【導(dǎo)讀】純電動(dòng)續(xù)駛里程，是國際上新能源汽車研發(fā)的熱點(diǎn)。而合理設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，更好地分配傳動(dòng)系統(tǒng)的能量流，控制車輛的工作模式，以達(dá)到更好的整車經(jīng)濟(jì)性，是插電式混合動(dòng)力汽車開發(fā)的核心技術(shù)。為此，本文主要從插電式混合動(dòng)力汽車。的參數(shù)匹配和能量管理策略制定兩個(gè)方面進(jìn)行了分析研究。具體內(nèi)容從以下幾個(gè)。上，提出了新型并聯(lián)式動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)，并對其工作模式進(jìn)行詳細(xì)分析。計(jì)算法和循環(huán)工況綜合分析法對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行匹配研究。動(dòng)力學(xué)仿真模型；應(yīng)用PI算法建立基于車輛需求扭矩的駕駛員仿真模型。在此基礎(chǔ)上建立了基于規(guī)。力電池SOC為輸入，行駛里程模式為輸出的車輛里程模式預(yù)測方法。

　　

【正文】 過程中，機(jī)械能要先轉(zhuǎn)化成電能，再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，傳輸環(huán)節(jié)多，存在較 大的能量損失 [54]。 ② 并聯(lián)式 動(dòng)力總成方案 與串聯(lián)式動(dòng)力總成不同，并聯(lián)式動(dòng)力總成 有兩套相對獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) [55]。對于插電式混合動(dòng)力汽車而言，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力源，在動(dòng)力電池電量充足、中低負(fù)荷的情況下，主要使用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式；在動(dòng)力電池電量不足情況下使用行車充電模式，在需要大功率輸出情況下由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng) 機(jī)共同提供動(dòng)力。 2020 年 1 月上市的本田 Accord 插電式混合動(dòng)力汽車采用的就是并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其 動(dòng)力總成 結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 本田 Accord 并聯(lián)式動(dòng)力總成 結(jié)構(gòu) Parallel hybrid vehicle powertrain configuration of Honda Accord 并聯(lián)式動(dòng)力總成 中，電動(dòng)機(jī)可以兼做發(fā)電機(jī)使用，沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪，相對于串聯(lián) 式傳動(dòng)系統(tǒng)而言，其能量利用率較高。同時(shí)并聯(lián)式動(dòng)力總成 可以選擇功率較小的部 件，安裝空間較小，便于整車布置。但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工作模式比較多，對控制系統(tǒng)要求較高。 ③ 混聯(lián)式 動(dòng)力總成方案 圖 豐田 Prius 混聯(lián) 式動(dòng)力總成 結(jié)構(gòu) Seriesparallel hybrid vehicle powertrain configuration of Toyota Prius 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力電池發(fā)電機(jī)行星排電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)控制器動(dòng)力電池變速器2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配 13 新型 并聯(lián)式 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu) 通過對典型動(dòng)力總成的 結(jié)構(gòu)特性 進(jìn)行分析比較可知，串聯(lián)式動(dòng)力總成具有能量效率低，部件成本高的缺陷，混聯(lián)式動(dòng)力總成 結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、控制策略復(fù)雜、成本高。而并聯(lián)式 結(jié)構(gòu)簡單、控制 較為 容易，零部件成本較低，適合在傳統(tǒng)車型上改 裝實(shí)現(xiàn)。因此采用 如下 新型 并聯(lián) 式 動(dòng)力 總成結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)原理如 圖 所示： 圖 新型并聯(lián)式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) New parallel hybrid vehicle powertrain configuration 該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、濕式多片離合器、 ISG 電機(jī)、 CVT、主減速器和動(dòng)力電池組成。其中濕式多片離合器、 ISG 電機(jī)、 CVT 和主減速器集成為一體（簡稱 ISG 電機(jī)和 CVT 總成），體積較小，便于在前置前驅(qū)車輛上 運(yùn)用。 ISG 電機(jī)和CVT 總成的 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。 濕式多片離合器安裝在 ISG 電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部，這樣可以很大程度上節(jié)約空間，便于車輛的整體布局。在沒有給離合器提供壓力的情況下，濕式多片離合器處于分離狀態(tài)， ISG 電機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng) 車輪 實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)工況；在行車制動(dòng)時(shí)， ISG 電機(jī)作為發(fā)電機(jī)為電池充電，可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收。 給濕式多片離合器提供壓力時(shí)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)和 ISG 電機(jī)機(jī)械連接， 完成電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、 ISG 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)以及行車充電 三種工作模式 。 ISG 電機(jī)和 CVT 總成部分還包含了換 向機(jī)構(gòu)，通過控制前進(jìn)檔離合器和倒檔離合器，改變換擋機(jī)構(gòu)行星排的輸出轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)行車和倒車功能。 