混合动力车辆动力技术对比研究

谢召艳

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

引言

现代动力传动系统的基本功能是在提供高效率和良好的行驶质量的同时，将转矩传递给轮胎接口。车辆控制系统（包括液压离合器控制），必须提供理想的发动机控制和传输速度和转矩，在换挡期间以达到最好的可能结果。车辆位移瞬变是指速度、转矩和转动惯量的不连续性的结果。为了减少动力车辆的瞬态响应，必须将这些不连续点降至最低，一种温和的混合动力电动车辆能够提高驾驶舒适性、改变质量和提高驾驶性能和降低制造成本。这种结构要求在输出轴上安装一个低功率电动机，并连接到一个受控电源；这种配置可以增加动力总成的功能，同时减少换挡时的转矩孔，提高驾驶性能[1-3]。

主电机控制器的主要输入信号是：离合器位置，ICE负载（从速度和节气门角度计算）和选定的挡位。电机的功能是通过在离合器分离时提供牵引力来消除或减小换挡期间的转矩孔，并且还为转矩振荡提供阻尼，特别是在换挡和起步（反冲击）期间，在某些驾驶情况下，电动机也可以用作发电机。

混合动力汽车的主要趋势旨在提高换挡质量，增加动力系统的混合动力或电气化。通过应用精确的瞬态离合器控制技术，可以在不使用液力变矩器的情况下提高换档质量。在换挡过程中容易产生振荡，这些振荡是噪声、振动和粗糙（Noise、Vibration、Harshness，NVH）的来源。在这些情况下，NVH的阻尼来源于扭振吸收器和离合器、传动部件和差速器中的摩擦损失。由于从动总成系统中消除了液力变矩器，阻尼减少，但是，通过使用手动变速箱（Manual Transmission，MT）齿轮系，实现了高效率的变挡。在混合动力电动车辆（Hybrid Electric Vehicles，HEV）动力系统中，可以控制电机输出转矩以快速抑制动力系瞬态振荡，这种控制技术通常被称为“反冲击”。车辆动力传动系控制的建模和分析对于近年来变速器的发展至关重要。

本文研究了前轮驱动轻度混合动力传动系的动力学。提出了具有多个自由度系统的综合分析，并且所得到的运动方程组可以很容易地集成到车辆模型中。通过广义牛顿第二定律来推导模型，对动力总成进行建模的目的是在使用电驱动装置时识别可能的改进。通过对混合动力系统与传统的手动变速箱传动系统相比较，重点分析了较低挡位的性能，这是由于在较低挡位时，传递到驱动轴的转矩更大，轴的偏转也更大。这种较大的偏转意味着在较低的传动比下轴扭转较高，产生较大的振荡。

1 混合动力车辆动力系统建模研究

发动机的简化模型在建模和控制应用程序中很常用，包括经验模型以及更详细的动态研究，这些研究使用基于发动机燃烧的转矩变化用于瞬态动力系研究。本文所开发的模型利用三维查找表的简单发动机元件，这个元素被插入到两个动力传动系模型中，这两个模型将在本节中介绍。车辆动力总成系统转矩可通过以下模型进行表示，包括平均发动机转矩、分段离合器模型，车辆阻力转矩和电机转矩模型等。

1.1 混合动力系统配置

图1给出了一种基本的轻度混合动力系统结构图，其利用永久耦合到变速器输出轴的电机（EM）。

图1 混合动力系统结构图

这种配置允许EM直接驱动车轮，由于电机位于变速器的下游，因此它通过主减速器与车轮具有固定的恒定速比。在变速箱模型中，齿轮1、2、3、4和5（G）连接到输入和输出轴，并通过闭合的离合器（C）驱动，同步器用S表示。在传统手动变速器中，必须在同步之前松开离合器，将同步器与发动机惯性隔离。动力传动系统的性质要求在发动机和变速箱之间连接一个干式离合器，如图2所示，来自联轴器的阻尼必须在系统中加以识别，这种阻尼与连接离合器片的的螺旋弹簧以及各个片段在相对移动时彼此之间的摩擦有关[4-7]。

