串并联混合动力变速箱挡位对整车性能的影响

2024-01-09孙永正韩志玉徐梓峰

同济大学学报（自然科学版） 2024年1期

孙永正，韩志玉，刘华，徐梓峰

（1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.南昌济铃新能源科技有限责任公司，江西南昌 330000；3.江铃汽车股份有限公司，江西南昌330000）

混合动力汽车具有节能环保、技术成熟的特点，是汽车产业发展的重要方向之一。当前，串联（含增程式）、单电动机并联、功率分流和双电动机串并联等构型是全球混合动力车辆的主流技术方向［1］。串并联混合动力车辆在低车速工况下纯电或串联驱动、在高车速工况下发动机直接驱动，这样能够合理利用电动机和发动机高效工作区域，提高整车燃油经济性。串并联混合动力汽车性能特点促使各大车企和科研机构进行产品开发和系统优化。比亚迪的DM-i （Dual Model intelligent）系统、本田的i-MMD（intelligent Multi-Mode Drive）系统［2］采用了一挡变速箱，长城的柠檬混合动力系统、广汽的GMC（Guangzhou Automobile Company Electromechanical Coupler）2.0系统采用了两挡变速箱，奇瑞的鲲鹏混合动力系统则采用了三挡变速箱。Fischer等［3］对两挡变速箱的串并联混合动力系统进行了深入研究；Han 等［4］和高晓杰等［5］开发了一挡变速箱的串并联混合动力系统车辆以及整车控制策略，对一挡变速箱的串并联混合动力系统进行了深入研究。当前对增程式混合动力系统、并联混合动力系统、串并联混合动力系统和功率分流混合动力系统进行对比分析的研究较多［6-8］，Xu等［9］对串并联机电耦合系统方案进行优化设计并对串并联混合动力车辆与串联混合动力车辆的性能进行对比分析。对串并联混合动力系统的模式切换策略［10］和能量管理策略［11］的研究通常基于特定变速箱挡位车辆，或者基于特定变速箱挡位，分析串并联混合动力车辆各动力部件功率大小对整车燃油经济性的影响［12］。本研究分析了发动机侧挡位数对串并联混合动力车辆整车性能的影响。

以一款不可外接充电的串并联混合动力运动型多功能车（SUV）为研究对象，仿真分析变速箱发动机侧速比对整车性能的影响。首先，设计了整车控制策略并搭建整车仿真模型，通过台架试验验证该模型；然后，采用试验设计（DOE）方法对不同挡位变速箱的速比进行整车油耗和动力性能的仿真，确定3种变速箱的最优速比；最后，从仿真结果中得出不同挡位数的串并联混合动力车辆特点，并给出整车动力部件选型匹配和发动机优化需求。

1 整车仿真模型及控制策略

1.1 串并联混合动力系统构型

串并联混合动力系统由发动机、MG1 电动机、MG2 电动机和变速箱组成，系统构型如图1 所示。在车辆行驶过程中，通过控制C1离合器、S1同步器、S2同步器、发动机、MG1电动机和MG2电动机等部件的工作状态，使该构型车辆能够实现纯电驱动、串联驱动和并联驱动等3种整车驱动模式。

图1 串并联混合动力系统构型Fig.1 Configuration of series-parallel hybrid system

为了探究发动机侧挡位对串并联混合动力车辆动力性和经济性的影响，分别配置一挡、两挡和三挡变速箱，同时保持整车其他参数相同，进行整车性能仿真。不同挡位变速箱的差异主要是齿轮组及匹配的同步器的差异。

1.2 整车控制策略

首先对MG1电动机和MG2电动机进行功能区分。MG1电动机主要用于串联模式下发电、并联模式下辅助发电以调整发动机工作点，MG2电动机主要用于车辆驱动及制动能量回收。发动机、MG1电动机和MG2 电动机在不同驱动模式下的功能定义如表1所示。整车控制策略包括5个功能模块，分别为驾驶转矩解析模块、整车系统能力模块、混合动力模式决策及挡位控制模块、能量管理策略模块和转矩干预模块。整车控制系统根据驾驶需求转矩和实际混合动力模式，以等效油耗最小策略（ECMS）确定各部件的能量管理控制需求。

表1 动力部件功能Tab.1 Function of powertrain components

1.3 整车能量管理策略

整车能量管理策略包括驱动工况下的转矩分配策略和制动工况下的转矩分配策略。对研究车辆配置线控电子液压制动系统，在WLTC（worldwide harmonized light vehicles test cycle）中采用只有驱动电动机能量回收的制动模式，该模式能够满足ECE R13法规要求。不可外接插电车辆可以采用等效油耗最小策略［1］。在相同的驾驶需求转矩下，分别计算纯电驱动、串联驱动和并联驱动3 种模式的等效燃油消耗流量，选取其中最小等效燃油消耗流量的模式为整车目标模式。

