插电式并联混合动力汽车动力传动系统与控制参数匹配设计

舒红，彭大，袁月会，袁景敏，李建鹏，徐知恩

（1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030；2.陕汽欧舒特汽车股份有限公司，陕西，西安 710043）

近年来，插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）因其可以使用外接电网充电，纯电动行驶里程长，节油率高，成为许多国家新一代电动汽车发展计划中实现车辆节能减排的重要技术途径之一。如何优化PHEV的动力传动系统参数匹配和控制策略，是提高整车燃油经济性的关键。

王加雪等[1]运用理论计算与实际循环工况功率需求分析相结合的方法对PHEV进行动力系统功率匹配，结果表明该方法使整车功率匹配优化。Karbowski和Sharer等[2-3]应用全局最优控制策略对PHEV在不同行驶循环工况下的性能研究表明，“混合控制”模式优于“消耗-保持”模式。赵韩等[4]运用正交试验设计方法对主要影响燃油经济性的因素进行了匹配和优化，找出各因素影响的主次顺序并得出其优化水平，完成了对混合动力系统参数优化。

在已经研制成功的陕汽插电式混合动力公交客车样车基础上，根据整车动力性和纯电动里程新要求重新确定了PHEV动力传动系统的参数设计方案，再利用正交试验方法，选取混合度、变速器传动比、主减速器传动比和整车控制参数作为正交设计因素进行正交试验设计，以汽车行驶工况油耗最小为目标，优选出整车动力传动系统参数和控制策略参数的最佳匹配方案。利用基于Advisor软件平台建立的插电式并联双离合器混合动力客车仿真模型，进行整车动力性和燃油经济性仿真分析。

1 整车动力传动系统参数选择

1.1 动力传动系统结构

陕汽欧舒特PHEV结构如图1所示。一般情况下，汽车采用纯电动驱动起步并在低速时保持纯电动运行模式，当车速提高到中高速时，切换至纯发动机模式驱动；当遇到急加速或爬陡坡时，转入混合模式驱动；当汽车减速制动时，则切换至再生制动能量回收模式。整车主要参数为：整备质量m0=12 000 kg；满载质量m=16 500 kg；空气阻力系数CD=0.65；迎风面积A=7.85 m2；滚动阻力系数f=0.011；传动效率ηt=0.85；车轮滚动半径r=0.47 m。整车的动力性能指标见表1。

表1 插电式并联混合动力客车动力性指标

1.2 发动机功率的选择

发动机排量对整车燃油经济性影响很大，为此选择了两种不同的设计方案。第1种方案是以满足汽车最高车速行驶，同时能够长时间连续爬坡的功率需求来确定发动机功率，见式（1）。再加上发动机附件和空调消耗功率，选取发动机额定功率为 132 kW/2 500（r·min-1）。第 2种方案是根据汽车的最高车速确定发动机功率，并加上发动机附件和空调消耗功率，选取发动机额定功率为105 kW。

式中：Pe为发动机功率；va为行驶车速；g为重力加速度；α为道路坡度。

1.3 电机特性参数的选择

针对所选择的两种发动机排量，分别确定电机的性能参数。对于第1种方案的发动机，其搭配的电动机连续功率应满足汽车纯电动最高车速要求，为此选取电机连续功率为50 kW，最大转矩为340 N·m。电动机的峰值功率和转矩要满足以下两个条件：（1）满足汽车全油门起步加速时，由静止加速到50 km/h，发动机和电动机联合驱动的加速时间要求。（2）满足汽车在中国典型城市公交循环工况中运行时的行驶功率和转矩要求。经计算，电动机峰值功率选取为100 kW，最大转矩为680 N·m。其余参数见表2。

对于第2种方案的发动机，所搭配的电动机连续运行功率要满足汽车纯电动最高车速60 km/h的要求，同时满足电动机和发动机联合驱动时汽车最大爬坡度的要求，再加上电动空调、动力转向助力和制动所消耗的功率，得电动机连续运行的额定功率为75 kW，最大转矩为475 N·m。电动机峰值功率和转矩的确定方法与前述相同，所得参数见表2。

电机作为发电机模式运行时，其功率特性应满足充电功率和再生制动功率需求。经计算，发电机特性参数见表2。

表2 两种方案的电机参数

1.4 传动系统传动比的选择

主减传动比i0按汽车的最高车速等于或略微小于发动机最大功率点对应转速的车速来选取。

式中：np为发动机最大功率点所对应转速。

传动系统的最大传动比imax应满足汽车连续爬坡的要求。

上式中对于第1种方案的发动机Te=Temax，Tm=0。变减速器有3种规格，用B1、B2和B3表示，为可选用的变速器方案(见表3)。经过计算，与变速器B1、B2、B3分别联合应用，能同时满足汽车的最高车速和最大爬坡度要求的主减速器传动比i0有3.909、4.88、5.13 3种规格，分别用C1、C2和C3表示,作为可选的设计方案。

