插电式混合动力轿车参数匹配及控制策略研究

梁 缘，徐 飞，赵征澜，李海波，潘奕然

（东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430058）

插电式混合动力轿车参数匹配及控制策略研究

梁 缘，徐 飞，赵征澜，李海波，潘奕然

（东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430058）

以整车动力性指标和纯电动续驶里程指标为依据，详细介绍动力电池、主电机、ISG和传动系统等各动力总成的选型和匹配原则，并设计相应的能量管理策略。分别通过建模仿真和实车试验，验证了动力系统设计的合理性和有效性。

插电式混合动力；动力总成；参数匹配；控制策略

随着全球环保节能意识的不断提升，作为新型节能产品的新能源汽车逐渐成为人们日益关注的焦点[1］。插电式混合动力电动汽车(PHEV)配备有大容量储能装置，能够利用普通电网电压对储能装置充电，增加纯电动行驶里程，大大减少燃油消耗和废气排放[2］。因此，对于这一领域的研究具有较高的经济价值和环保价值，也是现在电动汽车领域研究的热点之一[3］。目前，世界各大汽车公司已经在“插电式混合动力汽车”技术领域展开新的竞争，“插电式混合动力汽车”已成为汽车行业的研究热点[4］。

1 整车设计目标和动力系统结构

东风某款混联式混合动力轿车（PHEV）的动力系统结构如图1所示，主要动力总成有发动机、ISG、主电机、动力电池和双离合器等。通过双离合器的结合分离控制，实现不同的运行模式：当离合器1和离合器2均分离时，整车以纯电动模式或串联模式运行；当离合器1或离合器2结合时，整车以不同速比运行于混合模式或发动机单独工作模式。该车运行时，驾驶员可对HEV按钮的操作，实现手动选择混合驱动模式和纯电动模式。

混合模式下的动力性指标、纯电动模式下的动力性指标和续驶里程指标见表1。

表1 整车设计指标

2 主要部件选型原则

PHEV参数匹配的原则是：基于目标工况，以动力性指标和纯电动续驶里程为边界条件，对动力系统参数进行匹配[5］。动力系统参数匹配的步骤是：发动机→ISG→传动系统的速比→主电机→动力电池。

2.1 发动机的选择

为维持动力电池SOC平衡，发动机的最大功率应高于NEDC循环工况的平均功率需求[6］。当车辆以最高车速匀速行驶时，发动机应具备足够的驱动能力，使车辆运行于发动机单独驱动模式[7］。

2.2 ISG电机的选择

ISG 电机需要满足2个条件: ①串联工况下，当动力电池严重馈电时，ISG能提供足够的发电功率，满足车辆爬行工况下的驱动功率需求和附件功率需求[8］；②低转速下，ISG的峰值扭矩高于发动机静摩擦阻力矩，以保证ISG具备快速启动发动机的能力。

2.3 变速器速比的设计

变速器速比的选择，应满足如下要求。

1）车辆以最高转速匀速行驶时，发动机通过高挡速比传递至轮边的驱动扭矩应高于道路阻力，以保证车辆可以发动机单独驱动模式运行于最高车速。

2）变速器低挡速比值应满足发动机参与驱动时的最大爬坡度和最低爬行车速需求。

3）变速器低、高挡的速比值差异应适中。这样，发动机至轮边的扭矩变化梯度相对合理，可为后期能量分配策略提供良好条件。

2.4 主电机的选择

主电机的峰值扭矩应满足纯电动模式和混合模式下的动力性指标需求。另因驱动电机和发动机间的齿轮始终处于啮合状态，无法实现动力中断。因此，主电机工作处于峰值转速时，应保证发动机不会存在超速的情况[9］。

2.5 动力电池的选择

动力电池作为功率的输出源，限制了ISG和驱动电机的输出转矩，影响整车动力性，也直接决定了整车的纯电动续驶里程[10］。同时，动力电池的充放电需求会影响发动机的输出功率，影响整车的经济性。因此，动力电池的选择应综合考虑其充放电特性、能量密度和功率密度等因素。