在纯电驱动模式中，MG2电动机驱动车辆的等效燃油消耗质量流量是MG2 驱动电动机和附件损失的等效燃油消耗质量流量之和，即：

式中：为纯电驱动模式下的等效燃油消耗质量流量，g·h-1；为MG2 电动机等效燃油消耗质量流量，g·h-1；CLoss为附件损失等效燃油消耗质量流量，g·h-1；TReq为驾驶需求转矩，N·m；nMG2为MG2 电动机转速，r·min-1；ηMG2_d为MG2电动机驱动效率为电动机发电平均效率；ηBat为电池充电和放电的总效率；为发电工况中发动机比油耗平均值，g·（kW·h）-1。

在串联驱动模式中，当MG1电动机发电功率大于整车需求电功率时，增程器中多于整车需求的发电功率充入动力电池包；当MG1电动机发电功率小于整车需求电功率时，动力电池补充不足的电功率至MG2 电动机。根据驾驶需求计算出等效最小燃油消耗为

式中：为串联驱动模式下的等效燃油消耗质量流量，g·h-1；为发动机等效燃油消耗质量流量，g·h-1；为电池等效燃油消耗质量流量，g·h-1；为电池包充电状态下的等效燃油消耗质量流量，g·h-1；为电池包放电状态下的等效燃油消耗质量流量，g·h-1；PMG2为MG2 电动机电功率，kW；PMG1为MG1 电动机电功率，kW；TEng为发动机转矩，N·m；nEng为发动机转速，r·min-1；bEng为发动机比油耗，g·（kW·h）-1；为电动机驱动平均效率。。

在并联驱动模式中，发动机和MG2电动机参与驱动，MG1 电动机负责辅助发电，从而优化发动机工作点。驾驶需求转矩可表示为：

式中：TMG2为MG2 电动机需求转矩，N·m；TMG1为MG1电动机需求转矩，N·m；x为发动机转矩分配系数；y为MG2电动机转矩分配系数；z为MG1电动机转矩分配系数。

根据驾驶需求得出的等效最小燃油消耗公式为：

式中：为并联模式下的等效燃油消耗质量流量，g·h-1；ηMG1_c为MG1 电动机发电效率；为MG1 电动机等效燃油消耗质量流量，g·h-1；nMG1为MG1电动机转速，r·min-1。因此，优化目标函数为：

式中：TEng_min为发动机最小可用转矩，N·m；TEng_max为发动机最大可用转矩，N·m；TMG1_min为MG1 电动机最小可用转矩，N·m；TMG1_max为MG1 电动机最大可用转矩，N·m；TMG2_min为MG2 电动机最小可用转矩，N·m；TMG2_max为MG2 电动机最大可用转矩，N·m；PBat为动力电池功率，kW；PBat_min为动力电池最小可用功率；PBat_max为动力电池最大可用功率，kW。

1.4 整车仿真模型及验证

在Matlab/Simulink 软件中搭建控制策略模型，在AVL Cruise仿真软件中构建车辆物理仿真模型。车辆物理仿真模型通过接口模型和控制策略模型的动态链接库通信实现联合仿真，进而验证整车动力性与经济性。开发的整车控制策略和整车仿真模型在同济大学增程式混合动力系统（TJEHT）车辆上进行了仿真、台架和实车试验验证［5］。TJEHT 与如图1所示的串并联系统相似，如图2所示。

图2 TJEHT车辆控制结构Fig.2 Control architecture of the TJEHT vehicle

在TJEHT 台架上验证了仿真结果和试验结果的误差，其中换挡时间误差在0.2 s 以内，转矩分配系数误差在5%以内，发动机油耗差别在5%以内。搭载TJEHT的车辆测试结果表明，基于等效油耗最小策略得出的整车转矩分配系数可以保证车辆行驶过程中发动机工作点在比油耗相对较低区域。详细的整车试验介绍和结果分析见文献［4-5］，此处不再赘述。

2 变速箱速比寻优

DOE 方法是研究和处理多控制因子与响应变量关系的一种方法，可将多个变量因子与优化目标建立起响应面数学模型，进而找到总体最优方案［13］。以一款非插电式串并联混合动力五座SUV 为研究对象，采用DOE 方法指导变速箱速比寻优仿真试验，根据仿真结果建立燃油经济性和加速性的响应面数学模型，从中找出燃油经济性最优的速比。该仿真主要是从DOE 理论上分析速比对整车性能的影响，为整车开发提供最优速比参考，后续实际速比则需要根据齿数比确定。

2.1 整车参数

整车、发动机、动力电池包、MG1电动机和MG2电动机参数如表2所示。

表2 整车参数Tab.2 Vehicle parameters

2.2 变速箱速比寻优边界

串并联混合动力车辆的动力性能指标由电动机及其速比优化来实现，燃油经济性指标则由发动机工作点调整来实现。在MG2 电动机及其速比已经确定的情况下，以整车燃油经济性作为速比寻优目标。最高车速确定了高速挡传动比上限值为4.5，并联模式的最高车速和发动机最小驱动转速确定了高速挡传动比下限值为2.0；速比寻优间隔则以发动机转速200～400 r·min-1为标准；根据常用车速的计算结果选取传动比间隔为0.5。

