孫永正， 韓志玉， 劉 華， 徐梓峰

（1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.南昌濟鈴新能源科技有限責任公司，江西 南昌 330000；3.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌330000）

混合動力汽車具有節(jié)能環(huán)保、技術成熟的特點，是汽車產業(yè)發(fā)展的重要方向之一。當前，串聯（含增程式）、單電動機并聯、功率分流和雙電動機串并聯等構型是全球混合動力車輛的主流技術方向［1］。串并聯混合動力車輛在低車速工況下純電或串聯驅動、在高車速工況下發(fā)動機直接驅動，這樣能夠合理利用電動機和發(fā)動機高效工作區(qū)域，提高整車燃油經濟性。串并聯混合動力汽車性能特點促使各大車企和科研機構進行產品開發(fā)和系統優(yōu)化。比亞迪的DM-i （Dual Model intelligent）系統、本田的i-MMD（intelligent Multi-Mode Drive）系統［2］采用了一擋變速箱，長城的檸檬混合動力系統、廣汽的GMC（Guangzhou Automobile Company Electromechanical Coupler）2.0系統采用了兩擋變速箱，奇瑞的鯤鵬混合動力系統則采用了三擋變速箱。Fischer等［3］對兩擋變速箱的串并聯混合動力系統進行了深入研究；Han 等［4］和高曉杰等［5］開發(fā)了一擋變速箱的串并聯混合動力系統車輛以及整車控制策略，對一擋變速箱的串并聯混合動力系統進行了深入研究。當前對增程式混合動力系統、并聯混合動力系統、串并聯混合動力系統和功率分流混合動力系統進行對比分析的研究較多［6-8］，Xu等［9］對串并聯機電耦合系統方案進行優(yōu)化設計并對串并聯混合動力車輛與串聯混合動力車輛的性能進行對比分析。對串并聯混合動力系統的模式切換策略［10］和能量管理策略［11］的研究通?；谔囟ㄗ兯傧鋼跷卉囕v，或者基于特定變速箱擋位，分析串并聯混合動力車輛各動力部件功率大小對整車燃油經濟性的影響［12］。本研究分析了發(fā)動機側擋位數對串并聯混合動力車輛整車性能的影響。

以一款不可外接充電的串并聯混合動力運動型多功能車（SUV）為研究對象，仿真分析變速箱發(fā)動機側速比對整車性能的影響。首先，設計了整車控制策略并搭建整車仿真模型，通過臺架試驗驗證該模型；然后，采用試驗設計（DOE）方法對不同擋位變速箱的速比進行整車油耗和動力性能的仿真，確定3種變速箱的最優(yōu)速比；最后，從仿真結果中得出不同擋位數的串并聯混合動力車輛特點，并給出整車動力部件選型匹配和發(fā)動機優(yōu)化需求。

1 整車仿真模型及控制策略

1.1 串并聯混合動力系統構型

串并聯混合動力系統由發(fā)動機、MG1 電動機、MG2 電動機和變速箱組成，系統構型如圖1 所示。在車輛行駛過程中，通過控制C1離合器、S1同步器、S2同步器、發(fā)動機、MG1電動機和MG2電動機等部件的工作狀態(tài)，使該構型車輛能夠實現純電驅動、串聯驅動和并聯驅動等3種整車驅動模式。

圖1 串并聯混合動力系統構型Fig.1 Configuration of series-parallel hybrid system

為了探究發(fā)動機側擋位對串并聯混合動力車輛動力性和經濟性的影響，分別配置一擋、兩擋和三擋變速箱，同時保持整車其他參數相同，進行整車性能仿真。不同擋位變速箱的差異主要是齒輪組及匹配的同步器的差異。

1.2 整車控制策略

首先對MG1電動機和MG2電動機進行功能區(qū)分。MG1電動機主要用于串聯模式下發(fā)電、并聯模式下輔助發(fā)電以調整發(fā)動機工作點，MG2電動機主要用于車輛驅動及制動能量回收。發(fā)動機、MG1電動機和MG2 電動機在不同驅動模式下的功能定義如表1所示。整車控制策略包括5個功能模塊，分別為駕駛轉矩解析模塊、整車系統能力模塊、混合動力模式決策及擋位控制模塊、能量管理策略模塊和轉矩干預模塊。整車控制系統根據駕駛需求轉矩和實際混合動力模式，以等效油耗最小策略（ECMS）確定各部件的能量管理控制需求。

