混合动力汽车串并联模式切换控制研究

摘 要：混合动力汽车有多个能量源，汽车控制器在不同的工况需要协调选择不同的能量进行驱动，而混合动力汽车既有串联模式驱动也有并联模式驱动，不同的驱动方式能量损耗不同，如何提升能量的传递效率，一直都是多能源动力系统的关键。本论文首先通过研究混合动力汽车各部件间的速比关系，得出优化速比可以使得各部件间传递效率得到共同提升的结论，在此基础上计算各驱动模式的传递效率并得到平衡曲线，以此优化串并联模式切换时机，提升了整车的经济性。

关键词：能量源 能量传递效率 串并联 模式切换时机

0 引言

近些年来，由于国家政策的导向、油耗排放法规的日益严苛、市场需求逐步明朗，国内新能源汽车行业如雨后春笋般崛起[1]，混合动力汽车逐渐成为市场的宠儿。混合动力汽车因为其架构的特性，在整车的行驶过程中出于对驾驶性以及经济性的考虑，需要适时改变其驱动方式来完成这些目的，但是驱动方式的转变，往往涉及到整车动力源的切换，如何把握时机完成驱动模式的切换，一直是混合动力汽车研究的重要课题，也是车辆是否能够拥有好的驾驶性及动力性的一个重要指标，因此，研究模式切换的控制是一个解决混合动力汽车驾驶性与经济性非常重要的手段。

市面上主流的混合动力汽车采用P1+P3前驱的动力组合方案，区别于增程车辆的串联模式（HEV）模式和纯电（EV）模式，P1+P3架构还存在另一种混合动力模式，即并联驱动模式。在并联模式下，离合器结合，此时车辆主要由发动机驱动，发电机提供部分加速助力扭矩或发电扭矩，发动机输出功率通过“机械传动”传递至车轮[2]。

为了保证车辆的平顺性，市面上一般采用单档结构使发动机一档介入驱动，在发动机直接介入驱动前需要进行整车的模式切换：由串联驱动切换成并联驱动。目前切换时机的选择上主要是通过对车速、需求功率等条件的判断进行判断，如太原理工大学范长盛的基于模糊PI控制方法[3]；吉林大学的巴特等人的基于计时、滤波、模糊逻辑和滞回的方法抑制模式控制方法[4]。本文结合对整车的硬件速比以及整车传递效率的研究，提出一种利用最高传递效率为界线的方法进行整车模式切换选择，以达到提高整车的经济性的目的。

1 汽车油电转换基本参数

在研究车辆的经济性前，需要先进行发动机燃油经济性的相关研究。一般通过发动机的万有特性研究发动机的燃油经济性，通过对发动机油电转换效率来评估发动机的相关性能指标。一般的，用每度电（kWh）发电量所消耗的燃料质量来确定其燃油效率。

如表1是根据国标《综合能耗计算通则》（GB/T 2589）的各能源折标准煤参考系数，其中可以得到汽油的平均发热量。通过计算，理想情况下，1kg汽油完全燃烧产生的热量为11.96kWh，而一度电产生的热量和83.61g汽油完全燃烧产生的热量是相当的。

公式1为功率计算公式，利用公式可计算油电的相互转换。

式中，W是电功率（kwh）;P是功率（kW）;S是时间（h）。

如研究某车型比油耗最低为205g/kWh，如图1所示，即每发一度电需要消耗205g燃油，相对于标准燃油消耗量来说则是83.61/205≈0.4079，即发动机最高热效率为40.79%。发动机的热效率越高，说明其性能越好。

从发动机的万有特性可以看出发动机的最佳效率是需要运行在一定的转速扭矩区域即一定功率内的，在串联模式下发动机与驱动轴是解耦的，并不直接参与驱动，可以随时调整功率使得其绝大部分处于最佳效率内。而在并联模式，由于发动机与驱动轴单档进行耦合，且发动机转速与车速相关，不能随意调整，所以找到一个效率平衡点对两种模式的切换来说非常有意义。

2 各耦合速比优化

2.1 优化发电速比

由于发动机与发电机是时刻耦合的两个部件，所以需要对与发动机耦合的P1电机进行优化，使其在合适的效率区间。如公式2所示。

式中，N1是P1电机转速（rpm/min）；N是发动机转速（rpm/min）；G1是两者之间速比。

为保证较佳的发电效率，经过速比转化后的P1电机的效率图应该尽可能地处于发动机最佳热效率附近，使得整车的发电效率与发动机燃油消耗率高度重合，得到较佳的经济性。如图2所示为速比优化前的发动机万有特性与经过速比转化后的P1电机效率图，图3为速比优化后的发动机万有特性与经过速比转化后的P1电机效率图。