2.3 一挡变速箱速比寻优

设置一挡变速箱的速比为2.5～4.5，进行WLTC 仿真和全油门加速仿真，结果如图3 所示。根据整车油耗最优原则选定一挡变速箱的速比为3.0，这时整车百公里油耗为5.62 L，百公里加速时间为10.02 s。

图3 一挡变速箱的整车性能Fig.3 Vehicle performance of one-gear transmission

2.4 两挡变速箱速比寻优

设置两挡变速箱的第一挡速比范围为3.0～4.5，第二挡速比范围为2.0～3.5，对不同速比组合进行WLTC仿真和全油门加速仿真。图4给出了不同速比组合的百公里油耗。根据整车油耗最优原则选定两挡变速箱的速比分别为3.5和2.5，这时整车百公里油耗为5.57 L，百公里加速时间为9.53 s。

图4 两挡变速箱油耗性能Fig.4 Vehicle fuel performance of two-gear transmission

2.5 三挡变速箱速比寻优

设置三挡变速箱的第一挡速比范围为4.0～8.0，第二挡速比范围为3.0～6.0，第三挡速比范围为2.0～4.0。3个挡位的速比组合方案如表3所示。对不同速比组合进行WLTC仿真和全油门加速仿真。

表3 三挡变速箱仿真方案Tab.3 Simulation scheme of three-gear transmission

表4给出了不同速比组合的百公里油耗和百公里加速时间。根据整车油耗最优原则选定三挡变速箱的速比分别为5.5、3.5和2.5，这时整车百公里油耗为5.56 L，百公里加速时间为7.84 s。

表4 三挡变速箱仿真结果Tab.4 Simulation results of three-gear transmission

2.6 变速箱寻优结果

根据仿真结果确定了一挡、两挡和三挡变速箱挡位的最优速比，得到了百公里油耗和百公里加速时间结果，如表5所示。由表5可知，一挡、两挡和三挡变速箱的车辆百公里油耗和高速挡速比值接近，随着挡位增多，百公里加速时间逐渐减小。

表5 变速箱寻优后的整车性能Tab.5 Vehicle performance after transmission optimization

3 整车和能源部件性能影响分析

3.1 整车动力性分析

串并联混合动力车辆在低速起步阶段只有MG2 电动机参与驱动，进入并联模式后发动机和MG2 电动机参与驱动。由图5 可知，起步阶段加速曲线相同，车辆进入并联模式后加速曲线出现差异。车辆变速箱第一挡速比越大，车辆加速性能越好。

图5 不同变速箱的整车加速曲线Fig.5 Vehicle acceleration curve of different transmissions

由图6 可知，在低速阶段只有MG2 电动机参与驱动，3种变速箱的最大爬坡度相同。当车辆进入并联模式后，三挡变速箱车辆最大爬坡能力最强。

图6 不同变速箱的车辆最大爬坡度Fig.6 Vehicle maximum grade of different transmissions

3.2 整车经济性分析

变速箱导致的动力部件工作点不同是整车油耗差异的主要原因。由图7a可知：一挡变速箱车辆发动机工作点的转速范围大；三挡变速箱车辆发动机较多直接参与驱动，发动机较少辅助发电；两挡变速箱车辆发动机工作点则介于两者之间。由图7b 可知，不同挡位变速箱的MG2电动机再生制动工作点分布范围接近，变速箱挡位越多，MG2 电动机在高转速区域工作点数量越多。

图7 动力部件工作点分布Fig.7 Operating point distribution of powertrain components

图8给出了3种变速箱车辆在WLTC下的挡位分布，经统计可知，一挡、两挡和三挡变速箱的升挡次数分别为11次、19次和23次。换挡过程中的发动机驱动力中断由MG2电动机补偿，在WLTC下MG2电动机补偿的能量分别为0.09、0.18、0.27 kW·h。在发动机比油耗较大区域，MG2电动机驱动比发动机直驱消耗更多燃油。由此可见，换挡次数会影响整车油耗。

图8 变速箱挡位切换图Fig.8 Transmission gear position diagram

3.3 改善发动机油耗的影响分析

该SUV 整车整备质量为1 711 kg，根据GB/T 27999—2019 规定，2025 年后该车型百公里油耗目标值为5.13 L。若以改善发动机来达到整车油耗目标，则应降低发动机常用工况比油耗，即改善发动机低速中高负荷的油耗。整车油耗的仿真结果如表6所示，一挡、两挡和三挡变速箱车辆的油耗分别降低10.7%、11.3%和10.3%。不同挡位变速箱车辆的整车油耗下降率差别不大，两挡变速箱车辆略低，这是因为两挡变速箱车辆发动机工作点分布相对最集中。由此可见，若采用新的发动机，两挡变速箱的整车燃油经济性较优，故推荐采用两挡变速箱。