一种三模式混合动力汽车的行车工况简要分析

2018-07-09孟祥飞王微徐元利王仁广

汽车零部件 2018年6期

孟祥飞，王微，徐元利，王仁广

(1.天津科技大学机械学院，天津 300457；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

混合动力汽车动力总成功能的开发是根据汽车具体应用情况确定的。这种应用实际上就是使用工况，而汽车的实际使用工况是多种多样的，甚至说是复杂的。在确定汽车使用情况时,由于需要考虑实际使用环境、操作状态、驾驶员操作相互作用等因素，必须把所有可能的情况都考虑到。对于具体的混合动力汽车，需要根据其实际的操作模式，逐一分析。从大的方面来说实际情况可以分为行驶使用情况、非行驶使用情况、滥用情况、环境相关使用情况、及特定使用情况等多个方面。混合动力汽车实际使用情况主要包括原地停车、起步、加速、等速、减速等，而减速又分为空挡滑行、带挡滑行、制动3种情况。文中主要结合一种三模式构型的混合动力总成，对其驱动使用工况进行详细讨论。

1 混合动力总成构型介绍

三模式总成的主要结构基本同参考文献[1]中的结构接近，具体如图1所示。主要组成部分有一个发动机ICE(Internal Combustion Engine)、第一电机M1、第二电机M2、第一行星排P1、第二行星排P2、动力电池B、以及位于电池和电机间的逆变器等。其中的主要差别在于新的结构中加入了两个离合器，通过添加两个离合器可以进一步提高总成的性能。两个离合器在控制系统指令下结合或者松开来控制第一行星排的相应部件，从而实现电动驱动(E模式)、动力分配式混合动力驱动(H 模式)、并联混合动力驱动 (C 模式)3个驱动形式。

图1 三模式HEV总成结构简图

三模式HEV(Hybrid Electric Vehicle)总成能够通过两个离合器的控制来实现3种不同的驱动模式。其中E模式主要用在低速和汽车起步情况下，同时要动力电池的SOC处在比较充足的电量情况下。在E模式下C1结合，发动机处于关闭状态，发动机的转动被锁止，第一行星排P1的行星架被锁止，这种情况下两个电机都可以参与车辆驱动。H模式是一种发动机的动力分割模式。在常规的动力分割模式下，电机M1用作发电机来调节发动机的转速。发动机的动力被分割成齿圈和太阳轮两个方向向外传递，大部分通过P1的齿圈传递到车辆驱动轴，另一部分通过P1的太阳轮传递到电机M1驱动其发电，是实际上的功率耦合[2]。H模式适合用于较高车速下，发动机可以直接输出来单独驱动车辆，相当于传统车辆的直接挡。在C模式下，实际是一种并联混合动力模式，两个电机的工作状态根据需要可以分成用作助力电机还是动力分割电机，其转速不可调，单扭矩可调，是实际意义上的扭矩耦合状态。

2 驱动使用工况

驱动使用工况是汽车实际使用的主要方面之一，通过驾驶员同车辆的交互作用来实施目标动作，这些动作同汽车行驶情况的具体方面直接对应。下面分具体工况进行说明。

2.1 原地停车

(1)发动机停机。车速为0；挡位可能处在任何可能位置；制动踏板可以踩下或不踩；加速踏板松开；没有机械功率传递到车轮上；电力能源是高压电池，它为车上高低压负载供电；变速器和电机都无动力输出。

(2)发动机工作。车速为0；如果变速杆在D/R位置，则制动踏板踩下；变速杆在其他位置时，制动踏板可能踩下或不踩；无机械功率输出到车轮；电力能源来自发动机(发动机驱动发电机)，电池SOC不变。变速器处在功率分配混动模式下，发动机可能带动发电机发电，为DC/DC和高压附件供电。

(3)发动机发电。车速为0；变速杆处于可能位置；如果在D/R位置，制动踏板踩下，其他位置可以不踩；当在D/R位置时，踩下加速踏板，电能来自发动机，动力电池充电。

(4)外部充电。车速为0；变速杆在P，车内无人，加速和制动踏板都不踩；无机械功率输出、电能来自外部电网，电网为动力电池充电；动力电池通过DC/DC为车载电压系统供电。

2.2 纯电驱动

汽车通过电机驱动前进或倒车；制动踏板松开、变速杆位于D/R，加速踏板踩下；机械功率来自电动机，电能来自动力电池，动力电池SOC下降；发动机处于关闭状态。纯电动模式下，动力电池SOC必须高于设定值，车速可能只能低于一个设定值，具体取决于动力电池和电机的大小。

2.3 H模式驱动

汽车处于H驱动模式，发动机工作在功率分配模式，电机工作具体取决于汽车运行状态和混动系统状态。该模式可以实现较好驱动和较高燃油效率，常用在SOC较低、车速处于中低速情况下。

(1)发动机开，常规运行。在这种情况下，汽车运行在中低速度和中高驱动功率状况。制动踏板松开、加速踏板踩下，变速杆位于D/R。车辆驱动功率来自发动机和电动机，另外一个电机发电。根据具体情况，动力电池可能充电或放电。这种发动机开的混动模式使用时SOC可能较低。

(2)发动机开，低负荷巡航。这种情况下，汽车运行在中低车速和中低功率需求状态。其他情况跟上面的情况基本相同。

(3)发动机关。这种发动机关的混动模式只用在低车速和低功率需求情况下。车轮驱动功率来自电机，动力电池放电。

2.4 C模式驱动

这种模式下，汽车行驶主要依靠发动机，电机可能电动或发电，车速恒定或者在高于设定值时增速。制动踏板松开、变速杆位于D、加速踏板踩下。

(1)并联常规驱动。汽车行驶只依靠发动机驱动，同时发动机带动电机发电给高压负载供电但动力电池不充电，车速恒定或者高于设定值时增速。这种情况主要用在高中速巡航模式下，SOC较高。

