0 引言

随着人类对空气污染、气候变化和化石燃料枯竭的担忧，政府、汽车制造商和研发机构正在寻找更清洁、更高效的技术方案解决内燃机汽车当前的困境。汽车电气化在全球汽车市场中受到越来越多关注，并有可能减少使用过程能源消耗和温室气体排放。从当前汽车行业发展的情况来看，由于技术成熟度和基础设施的不足，纯电动汽车的里程和寿命仍低于传统燃油汽车且成本较高。同时，在许多汽车厂商、科研机构进行大量探索之后，认为混合动力汽车技术是当前用来满足排放法规和实现节能环保的可行的技术路线之一。

根据车辆能量流传递环节分析，混合动力总成系统可以划分为动力生成系统（动力源）和传动系统（变速器）两部分。基于传统自动变速器（AT）、自动手动变速器（AMT）、双离合变速器（DCT）和无级变速器（CVT）的混合动力总成的技术方案相对成熟。但是基于以上的传统变速器混合动力总成方案对车辆原有的动力总成没有太大影响，同时机械结构变得更为复杂，电气化程度有限，并不能非常有效地降低排放与油耗。采用新型混合动力总成系统可以深度电气化，同时优化内燃机的运行工况从而满足日益严格的排放和油耗法规。从能量耦合方式分析，混合动力总成系统主要有串联式、并联式、功率分流式和串并联式，其中功率分流式和串并联式混合动力总成系统是受到业界关注最多的技术方案。

功率分流式混合动力总成系统的代表产品是丰田公司的混合动力总成系统（Toyota Hybrid System，THS），THS系统使用行星排作为发动机和电机的动力耦合装置，可以提升汽车运行过程的动力性、经济性。

串并联混合动力系统的代表产品为本田公司的混合动力总成系统（Intelligent Multi-Mode Drive,i-MMD），i-MMD系统中发动机和驱动电机均为单档输出，并设计了采用单离合器来控制发动机动力传递或中断。近年来国内许多公司和科研机构对平行轴混合动力进行研究。上海汽车集团股份有限公司采用单电机多档平行轴混合动力总成系统，通过3个同步器相互配合，可以实现10个档位和9种工作模式。奇瑞汽车股份有限公司设计了一种双电机三档混合动力总成系统，采用2离合器1同步器达成3个档位之间进行切换。长城汽车股份有限公司设计了双电机两档混合动力总成的技术方案，通过1个离合器和1个同步器完成两个档位切换。这些平行轴混合动力总成系统，可以提升整车经济性和动力性表现。沈阳工业大学黄隆烽研究了同步器换挡两档变速器的混合动力总成系统，可以有效降低冲击度和滑摩功。河北大学张凡研究采用基于传统变速器的双电机混合动力总成，可以有效降低燃油消耗量。湖南大学周石磊研究双电机两个离合器两个同步器四档混合动力总成，实现无动力中断换档。

在业内功率分流式混合动力系统技术领域受到日美汽车制造商的专利保护，并且控制策略复杂等因素，对国内的汽车生产商不利。串并联混合动力总成系统中采用传统变速器的斜齿轮、轴系以及动力耦合装置，具有开发周期缩短、技术成熟度高的优点，受到国内主要汽车厂商欢迎和科研机构关注。由于平行轴式混合动力总成系统，通过不同数量和类型的动力耦合组件的组合可以实现系统架构多种变化，还有大量的研究工作可以开展。

综合以上研究现状考量，本研究设计了一种串并联混合动力总成系统新架构，该系统可以实现的多种工作模式。基于Amesim和Matlab/Simulink软件搭建搭载该混合动力总成系统的整车模型和控制策略模型。在软件仿真中验证策略可行性并分析部件工作性能和节油效果。

1 系统架构与多模运行设计

多模混合动力总成系统可以适应车辆运行复杂多变的工作环境，提升整车的经济性，优化整车驾驶感受。

混合动力总成系统的架构原理如图1所示，该混合动力总成系统包含两台电机、动力传递装置、发动机和齿轮传动系统。在混合动力专用变速器内部具有5个接口，每两个接口之间表示有齿轮传递。箭头表示动力传递方向，单箭头表示单向传递，双箭头表示可以反向传递，例如，接口4和5之间的箭头，箭头从4指向5表示纯电驱动时的功率流，反向表示制动时能量回收的功率流。通过动力总成系统内部动力源和传动系统部件之间相互配合工作，可以实现该系统理想的驾驶性能和燃油经济性。该系统可以支持纯电驱动模式、增程驱动模式、发动机直驱模式、并联驱动模式和制动回收模式。为了说明这一新的混合动力总成系统的工作原理，下文将会详细叙述设计的混合动力总成系统组成架构。