表1 動力部件功能Tab.1 Function of powertrain components

1.3 整車能量管理策略

整車能量管理策略包括驅動工況下的轉矩分配策略和制動工況下的轉矩分配策略。對研究車輛配置線控電子液壓制動系統，在WLTC（worldwide harmonized light vehicles test cycle）中采用只有驅動電動機能量回收的制動模式，該模式能夠滿足ECE R13法規(guī)要求。不可外接插電車輛可以采用等效油耗最小策略［1］。在相同的駕駛需求轉矩下，分別計算純電驅動、串聯驅動和并聯驅動3 種模式的等效燃油消耗流量，選取其中最小等效燃油消耗流量的模式為整車目標模式。

在純電驅動模式中，MG2電動機驅動車輛的等效燃油消耗質量流量是MG2 驅動電動機和附件損失的等效燃油消耗質量流量之和，即：

式中：為純電驅動模式下的等效燃油消耗質量流量，g·h-1；為MG2 電動機等效燃油消耗質量流量，g·h-1；CLoss為附件損失等效燃油消耗質量流量，g·h-1；TReq為駕駛需求轉矩，N·m；nMG2為MG2 電動機轉速，r·min-1；ηMG2_d為MG2電動機驅動效率為電動機發(fā)電平均效率；ηBat為電池充電和放電的總效率；為發(fā)電工況中發(fā)動機比油耗平均值，g·（kW·h）-1。

在串聯驅動模式中，當MG1電動機發(fā)電功率大于整車需求電功率時，增程器中多于整車需求的發(fā)電功率充入動力電池包；當MG1電動機發(fā)電功率小于整車需求電功率時，動力電池補充不足的電功率至MG2 電動機。根據駕駛需求計算出等效最小燃油消耗為

式中：為串聯驅動模式下的等效燃油消耗質量流量，g·h-1；為發(fā)動機等效燃油消耗質量流量，g·h-1；為電池等效燃油消耗質量流量，g·h-1；為電池包充電狀態(tài)下的等效燃油消耗質量流量，g·h-1；為電池包放電狀態(tài)下的等效燃油消耗質量流量，g·h-1；PMG2為MG2 電動機電功率，kW；PMG1為MG1 電動機電功率，kW；TEng為發(fā)動機轉矩，N·m；nEng為發(fā)動機轉速，r·min-1；bEng為發(fā)動機比油耗，g·（kW·h）-1；為電動機驅動平均效率。。

在并聯驅動模式中，發(fā)動機和MG2電動機參與驅動，MG1 電動機負責輔助發(fā)電，從而優(yōu)化發(fā)動機工作點。駕駛需求轉矩可表示為：

式中：TMG2為MG2 電動機需求轉矩，N·m；TMG1為MG1電動機需求轉矩，N·m；x為發(fā)動機轉矩分配系數；y為MG2電動機轉矩分配系數；z為MG1電動機轉矩分配系數。

根據駕駛需求得出的等效最小燃油消耗公式為：

式中：為并聯模式下的等效燃油消耗質量流量，g·h-1；ηMG1_c為MG1 電動機發(fā)電效率；為MG1 電動機等效燃油消耗質量流量，g·h-1；nMG1為MG1電動機轉速，r·min-1。因此，優(yōu)化目標函數為：

式中：TEng_min為發(fā)動機最小可用轉矩，N·m；TEng_max為發(fā)動機最大可用轉矩，N·m；TMG1_min為MG1 電動機最小可用轉矩，N·m；TMG1_max為MG1 電動機最大可用轉矩，N·m；TMG2_min為MG2 電動機最小可用轉矩，N·m；TMG2_max為MG2 電動機最大可用轉矩，N·m；PBat為動力電池功率，kW；PBat_min為動力電池最小可用功率；PBat_max為動力電池最大可用功率，kW。

1.4 整車仿真模型及驗證

在Matlab/Simulink 軟件中搭建控制策略模型，在AVL Cruise仿真軟件中構建車輛物理仿真模型。車輛物理仿真模型通過接口模型和控制策略模型的動態(tài)鏈接庫通信實現聯合仿真，進而驗證整車動力性與經濟性。開發(fā)的整車控制策略和整車仿真模型在同濟大學增程式混合動力系統（TJEHT）車輛上進行了仿真、臺架和實車試驗驗證［5］。TJEHT 與如圖1所示的串并聯系統相似，如圖2所示。

