混合动力汽车扭矩分配策略研究
2019-08-14白国军程浩葛亮徐东平
白国军，程浩，葛亮，徐东平
(广东省珠海市质量计量监督检测所，广东珠海 519000)
0 引言
兼顾油耗低及续驶里程长的优点，混合动力汽车是传统燃油汽车和纯电动汽车的完美结合。伴随着社会的发展及能源问题的日益突出，混合动力汽车越来越受到世界各国的青睐[1]。我国根据自身的国情也制定了新能源汽车的发展战略，新能源汽车的补贴力度非常大，目前混合动力公交、混合动力出租车广泛应用于各大城市中，它们正逐渐被群众接受和认可，因而把握住当前的机遇，提高混合动力汽车的燃油经济性及降低排放，以品质、技术和创新来占领先机显得尤为重要。
混合动力汽车之所以能够节能，是因为它有一整套先进的控制策略，能够实现纯电动行驶、发动机起停机及发动机高效驱动功能[2]。本文作者主要研究发动机驱动过程中的扭矩分配策略，在满足扭矩需求的情况下寻找到油耗和电耗的平衡点。降低油耗的关键在于让发动机和电机的工作点都在高效区域，从而使得整个系统的效率最高。本文作者基于H平台插电式混合动力汽车的P2构型，引入等效比油耗和等效发电系数的概念，当等效比油耗最低或者等效发电效率最高时则得到发动机和电机的最优工作点，从而降低了油耗。
1 整车构型
H平台插电式混合动力轿车的构型为P2构型，如图1所示，动力系统由发动机、电机、双离合器变速箱等组成，发动机与电机之间由前离合器连接。该构型简单，发动机的扭矩经过前离合器直接传递到电机输入轴，电机输出轴再经过离合器将扭矩传递到变速箱并最终作用到车轮上。
图1 整车构型
2 扭矩分配策略
当发动机驱动时，根据需求扭矩的大小和发动机的经济线及外特性扭矩线将整车的负荷分成3个区域，即低负荷区、中负荷区和高负荷区。当整车需求扭矩小于等于发动机经济线扭矩时，此时为低负荷区；当整车需求扭矩大于发动机经济线扭矩且小于发动机外特性扭矩时，此时为中负荷区；当整车需求扭矩大于发动机外特性扭矩时，此时为高负荷区，如图2所示。
图2 整车负荷分区
图2中：TDemand为整车需求扭矩；TEngEffiLine为当前转速下的发动机经济扭矩限值；TEngWottLine为当前转速下的发动机外特性扭矩。
(1)中负荷区扭矩分配
发动机经济线与发动机外特性曲线之间的间隔相对来说较小，该区域的扭矩分配策略可按发动机工作在经济线上、其余扭矩由电机补偿来实现，如式(1)所示：
式中：TEngReq为当前的发动机扭矩需求；TMotReq为当前的电机扭矩需求，其余参数同图2。
(2)低负荷区扭矩分配
当整车需求扭矩小于发动机经济线扭矩值时，目前多数控制方法是让发动机工作在经济线上、多余扭矩用于电机发电[3]，但这样并不能做到系统效率最高，因而本文作者引入了等效发电系数。通过对该系数的衡量来判断整个系统何时处于最优状态，从而最终决定发动机的工作点及电机的发电扭矩值。
如图3所示，当前整车需求扭矩点处于点A时，此时可以适当地将发动机工作点由点A提高至点B，提高至点B后发动机比油耗由mBSFC_A增加至mBSFC_B，同时带来了额外的扭矩ΔT用于电机行车发电。为找到最优的点B，让发动机及电机系统效率最高，需要计算等效发电系数Eqv_GenFactor，其计算公式如式(2)所示，式(2)中分子部分为有效发电扭矩所消耗的油耗即有效油耗，分母部分为发电实际消耗的油耗即由A至B增加的油耗。
图3 低负荷区扭矩分配示意图
等效发电系数如式(2)所示：
式中：αEqv_GenFactor为等效发电系数；mBSFC_B为点B的发动机比油耗；mBSFC_A为点A的发动机比油耗；ηB为当前转速ΔT发电扭矩下的电机效率；ΔT为点B的电机发电扭矩；TDemand为整车需求扭矩。
逐渐增加发电扭矩ΔT，并实时计算等效发电系数αEqv_GenFactor，求出该组等效发电系数中的最大值点即当前转速下发动机和电机系数效率最高的点，此时既能满足发电需求又能满足驱动需求，同时还能保证油耗最低。理论的等效发电系数αEqv_GenFactor曲线如图4所示。
图4 等效发电系数曲线
(3)高负荷区扭矩分配
当整车需求扭矩大于发动机外特性扭矩值时，需要电机进行助力以满足扭矩需求。由于此时发动机负荷特别大，单纯地将发动机工作在外特性、额外助力扭矩电机补偿的方式并不能很好地降低油耗，因而本文作者引入了等效比油耗，综合考虑了发动机万有特性和电机效率，通过调节发动机与电机工作点并用等效比油耗来衡量整个系统何时处于最优状态[4]，从而最终决定发动机的工作点及电机的助力扭矩值。
