摘 要：混合動(dòng)力汽車有多個(gè)能量源，汽車控制器在不同的工況需要協(xié)調(diào)選擇不同的能量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而混合動(dòng)力汽車既有串聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)也有并聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)，不同的驅(qū)動(dòng)方式能量損耗不同，如何提升能量的傳遞效率，一直都是多能源動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵。本論文首先通過(guò)研究混合動(dòng)力汽車各部件間的速比關(guān)系，得出優(yōu)化速比可以使得各部件間傳遞效率得到共同提升的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各驅(qū)動(dòng)模式的傳遞效率并得到平衡曲線，以此優(yōu)化串并聯(lián)模式切換時(shí)機(jī)，提升了整車的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：能量源 能量傳遞效率 串并聯(lián) 模式切換時(shí)機(jī)

0 引言

近些年來(lái)，由于國(guó)家政策的導(dǎo)向、油耗排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛、市場(chǎng)需求逐步明朗，國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)如雨后春筍般崛起[1]，混合動(dòng)力汽車逐漸成為市場(chǎng)的寵兒?；旌蟿?dòng)力汽車因?yàn)槠浼軜?gòu)的特性，在整車的行駛過(guò)程中出于對(duì)駕駛性以及經(jīng)濟(jì)性的考慮，需要適時(shí)改變其驅(qū)動(dòng)方式來(lái)完成這些目的，但是驅(qū)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變，往往涉及到整車動(dòng)力源的切換，如何把握時(shí)機(jī)完成驅(qū)動(dòng)模式的切換，一直是混合動(dòng)力汽車研究的重要課題，也是車輛是否能夠擁有好的駕駛性及動(dòng)力性的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，研究模式切換的控制是一個(gè)解決混合動(dòng)力汽車駕駛性與經(jīng)濟(jì)性非常重要的手段。

市面上主流的混合動(dòng)力汽車采用P1+P3前驅(qū)的動(dòng)力組合方案，區(qū)別于增程車輛的串聯(lián)模式（HEV）模式和純電（EV）模式，P1+P3架構(gòu)還存在另一種混合動(dòng)力模式，即并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。在并聯(lián)模式下，離合器結(jié)合，此時(shí)車輛主要由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)提供部分加速助力扭矩或發(fā)電扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率通過(guò)“機(jī)械傳動(dòng)”傳遞至車輪[2]。

為了保證車輛的平順性，市面上一般采用單檔結(jié)構(gòu)使發(fā)動(dòng)機(jī)一檔介入驅(qū)動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)直接介入驅(qū)動(dòng)前需要進(jìn)行整車的模式切換：由串聯(lián)驅(qū)動(dòng)切換成并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。目前切換時(shí)機(jī)的選擇上主要是通過(guò)對(duì)車速、需求功率等條件的判斷進(jìn)行判斷，如太原理工大學(xué)范長(zhǎng)盛的基于模糊PI控制方法[3]；吉林大學(xué)的巴特等人的基于計(jì)時(shí)、濾波、模糊邏輯和滯回的方法抑制模式控制方法[4]。本文結(jié)合對(duì)整車的硬件速比以及整車傳遞效率的研究，提出一種利用最高傳遞效率為界線的方法進(jìn)行整車模式切換選擇，以達(dá)到提高整車的經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 汽車油電轉(zhuǎn)換基本參數(shù)

在研究車輛的經(jīng)濟(jì)性前，需要先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)研究。一般通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性研究發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油電轉(zhuǎn)換效率來(lái)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)性能指標(biāo)。一般的，用每度電（kWh）發(fā)電量所消耗的燃料質(zhì)量來(lái)確定其燃油效率。

如表1是根據(jù)國(guó)標(biāo)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T 2589）的各能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)，其中可以得到汽油的平均發(fā)熱量。通過(guò)計(jì)算，理想情況下，1kg汽油完全燃燒產(chǎn)生的熱量為11.96kWh，而一度電產(chǎn)生的熱量和83.61g汽油完全燃燒產(chǎn)生的熱量是相當(dāng)?shù)摹?/p>

公式1為功率計(jì)算公式，利用公式可計(jì)算油電的相互轉(zhuǎn)換。

式中，W是電功率（kwh）;P是功率（kW）;S是時(shí)間（h）。

如研究某車型比油耗最低為205g/kWh，如圖1所示，即每發(fā)一度電需要消耗205g燃油，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)燃油消耗量來(lái)說(shuō)則是83.61/205≈0.4079，即發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率為40.79%。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率越高，說(shuō)明其性能越好。

從發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳效率是需要運(yùn)行在一定的轉(zhuǎn)速扭矩區(qū)域即一定功率內(nèi)的，在串聯(lián)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸是解耦的，并不直接參與驅(qū)動(dòng)，可以隨時(shí)調(diào)整功率使得其絕大部分處于最佳效率內(nèi)。而在并聯(lián)模式，由于發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸單檔進(jìn)行耦合，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速相關(guān)，不能隨意調(diào)整，所以找到一個(gè)效率平衡點(diǎn)對(duì)兩種模式的切換來(lái)說(shuō)非常有意義。

2 各耦合速比優(yōu)化

2.1 優(yōu)化發(fā)電速比

由于發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)是時(shí)刻耦合的兩個(gè)部件，所以需要對(duì)與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的P1電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使其在合適的效率區(qū)間。如公式2所示。

式中，N1是P1電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm/min）；N是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm/min）；G1是兩者之間速比。