3 控制策略设计

根据动力电池的充放电效率特性，可将电池的工作区域分为不可用区和可用区。如图2所示，可用区又分为放电低效率区、理想工作区和充电低效率区。由电池的工作特性可知，当电池处于放电低效率区时，应减少电池的放电量，增加电池充电量；而当电池处于充电低效率区时，则应减少电池的充电量，增加电池放电量。通过这种控制方式，使电池工作区域集中在理想工作区。基于这一思想，针对不同的运行模式，本文采用的控制策略如下所述。

图2 锂电池充放电效率与SOC的关系

3.1 驻车发电模式

当车速降为0时，如果控制系统判断动力电池严重馈电，其SOC低于理想工作区的下限值时，车辆将自动进入怠速充电模式。此时离合器处于分离状态，

HCU通过ISG电机为动力电池充电，使其SOC上升至正常范围。驻车发电模式下系统的工作示意图如图3 所示。

3.2 串联驱动模式在起步阶段或倒车过程中，离合器不能完全地结合。该模式下，系统的工作示意图如图4所示。

图3 驻车发电模式

图4 串联驱动模式

3.3 纯电动模式

当电池剩余电量相对充足时，车辆将以纯电动模式运行，由主电机单独驱动车辆。在该运行模式下，双离合器均分离，发动机停机。系统工作示意图如图5所示。

图5 纯电动模式

3.4 双离合器切换策略

在发动机单独驱动模式、并联式驱动模式下，可通过双离合器切换，实现发动机分别以低挡和高挡提供轮边驱动扭矩。离合器切换策略与车速、轮边驱动扭矩、发动机转速等信息相关。

3.5 并联式驱动模式

当车速高于爬行车速且不满足发动机单独驱动和纯电动的条件时，车辆将工作于并联驱动模式。该运行模式下，根据SOC状态，又可分为电动助力和行车发电模式。当电池SOC偏高时，发动机和主电机同时提供驱动扭矩，即车辆工作于电动助力模式。当电池SOC偏低时，发动机既提供轮边驱动扭矩，也提供额外扭矩供ISG发电，即车辆工作于行车发电模式。经双离合器结合分离控制，车辆可分别以低、高挡运行于并联式驱动模式。系统工作示意图分别如图6和图7所示。

图6 混合驱动模式（低挡）

图7 混合驱动模式（高挡）

4 仿真分析

基于上述动力总成参数匹配原则，并参考现有的资源信息，Plug-in车（插电式混合动力车）的主要动力系统参数匹配结果如表2所示。下面基于整车动力学仿真模型，核对该动力系统匹配是否满足整车设计要求。

表2 PHEV整车参数

基于matlab/simulink建立的PHEV动力学仿真模型见图8。基于该仿真模型，分别进行混合动力模式和纯电动模式下的整车动力性及纯电动续驶里程仿真，仿真结果见表3。

图8 仿真模型

表3 仿真结果

1）混合动力模式下，PHEV车的最高车速、加速性能和最大爬坡度均满足混合动力工况的动力性设计要求；其百公里油耗结果也满足设计指标。

2）PHEV纯电动模式的最高车速、加速性能和最大爬坡度均满足纯电动工况的设计要求；纯电动模式下，NEDC工况的续驶里程为42 km，大于设计所要求的35 km。

5 小结

以整车动力性指标和纯电动续驶里程指标为依据，并参考已有的资源信息，分别对整车动力系统参数进行了匹配。基于matlab/simulink，并根据相关汽车理论和大量的实验数据，建立了PHEV动力学仿真模型。通过仿真初步验证了整车动力系统匹配的合理性。最终的仿真结果表明：整车动力性和经济性均满足整车设计指标要求。因此，整车动力系统参数匹配方案是合理的。

参考文献：

[1]何洪文，祝嘉光，李剑．混合动力电动汽车技术发展与现状 [J］．车辆与动力技术，2004（2）：13-15．

[2] 武小兰，王军平，曹秉刚，等.充电式混合动力电动汽车动力系统的参数匹配[J］.汽车工程，2008，30（12）: 1095-1098.