表3 5挡变速器各挡传动比

1.5 动力电池组的确定

蓄电池连续运行额定功率和峰值功率以在荷电维持阶段分别满足牵引电动机连续功率和峰值功率需求来确定，并加上电动动力转向泵、电动空压机等所消耗的功率。

蓄电池的额定容量和总能量根据汽车的纯电动里程确定，锂电池的总电压选择为539.6 V，经计算蓄电池组的容量为130 Ah，考虑到电池容量的衰减，选择电池组的额定容量为150 Ah。蓄电池组的总能量由式（4）计算，为81 kWh。

式中：Wb为电池的总能量；vm为车速，vm=40 km/h；Sm为纯电动里程；SOC0为初始SOC；SOCf为终点处SOC。

1.6 混合度

为方便正交试验设计的计算，以反映发动机和电机功率相对大小的混合度作为动力系统的参数。计算得两种发动机和电机设计方案的混合度分别为A1=27.5%，A2=40%，作为发动机和电机的正交设计的可选设计参数。式（5）中A为混合度；Pm为电机连续功率；Pe为发动机功率。

影响插电式混合动力汽车燃油经济性的结构因素主要有混合度、电池容量、电池组电压、变速器传动比、主减速器传动比等。考虑到电池容量和电池组电压已经选定，因此选择混合度A、变速器传动比B和主减速器传动比C作为正交试验设计的结构参数。

2 插电式混合动力汽车控制参数选择

2.1 整车控制策略

汽车控制策略可以根据车速、负载和蓄电池SOC值，来确定发动机和电动机的运行状态，使发动机、电机和电池工作在高效率区域内，降低整车燃油消耗。电力辅助控制策略[5]原理如图2所示，控制逻辑见参考文献[5]所述，电力辅助控制策略的控制变量见表4。

表4 电力辅助控制策略变量表

2.2 控制参数的选择

整车动力传动系统各部件参数和控制参数的匹配直接影响汽车燃油消耗和排放，因此也将整车控制参数作为正交试验的因素进行正交设计。以城市公交车平均每天行驶42个中国典型城市公交循环工况（总里程246 km）为基准，计算整车油耗，对整车控制参数和动力传动系统各部件参数进行正交试验设计，以总油耗最小为目标优选出最佳的设计方案。对表4中所示的5个控制变量在取值范围内选取多个不同数值，各控制参数的取值水平如下：cs_electric_launch_spd_1o取值范围为[2 m/s,6 m/s]，用D表示，取4个水平[2 m/s，3.5 m/s，5 m/s，6 m/s]；cs_electric_launch_spd_hi取值范围为[6 m/s，12 m/s]，用E表示，取4个水平[6 m/s，8 m/s，10 m/s，12 m/s]；根据发动机的万有特性曲线，为确保发动机在经济区域工作，确定cs_off_trq_frac取值范围为[0.3，0.6]，用F表示，取4个水平[0.3，0.4，0.5，0.6]；cs_min_trq_frac取值范围为[0.3，0.75]，用G表示，取4个水平[0.3，0.45，0.6，0.75]；cs_chg_trq/min(fc_m-ax_trq)范围为[0.1，0.4]，用H表示，取4个水平 [0.1，0.2，0.3，0.4]。

2.3 整车仿真模型的建立

运用Advisor软件进行PHEV建模与仿真。通过在Advisor软件现有单离合器并联混合动力汽车仿真模型基础上，增加一个自动离合器模块，并修改整车和动力系统各部件等模块的仿真参数，建立了插电式双离合器并联混合动力客车仿真模型[6]，如图3所示。

3 插电式混合动力客车参数正交设计

3.1 确定正交试验因素及水平

影响整车燃油经济性和排放的动力系统参数和控制参数共有8个，分别是混合度A、变速器传动比B、主减速器传动比C、车速限值(低SOC时)D、车速限值(高SOC时)E、发动机关闭转矩系数F、发动机最低工作转矩系数G、充电转矩与发动机不同转速下最大输出的最小值之比H。将上述8个因素作为进行正交试验设计的因素，其中A为2水平，B、C为3水平，其余均为4水平的因素。