图2 车辆离合器组成结构图

以下给出混动车辆电机选择过程的详细说明，这种车辆配置的明显局限在于，不可能将EM与车轮隔离开来，因此在电动机惯性滑行时存在附带损失，换挡过程中的速度同步使用手动变速箱中常用的标准同步器完成，具有低成本和高可靠性。在研究过程中由于所提出的HEV系统的性质，可以通过拆除同步器来节省材料，而使用电子节气门控制来实现速度同步，可以以非常高的准确度实现速度同步。

动力系统可在较大的运行速度下提供转矩并将其传送到路面上。因此，必须考虑驱动转矩、齿轮减速和车辆阻力转矩，以精确模拟动力传动系统。动力系统是一种简单的后变速器并联混合动力配置，它采用了一个低功率的四缸发动机，通过一个机器驱动的离合器连接到一个五速手动变速箱，在最终传动之前，电动机通过与变速器输出轴进行连接实现动力传输。在实际的车辆动力研究过程中需要考虑发动机模型、电机模型、动力系统惯性模型和车辆阻力矩模型等[8-9]。

1.2 动力总成模型研究

利用高阶动力总成模型的集总参数方法构建高阶动力传动系统模型，利用动力传动系的轴刚度和旋转惯性特征，结合物理布局，为不同动力传动系配置生成具有代表性的模型。动力总成模型使用扭转集中参数来捕捉系统的换挡特性，惯性元件代表动力总成的主要部件，如发动机、飞轮、离合器鼓、离合器片、带主减速器的同步器、轴、差速器、电动机、车轮和车辆惯性等。这些元件受到各种负载如滚动阻力和空气拖曳力，扭转轴刚度由连接主要部件的弹簧元件表示，损耗表示为阻尼元件。

图3显示了安装在前轮车辆上的电机的模型布局，可以应用假设来降低动力总成的复杂性。首先是将变速器中的空转齿轮的惯性，主齿轮和同步器惯性集中在一起，从而消除了传动部件；然后假定齿轮中没有齿隙，也没有啮合同步器，从而消除了模型中的高刚度元件，这个假设减少了计算需求；最后车轮和车轴的对称性可以将这些惯性集中在一起，作为一个单一元件，对变速箱和差速器的附加损耗与接地减振元件进行建模。

图3 集中参数模型适用于配备HEV的动力总成

式（1）定义了广义的运动方程：

式中：I是以kg·m2为单位的惯性矩阵，C是以Nm·s/rad为单位的阻尼矩阵，K是以Nm/rad为单位的刚度矩阵，T是以Nm为单位的转矩矢量，θ是以rad为单位的旋转位移，θ˙是以 rad/s为单位的角速度，θ¨是以rad/s2为单位的角加速度；传动比减速副和最终传动副的齿数比表示为γ。每个元件的运动方程是：

如果离合器接合，则方程（4）和（5）统一，并且离合器构件的惯性结合。方程（11）是所得到的运动方程，在接合离合器的情况下，系统的总自由度减少。如果离合器分离，则系统具有八个自由度，而如果离合器接合，则只有7个自由度。

混合动力汽车的灵活性允许发动机/电机配置的多种选择，这种配置灵活性可以研究不同配置对车辆性能和瞬态振动抑制的影响。在如图1所示的建议配置中，使用用于功率转换的恒定齿轮比，电机将定位在变速器输出轴上，如图3所示。混合动力汽车动力总成的配置取决于一系列设计考虑因素，最终决定组件的布局，互连和大小。当考虑混合动力系统时，引入式（10）并且用式（8）代替分析传统动力系时使用的式（7）。

2 2种动力技术对比研究

混动车辆控制策略与变速控制相结合需要考虑许多因素，包括离合器位置、挡位状态、发动机转速、节气门位置和传动轴速度。本节通过2种动力技术进行模拟研究，即使用驱动器在回路或开环电子控制来控制离合器和齿轮驱动，这2种方法都具有时间和成本效益，并且均可较简单地应用于自动化系统，而无需进行任何修改。本文对混合动力车辆的几种动力技术进行对比研究，主要是车辆控制策略的分析对比。首先是内燃机（internal combustion engine，ICE）启动，该方式主要在车辆初始启动时使用；第二和第三是加挡，减挡过程。在ICE启动期间，车辆可以3种模式供电：仅通过发动机、通过发动机和电动机、仅通过电动机；在第一种（仅发动机）模式中，第一挡接合，并且离合器打开，从而没有转矩传递到车轮；当离合器开始接合时，由于作用在其摩擦表面上的轴向负载，通过输入轴发生向第一齿轮组的渐进转矩传递，然后系统将控制权交给“升级”制度。