从上面两个图中对比可以看出，优化后的速比可以将P1电机的最高效率区与发动机的较高热效率区重合在一起，只需要发动机运行在经济区，发电机P1将稳定运行在高效率区，绝大部分工况下发电机的效率将在95%以上。

2.2 优化驱动速比

保证较高的驱动效率同样重要，效率越高，驱动时转化的能量越多。在并联模式时发动机的转速与驱动电机转速比是一定的，都会通过一个速比作用到驱动轴上。并联时的发动机转速与P3转速转换如公式3所示

式中，N2是P3电机转速（rpm/min）；N是发动机转速（rpm/min）；G2是发动机的直驱单档速比；G3是驱动电机P3速比。

如图4所示为速比优化前的发动机万有特性与经过速比转化后的P3电机效率图，图5为速比优化后的发动机万有特性与经过速比转化后的P3电机效率图。

一样的，从上面两个图对比可以看出，优化后的速比可以将P3电机的最高效率区与发动机的较高热效率区重合在一起，发动机运行在经济区的时候，保证电机的转速也相应的在经济区间。

3 效率计算

在确保发动机经济区对应的电机效率都较高后，根据并联下发动机直驱的效率与相同功率下的串联模式的效率找到串并联的平衡点。如公式4、5所示：

式中，为并联直驱轴上总效率；为常数项；为并联下燃油消耗量；为发动机到轴效率。

式中，为串联驱动轴上总效率；为常数项；为串联下燃油消耗量；为电机控制器效率；为驱动电机效率；为驱动电机到轴效率。

如上述公式4中，发动机到轴效率为机械啮合效率，按离合器啮合两端98%计算；驱动电机到轴效率也为机械啮合效率98%计算，P1和P3电机效率由上文确定合适速比后基本在95.5%和96.5%以上，各工况下电机控制器的转换效率可由台架测试得出。综上，当使得公式4与公式5相等时，我们可以得到串并联两个不同驱动方式下的燃油量之间的关系，如公式6所示：

式中，=为并联下燃油消耗量；为系数；为串联下燃油消耗量。

从公式6可以根据不同工况下测算出来的值，就可以确定串并联切换的燃油消耗量的关系，在相同转速下，并联可以做到更高的功率且最终效率可以与串联一致，这样就可以判断是否保持当前模式使得当前效率最优。结合上述公式带入具体的电机控制器效率，我们可以得出转速-功率图，如图6所示。

从图6可以看出，效率一定的情况下，在发动机的最优油耗功率与最大功率之间存在一个串并联效率的平衡线，在平衡线以上，并联模式的效率比串联效率要差，平衡线以下，并联模式的效率比串联要好。所以可以以此分界线作为串并联模式切换的临界线进行控制，从而达到即考虑到经济性又能精准地控制驱动模式的效果。

4 结论

混合动力汽车的串并联模式切换一直是汽车研究的热点课题，合适的串并联模式切换时机可以有效提升用户的驾驶性、有益于整车的经济性。首先，本课题从硬件层面出发，探究了各部件的速比对车辆效率的影响，表明了一组优化合适的速比可以将发动机、P1发电机、P3驱动电机三个重要部件效率达到较佳的水平，从而推进整车效率的提升。接着，在优化速比下，通过研究各驱动模式下的能量传递路径和效率，经分析和计算，推导出一个串并联模式最佳切换的适用公式。在此公式基础上，结合发动机万有特性数据分析，得到串并联模式的功率-车速表，从表中得出串并联模式切换控制的关键平衡曲线，最终确定整车的驱动模式最佳切换时机。由于串并联模式的效率损耗，此优化方案及切换时机可节约3%左右的综合能耗。

参考文献：

[1]庞业升.P1P3串并联混合动力汽车的HCU控制策略设计[J].装备制造技术，2023（03）：166-170+179.

[2]祝浩，于钊，徐家良.双电机混动车辆串并联模式切换过程设计与实现[J].汽车科技，2022（1）：35-42.

[3]范常盛.基于模糊PI控制的混联式混合动力汽车能量管理策略的研究[D].太原：太原理工大学，2022.

[4]巴特，高印寒，曾小华，等.混合动力汽车工作模式切换控制方案[J].吉林大学学报：工学版，2016，46（1）：21-27.