工作模式分析 通過對該并聯(lián)式動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)分析可知，本文所研究的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)共有六種工作模式：純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、行車充電模式、再生制動(dòng)模式和停車充電模式。而工作模式的選用需要充分考慮汽車的行駛工況和動(dòng)力電池 SOC，以下詳細(xì)分析在不同行駛工況時(shí)車輛工作模式的使用控制。 發(fā)動(dòng)機(jī) ISG 電機(jī) CVT電動(dòng)機(jī)控制器動(dòng)力電池重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 圖 ISG 電機(jī)和 CVT 總成原理圖 Sketch of ISG motor and CVT ① 啟動(dòng)工況 傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車在運(yùn)行過程中，尤其在市區(qū)工況時(shí)，需要 不斷地 重復(fù)怠速和啟動(dòng)工況。而在 此 過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)效率低、油耗高、尾氣污染嚴(yán)重。插電式混合動(dòng)力汽車在啟動(dòng)時(shí)采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，可以有效避免傳統(tǒng)車的缺陷。因?yàn)?ISG電機(jī)在啟動(dòng)過程中響應(yīng)快，可以瞬間提供大的扭矩，啟動(dòng)車輛前行，并且車輛不需要怠速工作模式，在臨時(shí)停車時(shí)可以節(jié)省能量消耗。 ② 中低速工況 在動(dòng)力電池電量充足時(shí)， ISG 電機(jī)足以提供車輛中低速工況時(shí)所需的動(dòng)力，可以采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)動(dòng)力電池電量消耗達(dá)到一定限值時(shí)，可以啟 用行車充電模式，這樣不僅可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，還可以使 ISG 電機(jī)做發(fā)電機(jī)使用，為動(dòng)力電池充電。 ③ 加速和高速工況 在加速和高速工況時(shí)，車輛需求功率較大， ISG 電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)不能滿足 車輛 要求，需要 進(jìn)入混合 驅(qū)動(dòng)模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)， ISG 電機(jī)輔助助力。當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)，啟用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，這就需要發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率能夠滿足車輛的基本動(dòng)力性能需求。 ④ 減速制動(dòng)工況 當(dāng)汽車剎車制動(dòng)時(shí)，啟用再生制動(dòng)模式，濕式多片離合器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油、停機(jī)，在確保制動(dòng)安全的情況下， ISG 電機(jī)作為發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池充電 。如制動(dòng)功定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子ISG 電機(jī)換向機(jī)構(gòu)主動(dòng)帶輪從動(dòng)帶輪主減速器差速器倒檔離合器前進(jìn)檔離合器2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配 15 率超過 ISG 電機(jī)的使用范圍，則采用混合制動(dòng)，即再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)同時(shí)使用。當(dāng)動(dòng)力電池電量超過 充電限值時(shí)，不啟用 再生制動(dòng)模式，僅 使用 機(jī)械制動(dòng)模式。 ⑤ 停車充電工況 在車輛停車狀態(tài)時(shí)，如果動(dòng)力電池電量較低時(shí)，啟用停車充電模式， 利用家庭用電 ，或者在專用充電站，對動(dòng)力電池進(jìn)行充電。當(dāng)動(dòng)力電池電量達(dá)到設(shè)定的限值時(shí)，停止充電。 關(guān)鍵部件參數(shù)匹配 在本文緒論部分對插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配的三種常用方法進(jìn)行了對比分析，其中理論計(jì)算法簡單實(shí)用，但 可能造成部件匹配功率過大，而優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)法又過于復(fù)雜 ，循環(huán)工況綜合分析法操 作簡單，但容易忽略車輛極限工況。因此本文結(jié)合各種方法的特點(diǎn)， 綜合 運(yùn)用理論計(jì)算法和循環(huán)工況綜合分析法進(jìn)行 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配。 具體方法為 ：在確定車輛基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于車輛的動(dòng)力性能設(shè)計(jì) 要求，應(yīng)用 汽車動(dòng)力學(xué)原理，初步確定車輛的功率需求；其次在研究車輛工作 模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合循環(huán)工況分析，進(jìn)一步確定各部件的具體參數(shù)；最后在仿真建模的 基礎(chǔ)上，驗(yàn)證匹配結(jié)果的合理性。前兩部分在本章實(shí)現(xiàn)，仿真驗(yàn)證在第四 章完成。 本文選定四種典型汽車循環(huán)工況作為參考，分別是歐洲城市郊區(qū)典型循環(huán)工況 NEDC（ New European Driving Cycle） 、紐約市循環(huán)工況 NYCC（ New York City Cycle） 、美國典型城市循環(huán)工況 UDDS（ Urban Dynamometer Driving Schedule） 和美國 公路循環(huán)工況 HWFET（ Highway Fuel Economy Certification Test） 。 動(dòng)力性能需求初步分析 本節(jié)依據(jù)車輛的基本參數(shù)和車輛的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，應(yīng)用 車輛動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性（包括車輛最高行駛車速、最大爬坡度和車輛加速性）進(jìn)行初 步分析。 