[3]Ehasni M，Rahman K，Toliyat H.Propulsion system design of electric and hybrid vehicles[J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（1）：19-27.

[4]Freyermuth V，Fallas E，Rousseau A.Comparison of Powertrain Configuration for Plug-in HEVs from a Fuel Economy Perspective[J］. SAE International Journal of Engines，2008，1（1）：392-398.

[5]雷雨成.汽车系统动力学及仿真[M］.北京：国防工业出版社，1997：47-47.

[6]熊伟威，舒杰，张勇，等.一种混联式混合动力客车动力系统参数匹配[J］.上海交通大学学报，2008，42（8）：1324-1328.

[7]Sharer P，Rousseau A，Pagerit S，etc.Midsize and SUV Vehicle Simulation Results for Plug-In HEV Component Requirements[DB/OL］.SAE paper，2007-01-0295.

[8]He X，Hodgson J. Hybrid electric vehicle simulation and evaluation for UT HEV[DB/OL］.SAE Technical Paper Series，2000-01-3105.

[9]王家明，郭晋晟，冒晓建，等.新型混联式混合动力客车动力系统分析[J］.汽车技术，2008（9）：1-4.

[10]RW Carlson，MJ Duoba，TP Bohn，etc.Testing and Analysis of Three Plug-in Hybrid Electric Vehicles[DB/ OL］.SAE World Congress & Exhibition，2007-01-0283.

（编辑 凌 波）

更 正

尊敬的读者、作者：

由于本刊2017年第2期最终调版出现异常，导致第67-68页的图1～图4调错，特此更正为以下正确的图。同时我们将在各大网络文献数据库和电子版中予以更正。

由于我们工作的疏忽，给您造成了阅读上的不便，对此深表歉意！今后定会引以为戒，更加认真仔细。

感谢您一如既往对本刊的关注与支持！

图1 CAN总线网络结构图

图2 混合CAN总线网络拓扑图

图3 多条CAN总线网络拓扑图

图4 CAN总线T型接法拓扑结构示意图

更 正 2：

2016年第9期P18，图1中部“1～4缸传感器”应为“1～4缸喷油器”。感谢河北省读者王利强指正。

《汽车电器》杂志社

Parameter Selection and Control Strategy Design of A Plug-in Hybrid Car

LIANG Yuan，XU Fei，ZHAO Zheng-lan，LI Hai-bo，PAN Yi-ran
（Dongfeng Motor Corporation Technology Centre，Wuhan 430058，China）

Based on parameters of vehicle power and pure-electrical vehicle duration，the component parameters selection of battery，engine，ISG and transmission ratio is described in detail，then the powertrain control strategy is designed. At last，with simulation and road test，the design of power system is verified to be reasonable and effective.

plug-in hybrid car； powertrain； parameter selection； control strategy

U469.72

A

1003-8639（2017）03-0001-04

2016-08-19

梁缘（1982-），女，湖北天门人，主管工程师，硕士，主要研究方向为混合动力车动力系统参数匹配及控制策略设计，整车控制软件设计及实现；徐飞（1980-），男，湖北荆州人，主管工程师，硕士，主要研究方向为整车控制软件设计及实现；赵征澜（1977-），女，山东德州人，主任工程师，硕士，主要研究方向为整车控制软件设计及实现；李海波（1987-），男，安徽合肥人，责任工程师，硕士，主要研究方向为整车控制软件设计及实现；潘奕然（1988-），男，湖北仙桃人，责任工程师，本科，主要研究方向为动力系统参数匹配。