圖2 TJEHT車輛控制結構Fig.2 Control architecture of the TJEHT vehicle

在TJEHT 臺架上驗證了仿真結果和試驗結果的誤差，其中換擋時間誤差在0.2 s 以內，轉矩分配系數誤差在5%以內，發(fā)動機油耗差別在5%以內。搭載TJEHT的車輛測試結果表明，基于等效油耗最小策略得出的整車轉矩分配系數可以保證車輛行駛過程中發(fā)動機工作點在比油耗相對較低區(qū)域。詳細的整車試驗介紹和結果分析見文獻［4-5］，此處不再贅述。

2 變速箱速比尋優(yōu)

DOE 方法是研究和處理多控制因子與響應變量關系的一種方法，可將多個變量因子與優(yōu)化目標建立起響應面數學模型，進而找到總體最優(yōu)方案［13］。以一款非插電式串并聯混合動力五座SUV 為研究對象，采用DOE 方法指導變速箱速比尋優(yōu)仿真試驗，根據仿真結果建立燃油經濟性和加速性的響應面數學模型，從中找出燃油經濟性最優(yōu)的速比。該仿真主要是從DOE 理論上分析速比對整車性能的影響，為整車開發(fā)提供最優(yōu)速比參考，后續(xù)實際速比則需要根據齒數比確定。

2.1 整車參數

整車、發(fā)動機、動力電池包、MG1電動機和MG2電動機參數如表2所示。

表2 整車參數Tab.2 Vehicle parameters

2.2 變速箱速比尋優(yōu)邊界

串并聯混合動力車輛的動力性能指標由電動機及其速比優(yōu)化來實現，燃油經濟性指標則由發(fā)動機工作點調整來實現。在MG2 電動機及其速比已經確定的情況下，以整車燃油經濟性作為速比尋優(yōu)目標。最高車速確定了高速擋傳動比上限值為4.5，并聯模式的最高車速和發(fā)動機最小驅動轉速確定了高速擋傳動比下限值為2.0；速比尋優(yōu)間隔則以發(fā)動機轉速200～400 r·min-1為標準；根據常用車速的計算結果選取傳動比間隔為0.5。

2.3 一擋變速箱速比尋優(yōu)

設置一擋變速箱的速比為2.5～4.5，進行WLTC 仿真和全油門加速仿真，結果如圖3 所示。根據整車油耗最優(yōu)原則選定一擋變速箱的速比為3.0，這時整車百公里油耗為5.62 L，百公里加速時間為10.02 s。

圖3 一擋變速箱的整車性能Fig.3 Vehicle performance of one-gear transmission

2.4 兩擋變速箱速比尋優(yōu)

設置兩擋變速箱的第一擋速比范圍為3.0～4.5，第二擋速比范圍為2.0～3.5，對不同速比組合進行WLTC仿真和全油門加速仿真。圖4給出了不同速比組合的百公里油耗。根據整車油耗最優(yōu)原則選定兩擋變速箱的速比分別為3.5和2.5，這時整車百公里油耗為5.57 L，百公里加速時間為9.53 s。

圖4 兩擋變速箱油耗性能Fig.4 Vehicle fuel performance of two-gear transmission

2.5 三擋變速箱速比尋優(yōu)

設置三擋變速箱的第一擋速比范圍為4.0～8.0，第二擋速比范圍為3.0～6.0，第三擋速比范圍為2.0～4.0。3個擋位的速比組合方案如表3所示。對不同速比組合進行WLTC仿真和全油門加速仿真。

表3 三擋變速箱仿真方案Tab.3 Simulation scheme of three-gear transmission

表4給出了不同速比組合的百公里油耗和百公里加速時間。根據整車油耗最優(yōu)原則選定三擋變速箱的速比分別為5.5、3.5和2.5，這時整車百公里油耗為5.56 L，百公里加速時間為7.84 s。

表4 三擋變速箱仿真結果Tab.4 Simulation results of three-gear transmission

2.6 變速箱尋優(yōu)結果

根據仿真結果確定了一擋、兩擋和三擋變速箱擋位的最優(yōu)速比，得到了百公里油耗和百公里加速時間結果，如表5所示。由表5可知，一擋、兩擋和三擋變速箱的車輛百公里油耗和高速擋速比值接近，隨著擋位增多，百公里加速時間逐漸減小。