通常情况下，会使用ICE启动的纯电动模式，这些情况包括合适的高SOC，怠速启停已经停止发动机和来自驾驶员的低转矩请求；在这种情况下，二挡以零速接合，并且离合器打开，使得它不会由电动机驱动发动机。电机提供所需转矩的100%，直到换挡计划需要切换到二档，或者低SOC导致发动机起动，此时，发动机启动，系统切换到“升挡”控制模式，已经预先选择了所需的挡位。在驾驶员提出高转矩要求的情况下，ICE启动可以使发动机和电动机都使发动机从静止状态推进；因为在高转矩时，1-2转矩孔不能被电机完全充满，所以可以通过以最大转矩操作电机直到1-2挡完成，使其最小化。这一控制策略能够最大限度地提高驾驶性能，每当需要更高的挡位时，就会使用升挡机制，如图4所示为车辆换挡时间表。

图4 车辆换挡时间表

手动变速箱同步器用于匹配目标挡位的速度并将其物理锁定到轴上。同步器由一个爪形离合器和一个锥体组成：爪形离合器在锥体之后啮合并使齿轮达到轴的速度，同步器在加速车辆方面提供更好的性能，并且在换档期间没有连续的转矩传递的情况下更舒适地驾驶；当同步器与电动转矩填充器相结合时，硬件理想情况下不会导致路面牵引力矩的损失，还可以通过减少离合器摩擦片的磨损从而减少维护，更好地将发动机转速同步到变速箱速度。

根据以上提出的控制策略分别采用仿真模拟的方式进行性能测试。

图5显示了在最大节气门条件下0～100 km/h的加速期间车辆的速度。

与传统动力系统相比，通过模拟以评估该车辆基准测试的性能提升，在换挡过程中，实施了转矩-填充控制方法。除了换挡期间，油门保持固定在100%开度。该仿真结果表明，使用转矩补充传动系统加速时间缩短了大约1.5 s，并且每次换挡期间的减速度都显著降低。

图5 ICE和混动车型的0～100 km/h加速度比较

图6 表示在按照图2所示动力结构体系下的0～100 km/h行驶循环之后，当从第二挡向第五挡升挡时，传统和混动传动系统的输出轴转矩对比。

图6 0～100 km/h加速周期内的输出轴转矩曲线

在每次升挡事件中，都有3个离散的转矩振荡响应，分离离合器引起第一转矩激励，当离合器打开时，发动机和飞轮的惯性与变速器分离；这种惯性的突然变化引起转矩响应的激励，同步齿轮导致第二个较小的激励。当前一挡失步，下一挡锁定在输出轴上时，由于同步器吸收的能量以及风阻和轴承损失，会导致副轴速度发生变化，当离合器重新接合时会发生第三次尖峰。图中清楚地显示了输出轴上的转矩激励，比较原动力传动系和转矩补充传动系的转矩分布，当系统以转矩补给模式运行时，显示转矩孔减少了约175 N·m，并且振荡峰显著减小。

3 结论

混合动力系统已经成为业界的主要研究对象，本文对常见的混动动力模式进行分析研究，对通用的混动系统进行了介绍，其集成了一台电动机，通过减少换挡期间的转矩孔来提供驾驶性能和舒适性，采用电动机需要开发车辆换挡控制策略，以通过在由换挡引起的瞬时振动期间主动控制电动机输出来提高动力系统阻尼的性能。通过对转矩补充传动系统可以与自动手动变速箱和传统手动变速箱同样成功使用，证明了电机的功率和占空比限制了其他系统组件（如电池和变流器）的尺寸和成本。