功率分流式混合动力系统整车高速工况经济性研究

吕康辉 廖萍 王晨 程辉军 周文太

摘  要： 为研究功率分流式混合动力系统整车高速工况经济性优化问题，提出在高速工况下采用制动器B2锁止、功率损耗最小的控制策略方案。综合考虑发动机、电机、电池的功率损耗，建立混合动力系统模型，并对该方案进行仿真验证及整车试验。结果显示，优化后的整车高速工况经济性有明显提升。制动器B2锁止、功率损耗最小的控制策略有助于提升整车高速工况经济性。

关键词： 功率分流; 混合动力; 高速工况; 经济性; 控制策略; 仿真验证

中图分类号： TN98?34                          文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）09?0072?04

Research on fuel consumption of vehicle′s power split hybrid

powertrain at high?speed operation

L? Kanghui1， LIAO Ping1， WANG Chen2， CHENG Huijun2， ZHOU Wentai2

（1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China;

2. Corun Hybrid Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201500， China）

Abstract： In order to research the fuel consumption optimization of the vehicle′s power split hybrid powertrain at high?speed operation， a control strategy to lock the brake B2 and make the vehicle′s system with minimum power loss at high?speed operation is proposed. The power loss of the engine， motor and battery was comprehensively considered， the hybrid power system model was established， and the simulation verification and vehicle test were performed for the scheme. The result shows that the fuel consumption of the optimized vehicle at high?speed operation has obviously improved. The control strategy to lock the brake B2 and make the system with minimum power loss is contribute to reduce the fuel consumption of the vehicle at high?speed operation.

Keywords： power split; hybrid power; high?speed operation; fuel consumption; control strategy; simulation verification

0  引  言

在传统的内燃机汽车向新能源汽车发展的過程中，混合动力汽车作为一种过渡车型，因具有污染小、油耗低、动力性强等优势，获得了越来越广泛的应用[1?2]。

以丰田Prius的机械功率分流系统为代表[3]，通过双电机转速和扭矩调整发动机工作于最佳运行区域，达到节能减排的目的[4]，可以实现40%以上的节油效果[5]。本文介绍一种功率分流式混合动力系统，由于其具有多种工作模式，控制策略有待进一步挖掘完善，燃油经济性有待进一步提高。

1  高速工况B2锁止、功率损耗最小控制策略设计

由于系统在高速工况下总存在一个电机发电、另一个电机用电的电功率回环[6]，影响了系统效率，利用制动器B2将电机E1锁止，等效杠杆[7]如图1所示。此模式下仅电机E2工作，不存在电功率循环，系统工作效率较高。

B2锁止时车速满足下列关系：

图1  等效杠杆

以功率损耗最小为控制目标，在满足上述车速的条件下，由于电机E1转速较高时锁止制动器B2会影响整车平顺性。因此，对上述控制策略进行修正：只有满足电机E1转速低于100 r/min时，才允许制动器B2锁止。

本文研究的功率损耗忽略机械功率损耗[8]，仅研究电机、电池、发动机功率损耗。系统总的功率损耗可由下式得出：

2  混合动力系统建模

2.1  发动机模型

发动机万有特性曲线如图2所示。

图2  发动机万有特性曲线

通過扭矩、转速可查得比油耗，本文研究的发动机经济比油耗取240 g/（kW[·]h），发动机功率损耗可由下式得出：

2.2  电机E2模型

电机E2驱动时的效率数值模型如图3所示。其功率损耗可由下式得出：

图3  电机E2驱动效率数值模型

同理，可建立电机E2发电效率数值模型以及电机E1驱动、发电效率数值模型。

2.3  动力电池模型

动力电池简化为一阶模型[9]，电池内阻模型等效电路如图4所示。

图4  电池内阻模型等效电路

图5  电池内阻曲线

通过电池SOC可得到电池内阻，通过电机功率及电池电压可求得电池电流，动力电池功率损耗可由下式得出：

2.4  整车动力学模型

由等效杠杆工作原理可得出如下关系：

式中：[vspd]为汽车车速;[r]为车轮半径;[i]为主减速比;[F]为整车行驶阻力;[G]为整车重力;[f]为滚动阻力系数;[CD]为空气阻力系数;[A]为整车迎风面积。

3  仿真验证

3.1  发动机工作点的确定

在各车速下，通过所有允许的发动机转速、扭矩组合，计算得到对应的系统损耗功率。发动机转速与系统损耗功率关系曲线如图6所示。

图6  发动机转速与系统损耗功率关系曲线

由图6可知，在各个车速下都能找到一个系统损耗功率最小值，并且此时B2制动器锁止，发动机转速与车速呈线性关系，发动机转速和电机E2转速随着车速的增加而等比例增加。

图7列出了系统功率损耗最小时对应的车速与发动机转速和扭矩关系。

图7  车速与发动机转速及扭矩关系曲线

3.2  仿真验证

通过上述建立的模型以及由功率损耗最小确立的发动机转速、扭矩组合，以及发动机工作最经济确定的发动机转速、扭矩组合，利用Matlab/Simulink进行整车经济性仿真，整车参数如表1所示。

表1  整车参数设置

表2  高速工况经济性仿真结果

4  整车试验

通过前文所述的系统功率损耗最小以及发动机工作最经济发动机转速、扭矩组合，分别进行巡航80 km/h，90 km/h，100 km/h，110 km/h，120 km/h高速工况下整车油耗试验如图8所示。

图8  整车油耗试验

图9  油耗试验结果

油耗试验结果表明，功率损耗最小控制策略更有利于提升整车高速工况经济性。随着车速的增加，二者油耗的差距越来越小，原因是随着车速的增加整车驱动力减少，电机助力减少，SOC变化量减少，油耗几乎全部来自发动机，120 km/h车速下，SOC变化量几乎为0，二者油耗也趋于一致。各高速工况下电池SOC变化情况如图10所示。

图10  SOC变化情况

5  结  语

本文基于功率分流式混合动力系统，提出在高速工况下，采用制动器B2锁止、功率损耗最小控制策略。建立混合动力系统模型并进行仿真验证及整车试验。结果表明，该策略有助于提升整车高速工况经济性，对类似双电机混合动力系统高速工况经济性优化有一定参考价值。

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