為保證較佳的發(fā)電效率，經(jīng)過(guò)速比轉(zhuǎn)化后的P1電機(jī)的效率圖應(yīng)該盡可能地處于發(fā)動(dòng)機(jī)最佳熱效率附近，使得整車的發(fā)電效率與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率高度重合，得到較佳的經(jīng)濟(jì)性。如圖2所示為速比優(yōu)化前的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性與經(jīng)過(guò)速比轉(zhuǎn)化后的P1電機(jī)效率圖，圖3為速比優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性與經(jīng)過(guò)速比轉(zhuǎn)化后的P1電機(jī)效率圖。

從上面兩個(gè)圖中對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的速比可以將P1電機(jī)的最高效率區(qū)與發(fā)動(dòng)機(jī)的較高熱效率區(qū)重合在一起，只需要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)，發(fā)電機(jī)P1將穩(wěn)定運(yùn)行在高效率區(qū)，絕大部分工況下發(fā)電機(jī)的效率將在95%以上。

2.2 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)速比

保證較高的驅(qū)動(dòng)效率同樣重要，效率越高，驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)化的能量越多。在并聯(lián)模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速比是一定的，都會(huì)通過(guò)一個(gè)速比作用到驅(qū)動(dòng)軸上。并聯(lián)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與P3轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換如公式3所示

式中，N2是P3電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm/min）；N是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm/min）；G2是發(fā)動(dòng)機(jī)的直驅(qū)單檔速比；G3是驅(qū)動(dòng)電機(jī)P3速比。

如圖4所示為速比優(yōu)化前的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性與經(jīng)過(guò)速比轉(zhuǎn)化后的P3電機(jī)效率圖，圖5為速比優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性與經(jīng)過(guò)速比轉(zhuǎn)化后的P3電機(jī)效率圖。

一樣的，從上面兩個(gè)圖對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的速比可以將P3電機(jī)的最高效率區(qū)與發(fā)動(dòng)機(jī)的較高熱效率區(qū)重合在一起，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)的時(shí)候，保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)的在經(jīng)濟(jì)區(qū)間。

3 效率計(jì)算

在確保發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)對(duì)應(yīng)的電機(jī)效率都較高后，根據(jù)并聯(lián)下發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)的效率與相同功率下的串聯(lián)模式的效率找到串并聯(lián)的平衡點(diǎn)。如公式4、5所示：

式中，為并聯(lián)直驅(qū)軸上總效率；為常數(shù)項(xiàng)；為并聯(lián)下燃油消耗量；為發(fā)動(dòng)機(jī)到軸效率。

式中，為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)軸上總效率；為常數(shù)項(xiàng)；為串聯(lián)下燃油消耗量；為電機(jī)控制器效率；為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率；為驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸效率。

如上述公式4中，發(fā)動(dòng)機(jī)到軸效率為機(jī)械嚙合效率，按離合器嚙合兩端98%計(jì)算；驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸效率也為機(jī)械嚙合效率98%計(jì)算，P1和P3電機(jī)效率由上文確定合適速比后基本在95.5%和96.5%以上，各工況下電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)換效率可由臺(tái)架測(cè)試得出。綜上，當(dāng)使得公式4與公式5相等時(shí)，我們可以得到串并聯(lián)兩個(gè)不同驅(qū)動(dòng)方式下的燃油量之間的關(guān)系，如公式6所示：

式中，=為并聯(lián)下燃油消耗量；為系數(shù)；為串聯(lián)下燃油消耗量。

從公式6可以根據(jù)不同工況下測(cè)算出來(lái)的值，就可以確定串并聯(lián)切換的燃油消耗量的關(guān)系，在相同轉(zhuǎn)速下，并聯(lián)可以做到更高的功率且最終效率可以與串聯(lián)一致，這樣就可以判斷是否保持當(dāng)前模式使得當(dāng)前效率最優(yōu)。結(jié)合上述公式帶入具體的電機(jī)控制器效率，我們可以得出轉(zhuǎn)速-功率圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，效率一定的情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)油耗功率與最大功率之間存在一個(gè)串并聯(lián)效率的平衡線，在平衡線以上，并聯(lián)模式的效率比串聯(lián)效率要差，平衡線以下，并聯(lián)模式的效率比串聯(lián)要好。所以可以以此分界線作為串并聯(lián)模式切換的臨界線進(jìn)行控制，從而達(dá)到即考慮到經(jīng)濟(jì)性又能精準(zhǔn)地控制驅(qū)動(dòng)模式的效果。

4 結(jié)論

混合動(dòng)力汽車的串并聯(lián)模式切換一直是汽車研究的熱點(diǎn)課題，合適的串并聯(lián)模式切換時(shí)機(jī)可以有效提升用戶的駕駛性、有益于整車的經(jīng)濟(jì)性。首先，本課題從硬件層面出發(fā)，探究了各部件的速比對(duì)車輛效率的影響，表明了一組優(yōu)化合適的速比可以將發(fā)動(dòng)機(jī)、P1發(fā)電機(jī)、P3驅(qū)動(dòng)電機(jī)三個(gè)重要部件效率達(dá)到較佳的水平，從而推進(jìn)整車效率的提升。接著，在優(yōu)化速比下，通過(guò)研究各驅(qū)動(dòng)模式下的能量傳遞路徑和效率，經(jīng)分析和計(jì)算，推導(dǎo)出一個(gè)串并聯(lián)模式最佳切換的適用公式。在此公式基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)分析，得到串并聯(lián)模式的功率-車速表，從表中得出串并聯(lián)模式切換控制的關(guān)鍵平衡曲線，最終確定整車的驅(qū)動(dòng)模式最佳切換時(shí)機(jī)。由于串并聯(lián)模式的效率損耗，此優(yōu)化方案及切換時(shí)機(jī)可節(jié)約3%左右的綜合能耗。

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