如图5所示，当前需求扭矩处于点A，发动机最大能力点为点C，当发动机工作在点C时，电机助力扭矩最小，值为TMot_base；为更好的燃油经济性，适当地将发动机工作点往下移，如移至点B，则电机助力扭矩需要额外增加ΔTMot_add，此时应当衡量当前发动机的比油耗mBSFC_B和电机增加的扭矩ΔTMot_add，ΔTMot_add可以通过公式折算得到一个平均的比油耗βAvr_BSFC，根据该油耗再和点B发动机比油耗mBSFC_B作个加权则可得到总的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC，当总的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC取得最小值时，则找到了最优的发动机工作点和电机助力扭矩值。
图5 高负荷区扭矩分配示意图
βAvr_BSFC计算方法如式(3)所示：
式中：TEngDrvChrg为当前转速下行车发电时的发动机扭矩；n为BSFC总共累加的次数。
根据βAvr_BSFC及发动机当前mBSFC_B按式(4)进行加权计算得到总的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC。
βOverall_Eqv_BSFC=mBSFC_B·r+βAvr_BSFC·(1-r)
r=TEngReq/TDemand
(4)
式中：r为比油耗加权系数；TEngReq为点B发动机需求扭矩；TDemand为总的需求扭矩。
逐渐增加电机助力扭矩ΔTMot_add，发动机需求扭矩逐渐往下降，发动机工作点逐渐由外特性向经济线靠近，同时实时计算总的等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC，直到到达发动机经济线上时停止计算，求出该组总的等效比油耗中的最小值点即可得到当前转速下理想的发动机和电机工作点，此时既能满足驱动需求又能保证油耗最低。理论的总等效比油耗βOverall_Eqv_BSFC曲线如图6所示。
图6 总等效比油耗曲线
3 扭矩分配策略建模与仿真
(1)扭矩分配策略建模
在HCU的控制策略开发过程中使用MATLAB/Simulink进行建模，扭矩分配的模型是用Simulink搭建起来的，根据整车负荷的分区搭建了3个子模块，分别是DrvChrTrqSplit(行车发电，对应低负荷)模块、AssistTrqSplit(Assist，对应中负荷)模块和BoostTrqSplit(Boost，对应高负荷)模块。
高低负荷扭矩分配模块由于要涉及到循环计算，因而在模型中采用了For循环模块，如图7所示，在一个周期内For循环模块会运行多次，可以满足策略的需求，最终将等效发电系数或者总等效比油耗计算出来，并得到发动机及电机相应的工作点。
(2)扭矩分配策略仿真
为验证扭矩分配的Simulink模型是否实现预定的策略，结合实际的发动机外特性数据、万有特性数据及电机的效率Map，对模型进行了离线仿真。
给定的输入条件为当前发动机转速2 000 r/min、需求扭矩90 N·m，最终仿真输出结果为目标发动机扭矩为102 N·m、电机扭矩为-12 N·m。图8所示为此次仿真输出的等效发电系数曲线，可以看到在电机发电扭矩为-12 N·m时等效发电系数取得最大值，与仿真结果输出一致，即验证了低负荷扭矩分配策略的正确性。
图7 高低负荷扭矩分配Simulink模型
图8 仿真得到的等效发电系数曲线
给定的输入条件为当前发动机转速2 000 r/min、需求扭矩300 N·m，最终仿真输出结果为目标发动机扭矩为259 N·m、电机扭矩为41 N·m。图9所示为此次仿真输出的总等效比油耗曲线，可以看到在电机额外助力扭矩为21 N·m时总等效比油耗取得最小值，加上电机此时助力的最小限值20 N·m，得到电机最优助力扭矩41 N·m，与仿真结果输出一致，即验证了高负荷扭矩分配策略的正确性。
图9 仿真得到的总等效比油耗曲线
通过两组仿真数据可以看出：扭矩分配模型能够实现既定的分配策略，寻找出最优的发动机与电机的工作点，提高燃油经济性。
4 总结
基于H平台插电式混合动力汽车的P2构型，研究了扭矩分配的相关影响因素，提出了一种基于系统效率最优的扭矩分配策略。该控制策略通过引入等效发电系数和等效比油耗的方式对扭矩分配的结果进行评价，并最终筛选出最优的扭矩分配结果。策略仿真结果证明，该扭矩分配策略能够合理、高效地进行发动机与电机之间的扭矩分配，保证了发动机和电机系统效率最优，提高了燃油经济性。