表5 變速箱尋優(yōu)后的整車性能Tab.5 Vehicle performance after transmission optimization

3 整車和能源部件性能影響分析

3.1 整車動力性分析

串并聯混合動力車輛在低速起步階段只有MG2 電動機參與驅動，進入并聯模式后發(fā)動機和MG2 電動機參與驅動。由圖5 可知，起步階段加速曲線相同，車輛進入并聯模式后加速曲線出現差異。車輛變速箱第一擋速比越大，車輛加速性能越好。

圖5 不同變速箱的整車加速曲線Fig.5 Vehicle acceleration curve of different transmissions

由圖6 可知，在低速階段只有MG2 電動機參與驅動，3種變速箱的最大爬坡度相同。當車輛進入并聯模式后，三擋變速箱車輛最大爬坡能力最強。

圖6 不同變速箱的車輛最大爬坡度Fig.6 Vehicle maximum grade of different transmissions

3.2 整車經濟性分析

變速箱導致的動力部件工作點不同是整車油耗差異的主要原因。由圖7a可知：一擋變速箱車輛發(fā)動機工作點的轉速范圍大；三擋變速箱車輛發(fā)動機較多直接參與驅動，發(fā)動機較少輔助發(fā)電；兩擋變速箱車輛發(fā)動機工作點則介于兩者之間。由圖7b 可知，不同擋位變速箱的MG2電動機再生制動工作點分布范圍接近，變速箱擋位越多，MG2 電動機在高轉速區(qū)域工作點數量越多。

圖7 動力部件工作點分布Fig.7 Operating point distribution of powertrain components

圖8給出了3種變速箱車輛在WLTC下的擋位分布，經統計可知，一擋、兩擋和三擋變速箱的升擋次數分別為11次、19次和23次。換擋過程中的發(fā)動機驅動力中斷由MG2電動機補償，在WLTC下MG2電動機補償的能量分別為0.09、0.18、0.27 kW·h。在發(fā)動機比油耗較大區(qū)域，MG2電動機驅動比發(fā)動機直驅消耗更多燃油。由此可見，換擋次數會影響整車油耗。

圖8 變速箱擋位切換圖Fig.8 Transmission gear position diagram

3.3 改善發(fā)動機油耗的影響分析

該SUV 整車整備質量為1 711 kg，根據GB/T 27999—2019 規(guī)定，2025 年后該車型百公里油耗目標值為5.13 L。若以改善發(fā)動機來達到整車油耗目標，則應降低發(fā)動機常用工況比油耗，即改善發(fā)動機低速中高負荷的油耗。整車油耗的仿真結果如表6所示，一擋、兩擋和三擋變速箱車輛的油耗分別降低10.7%、11.3%和10.3%。不同擋位變速箱車輛的整車油耗下降率差別不大，兩擋變速箱車輛略低，這是因為兩擋變速箱車輛發(fā)動機工作點分布相對最集中。由此可見，若采用新的發(fā)動機，兩擋變速箱的整車燃油經濟性較優(yōu)，故推薦采用兩擋變速箱。

表6 整車油耗改善結果Tab.6 Improvement of vehicle fuel consumption

4 結論

（1） 串并聯混合動力車輛變速箱擋位影響并聯模式下的整車加速性能和爬坡性能，兩擋和三擋車輛的百公里加速時間比一擋分別提升5%和22%，同時中高速的最大爬坡度也分別提升8%和20%。

（2） 串并聯混合動力車輛不同擋位變速箱對整車燃油經濟性影響較小，兩擋和三擋車輛的百公里油耗比一擋車輛分別提升0.9%和1.1%，同時不同擋位的高速擋速比接近。

（3） 串并聯混合動力車輛的變速箱擋位越多，整車對動力電池功率和電量需求越弱。

（4） 若改善發(fā)動機低轉速中高負荷區(qū)域的比油耗，則一擋、兩擋和三擋變速箱車輛的油耗分別降低10.7%、11.3%和10.3%，不同擋位的整車油耗下降率差別不大。

作者貢獻聲明：

孫永正：試驗設計，控制策略及仿真模型搭建，仿真及試驗數據處理。

韓志玉：提供項目資金和項目全過程中的技術指導。

劉 華：整車技術要求及仿真方案確定。

徐梓峰：整車及動力部件參數輸入，仿真控制參數推薦。