車輛相關(guān)參數(shù)以及設(shè)計(jì)指標(biāo)如下表 所示。 依據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可知車輛的需求功率為 [56,57]： 21 ( c o s ( ) + + s in ( ) + )3 6 0 0 2 1 .1 5Dt t C A u duP M g f M g M udt? ? ??? （ ） 式中 M 為整車質(zhì)量（ 單位 :kg） 。 f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)； ? 為爬坡度（單位： 176。）； DC 為空氣阻力系數(shù)； A 為迎風(fēng)面積（單位： m2）； u 為車速（單位： km/h）； ? 為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； dudt 為汽車行駛加速度（單位： m/s2）； t ? 為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 表 車輛基本參數(shù)及性能指標(biāo) Table Basic parameter and performance target of vehicle 參數(shù)名稱 數(shù)值 整車質(zhì)量（空載） 1547kg 整車質(zhì)量（滿載） 1922kg 原型車參數(shù) 迎風(fēng)面積 風(fēng)阻系數(shù) 輪胎滾動(dòng)半徑 滾動(dòng)阻力系數(shù) ? 0~100km/h 加速時(shí)間 15s 最高車速 150 km/h 性能指標(biāo) 40Km/h 最大爬坡度 30% 90km/h 持續(xù)爬坡度 % 純電動(dòng)行駛里程 50Km 車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率需要 滿足車輛行駛的基本動(dòng)力性指標(biāo)，即最高行駛車速、最大爬坡度和車輛加速度。 m a x m a x m a x m a xm a x( , , )t u i aP P P P? （ ） 式中 maxtP 為車輛最大需求功率（單位： kw）， m a x uP 為最高車速行駛時(shí)汽車需求功率（單位： kw）， m a x i P 為最大爬坡度時(shí)驅(qū)動(dòng)功率（單位： kw）， m a x aP 為加速時(shí)的最大需求功率（單位： kw）。 ① 車輛最高行駛車速下動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) 的 功率需求計(jì)算公式如下： 2m a xm a x m a x1 ( + )3 6 0 0 2 1 .1 5Du t C A uP M g f u?? （ ） 式中 maxu 為車輛最高行駛車速（單位： km/h）。 ② 最大爬坡度下車輛功率需求計(jì)算公式如下： 2m a x m a x m a x1 ( c o s ( ) + + s in ( ) )3 6 0 0 2 1 .1 5Di t C A uP M g f M g u???? （ ） 式中 max? 為車輛最大爬坡度（單位： 176。）。 ③ 加速性功率需求計(jì)算 公式 ： 車輛 起步 加速過程可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 計(jì)算 [15,25] m max()xt tuut? （ ） 式中 x 為擬合系數(shù)，數(shù)值通常取 ； maxt 為加速到 mu 所需的時(shí)間； tu 為加速到 t 時(shí)2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)匹配 17 刻的車速。 2m a x 1m a x ( + + )3 6 0 0 2 1 .1 5D t tatt C A u d uP M g f M udt????? ???? （ ） 根據(jù)表 21 中對車輛基本動(dòng)力性能的基本要求，通過公式 ~ 計(jì)算得： maxuP為 、 maxiP 為 、 maxaP 為 ，車輛 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大需求功率為 85kw?？紤]到汽車附件需要消耗一定的功率，因此在選定最大驅(qū)動(dòng)功率基礎(chǔ)上增加了 10%左右的富余量 [14,16,58]，初步選定整車驅(qū)動(dòng)功率為 93kw。 行駛工況分析 表 循環(huán)工況特性 Table Feature of driving cycle 循環(huán) 工況 NEDC HWFET NYCC UDDS 時(shí)間 t/s 1184 765 598 1369 距離 s/km 最高車速 u/km/h 120 平均車速 u/km/h 最大加速度 a/m/s2 最大減速度 a/ m/s2 相對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車， 插電式混合動(dòng)力汽車在停車工況下可以利用外接電源對動(dòng)力電池充電，在一定距離內(nèi)主要使用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況，因此插電式混合動(dòng)力汽車的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)該可以滿足一定的循環(huán)工況需求。本文選定的四種典型 車輛 循環(huán)工況的速度變化規(guī)律如圖 ，其 特征參數(shù) 如表 。 基于 插電式混合動(dòng)力汽車的基本參數(shù)，依據(jù)計(jì)算公式 對四種循環(huán)工況的車輛需求功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表 所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)不難看出， 車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大功率需求在 45~57kw 的范圍內(nèi)。 對循環(huán)工況的功率需求進(jìn)一步分析，做出不同循環(huán)工況下車速與需求功率的散點(diǎn)圖 。從循環(huán)工況散點(diǎn)圖不難看出，在城市循環(huán)工況（如 NYCC 和 UDDS）中車輛主要工作在低速區(qū)，而城市與郊區(qū)循環(huán)工況（如 NEDC）中，車速、功率等分布較均勻，城市間循環(huán)（如 HWFET）中，車速主要維持在高速區(qū)。對于插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配 ，需要認(rèn)真考慮幾種典型循環(huán)工況的功率分布情況。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 圖 循環(huán)工況 Driving cycle 表 循環(huán)工況需求功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) Table Power statistical data of driving cycle 循環(huán) 工況 NEDC HWFET NYCC UDDS 最大正功率 P/kw 最大負(fù)功率 P/kw 對循環(huán)工況的 功率分布情況進(jìn)一步分析，做 循環(huán)工況的功率需求頻數(shù)分布直方圖 可知， 在車輛循環(huán)過程中，功率需求大部分集中在低功率區(qū)域