表5 正交设计方案及结果

3.2 参数正交设计及结果分析

根据3.1节所确定的正交试验设计因素及其水平数,选取混合正交表L32(21×32×46)[7]进行正交试验设计。空余的X列可以作为反映随机误差的大小或交互作用，正交设计方案及42个中国典型城市公交循环工况下油耗仿真结果见表5，其中循环工况起始时电池SOC为95%，结束时SOC为 25%。

由 表 5可 见 ,第 26号（A2B3C3D2E1F3G3H1）设计方案的油耗45.89 L为最小油耗，但并不是其最优组合。由效应曲线图4可知其最佳方案为A2B2C3D2E1F2G4H1。

上述最佳方案在正交试验表中未列出,由效应曲线图可以看出各控制参数D、E、F、G和H的取值还可以进一步优化，于是在最佳方案中的每一个控制参数取值附近再各取4个值，对控制策略进行第2次正交试验优化。选取D的4个水平为[3.3 m/s，3.5 m/s，3.9 m/s，4.3 m/s]；E的4个水平为[5.8 m/s，6 m/s，6.4 m/s，6.8 m/s]；F的4个水平为[0.37，0.4，0.43，0.46]；G的4个水平为[0.67，0.71，0.75，0.79]；H的4个水平为[0.1，0.12，0.14，0.16]。

选取L16(4)5正交表安排仿真，结果见表6。

表6 二次正交设计方案及结果

第2次正交试验的因素与指标的效应曲线图如图6所示。由表6和图5可以看出，第2次正交试验中各因素的调整对油耗影响不大，且通过效应曲线图可知，其最优组合方案为D4E4F3G4H2，仿真油耗为45.81 L，最终选取参数和优化前参数如下。

参 数 优化后/优化前数值发动机额定功率 105 kW/132 kW电机额定功率 75 kW/50 kW电机峰值功率 150 kW/100 kW主减速传动比 5.13/5.13 5挡变速器型号 B2/ B3 cs_electric_launch_spd_1o 4.3（m·s－1）/4.17（m·s－1）cs_electric_launch_spd_hi 6.8（m·s－1）/9.72（m·s－1）cs_off_trq_frac/ 0.43/0.28 cs_min_trq_frac 0.79/0.3 cs_chg_trq/min(fc_max_trq)0.12/0.2

4 整车性能仿真分析

（1）采用正交设计优选出的整车动力传动系统参数和控制参数，在中国典型城市公交循环工况下进行燃油经济性仿真, 图6是两个中国典型城市公交循环工况下的仿真结果图。

（2）在42个中国典型城市公交循环工况下动力性和燃油经济性仿真结果见表7，表明其动力性完全满足要求。百公里油耗为18.6 L，与参数优化之前的车型相比(19.7L/100 km)，油耗降低5.58%,燃油消耗有明显降低。

表7 仿真结果

图7—图9所示为42个中国典型城市公交循环工况下电机、发动机工作点分布图和电池SOC变化曲线图。由图7可知，电机的正负转矩工作点主要集中在高效率区域，说明整车动力传动系统参数和控制参数匹配能够很好地满足动力与制动能量回收的需要。由图8可知，发动机工作点主要集中在燃油消耗率比较低的中高负荷区域附近，说明制定的控制策略能使发动机大部分时间工作在高效率区域，提高了汽车的燃油经济性。由图9可知，当电池SOC大于25%时，处于荷电消耗阶段，降到25%时，转入荷电维持阶段。

5 结论

（1）整车动力传动系统参数和控制策略直接影响汽车燃油消耗和排放。根据整车动力性和纯电动里程要求确定了插电式并联混合动力客车动力传动系统的参数设计方案。选取PHEV混合度、变速器传动比、主减速器传动比和整车控制策略参数作为正交设计因素进行正交试验设计，以汽车行驶工况油耗最小为目标，优选出整车动力传动系统参数和控制策略参数的最佳匹配方案。

（2）基于电动汽车仿真分析软件Advisor，建立了插电式并联双离合器混合动力客车仿真模型。采用正交设计优选后的动力传动系统参数和控制策略参数，对整车动力性和燃油经济性进行了仿真分析。结果表明动力系统参数和控制参数优化匹配合理，达到了预期设计目标。在42个中国典型城市公交循环工况下百公里油耗为18.6 L，与参数优化之前的车型相比，油耗降低5.58%。

[1]王加雪，王庆年，吴栋，等.插电式混合动力客车功率匹配与仿真[J].吉林大学学报(工学版)，2010，6(40)：1465-1472.Wang Jiaxue，Wang Qingnian，Wu Dong，et al. Power Matching and Simulation for Plug-in Hybrid Electric Bus[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)，2010，6(40)：1465-1472. (in Chinese)

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