了40.2%，節(jié)油效果明顯，符合動(dòng)力耦合裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的初衷。

表3 各仿真工況下原車型和新車型的仿真結(jié)果

4.5.1 經(jīng)濟(jì)性分析

在CD 模式中，整車以純電動(dòng)模式行駛，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率的高低決定了整車在該模式下經(jīng)濟(jì)性的好壞。當(dāng)動(dòng)力耦合器只有1 個(gè)擋位時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩根據(jù)工況被動(dòng)地輸出，無(wú)法調(diào)節(jié)。當(dāng)動(dòng)力耦合器存在2 個(gè)擋位時(shí)，可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率調(diào)節(jié)擋位，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)間內(nèi)，以提高整車的經(jīng)濟(jì)性。NEDC 可換擋和不可換擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)，如圖7 所示。可換擋的工況點(diǎn)更接近驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效區(qū)間，因此無(wú)換擋時(shí)的電耗為11.41 kW·h/100 km，可換擋時(shí)的電耗為10.1 kW·h/100 km，較無(wú)換擋時(shí)降低了11.4%，續(xù)駛里程也由原來(lái)的62 km 提升到了72 km。

圖7 耦合機(jī)構(gòu)可換擋與不可換擋時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工況點(diǎn)

在CS 模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)在EUDC 工況中啟動(dòng)運(yùn)行，其運(yùn)行工況，如圖8 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的工況點(diǎn)絕大多數(shù)都可控制在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線上，使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

圖8 NEDC 工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)分布

4.5.2 動(dòng)力性分析

在 0～100 km/h 和 30～100 km/h 加速時(shí)間的 2 個(gè)加速工況中，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，如圖9 所示。因車速較低時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，無(wú)法啟動(dòng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)均在車速為40 km/h 時(shí)介入。

圖9 不同整車加速工況車速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲線

5 結(jié)論

文章以2 擋自動(dòng)變速器為原型，設(shè)計(jì)出一款新型混聯(lián)式動(dòng)力耦合系統(tǒng)，并證明了混聯(lián)式動(dòng)力耦合系統(tǒng)的可行性，為以后的系統(tǒng)參數(shù)匹配和能量管理策略的協(xié)同優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。由于仿真分析是選用現(xiàn)有零部件進(jìn)行，后續(xù)仍需根據(jù)混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行動(dòng)力耦合系統(tǒng)和整車關(guān)鍵零部件的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。雖然結(jié)果表明動(dòng)力耦合系統(tǒng)節(jié)油效果明顯，但所用模型沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)匹配和能量管理策略優(yōu)化，仿真結(jié)果與實(shí)車結(jié)果必然存在差別，因此需要后續(xù)的匹配分析和實(shí)車驗(yàn)證。