(2)并联驱动和充电。汽车行驶只依靠发动机驱动，电机发电给动力电池充电和高压负载供电，车速恒定。这种情况主要用在高中速巡航时功率需求中等且SOC较低时。

(3)电机助力驱动。汽车行驶主要依靠发动机，电机辅助驱动，车速加速。动力源为发动机和电机，电力能源为动力电池。这种情况下主要用在车速较高和功率需求较大时。

2.5 减速

(1)回馈-发动机关闭(H模式)。汽车混动驱动情况下开始减速，发动机关，制动踏板踩下，变速杆处于D/R，加速踏板松开，动力源来自驱动车轮(车辆动能)。但电机发电，动力电池充电。在这种情况下动力电池SOC必须高于最低设定值，否则发动机会起动。

(2)回馈-发动机关闭(E模式)。汽车纯电驱动情况下开始减速，发动机关，制动踏板踩或不踩，变速杆位于D/R，加速踏板松开。动力源来自车轮，双电机发电，动力电池充电。

(3)回馈-发动机开(H模式)。汽车减速行驶，制动踏板松开或踩下，变速杆位于D/R，加速踏板松开。动力来自车轮，一个电机发电为系统供电或充电(发电足够的话)，另外一个电机由发动机带动发电。

(4)回馈-发动机开(C模式)。汽车减速行驶，发动机处于断油模式；制动踏板松开或踩下，变速杆位于D/R，加速踏板松开；动力来自车轮，电机发电，电池充电。

(5)空挡滑行。汽车减速行驶，空挡；制动踏板踩下或松开，加速踏板踩下或松开；机械动力来自车轮，电力能源是高压电池，电机不发电；发动机可以是开或者关两种可能状态。

2.6 发动机起动/停机

2.6.1 发动机起动

(1)停车时的发动机起动。此时车速为0；变速杆位于处于P位置，制动踏板踩下或松开，加速踏板松开。无机械功率输出到车轮。发动机起动前的能量来自动力电池，之后来自发动机。

(2)行驶状态下发动机起动。汽车电动行驶到一定车速以上，制动踏板松开，变速杆位于D/R，加速踏板踩下。机械功率来自电机。发动机起动之前的电力能源为高压动力电池，之后为发动机和动力电池。SOC必须高于最低限值。

(3)回馈状态下发动机起动。汽车在平路面上电动行驶开始减速，加速踏板松开，变速杆位于D。制动踏板踩下或松开(挡位结合)，动力源为驱动车轮，电力能源为电机。

(4)常规发动机起动。汽车停车；制动踏板踩下或松开，变速杆位于D/R，加速踏板踩下或松开。发动机通过常规的低压起动机起动，这种起动方法作为一种发动机备用起动方法，在电机起动不可使用情况下采用。

(5)推车起动。汽车在挡位结合状态下，靠外力推动车辆，通过车轮旋转来起动发动机。这种情况下很少使用。

(6)跨接起动。通过外部搭线来起动发动机，需要借助同系统电压相同的汽车或设备来完成。

2.6.2 发动机停机

(1)停车状态下的发动机停机。车速为0；变速杆处于可能位置，制动踏板踩下或松开，加速踏板松开。没有机械功率输出到车轮。发动机发电，电力能源来自发动机，SOC不变。电机在发动机停机时提供阻力距使得发动机平稳减速。这种停机模式由驾驶员触发。

(2)行驶状态下发动机停机。汽车通过发动机驱动行驶，制动踏板松开，变速杆处于D/R位置，加速踏板踩下。汽车动力来自发动机和电机，车辆满足纯电驱动的所有条件，发动机停机。

(3)回馈模式下发动机停机。在平路上汽车通过发动机驱动，开始减速，加速踏板松开，变速杆位于D，制动踏板踩下或松开。机械动力来自车轮，电能来自电机，满足纯电行驶的所有条件，发动机停机。

(4)紧急情况下发动机停机。如果系统检测到严重故障或者遇到严重安全问题，发动机紧急停机触发，此时的发动机停机不受边界条件限制。

3 其他情况

(1)非驱动使用工况。混合动力汽车在非行驶情况下，具体使用情况内容也非常繁杂，主要有汽车停车、汽车模式选择、汽车上电、汽车下电、驾驶员乘客保护、舒适要求、环境适应、防盗、储存、车辆维护、修理、生产、试验台测试、报废处置、拖车等情况。

(2)滥用情况。滥用情况实际上是不正常和错误操作，但实际使用情况下也可能遇到，设计时也需要仔细考虑。主要有行车时同时踩下加速/制动踏板、变速杆误操作、行车时上电、行车时断电、行车时施加驻车制动、碰撞、超载行驶、加错机油、加错燃料、缺少机油、燃料不足、冷却液缺失、行驶时开门、无驾驶员情况下行车、胎压不合适情况下行车、拖拉其他车辆、被其他车辆拖车、运输不当、被盗等情况。

(3)使用场景相关的使用情况。这在汽车实际行驶中都可能遇到。如白天、夜晚，直路、弯路，沥青路、混凝土路、泥土路、沙子路，平路行驶、上坡、下坡，潮湿路面、干燥路面、雪路面、冰路面，高速、乡村公路等,设计时也要加以考虑。