1.1 混合动力总成系统架构

依据图1的系统架构原理，设计了混动系统中传动系统的技术方案：端口1至端口2通过一组三齿轮副连接；端口3和端口4之间为四组齿轮副连接；端口3和端口5之间为三组齿轮副连接；端口4和5之间通过一组齿轮副连接；动力传递装置为两个离合器。该系统没有使用同步器进行换档工作，可以优化驾驶感受和提升系统可靠性。

图1 混合动力总成系统架构原理

据以上的描述，设计的混合动力总成系统结构如图2所示，其中虚线框表示动力耦合系统。该系统包含两根发动机动力输入轴（EIS1和EIS2）、一根驱动电机（MG1）动力输入轴（MIS）、一根起发一体辅助电机（MG2）输入轴（ISGS）和一根总动力输出轴（OS）、两个离合器（CL1、CL2）和五组齿轮副。发动机端的动力通过两个离合器将动力传递至EIS1和EIS2，通过三齿轮副将动力传递至OS；驱动电机通过MIS和齿轮副将动力传递至OS；最后经过主减速器传递至差速器；ISGS将MG2动力经过三齿轮副传递至发动机轴（ES）或将发动机动力传递至MG2。该混合动力总成系统，旨在提升动力系统电气化程度，具有多模运行能力，改善燃油经济性。该混合动力总成系统中，发动机的动力有两条传输路径，如图中序号1和2；驱动电机有1条传输路径，如图中序号3。多条动力传输路径可以满足车辆复杂运行工况的工作需求。

图2 混合动力总成结构示意

1.2 工作模式

多模混合动力系统能够通过优化发动机的运行区间，来提升能源利用效率。为填补发动机运行区间限制，电机参与驱动工作。为提高电机驱动时的续驶能力，该系统需要具备电量补充的能力。针对这些工作需求，设计了系统可实现的工作模式，如表1所示。

纯电驱动时由驱动电机MG1单独驱动，发动机和辅助电机MG2不工作；在增程驱动时，MG1单独驱动，发动机和MG2工作，发动机的动力传递给辅助电机MG2发电；在发动机直驱时，发动机的动力驱动车辆行驶；在并联驱动时，发动机的动力驱动车辆为主，MG1提供必要的辅助动力；在行车发电时，发动机动力驱动车辆，部分动力给MG1发电；制动能量回收时，MG1作为发电机，回收轮端动能。

2 数学模型

2.1 整车及部件参数

搭配的整车基本参数见表2。依据车辆的基本参数，计算和匹配了混合动力系统的动力源的参数，并且完成了各个动力源的选型。该系统动力源技术参数见表3，发动机为一台直列1.5T增压阿特金森循环汽油机；电池为1并联107串联的电池包；两台电机均为PMSM电机，MG1功率大于MG2。

2.2 整车动力学模型

以车速作为输入变量，确定车辆的牵引力F。根据车辆纵向动力学公式（1），算出滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力的总和。

式中，F为车辆动力系统作用驱动轮上的驱动力(牵引力)(N)；m为整车总质量(kg)，包括整备质量以及驾驶员与乘客质量；g=9.81m/s²为重力常数；f为滚动阻力系数；θ为坡道倾斜角(°)；C_d为空气阻力系数；A为迎风面积(m²)；为旋转质量系数; v为车速(m/s); a为车辆加速度(m/s²)。

2.3 发动机模型

发动机数学模型以负载和转速作为输入，转矩、功率或燃油消耗率作为输出。转速、转矩、油耗和功率之间关系是通过台架测试测量其稳态输出的特性曲线，发动机的输出转矩是根据发动机负载率请求由式（2）计算：

式中，T_out为发动机输出转矩（N·m）；T_maxc为发动机当前转速最大转矩(N·m); T_minc为发动机当前转速下的拖曳转矩(N·m)；为发动机当前负载率(%)。

2.4 电机模型

电机的工作是将电能转换为机械能，在电功率转换成机械功率时的过程会有能量损失，要计算损失功率，电机功率模型由下式计算。

式中，P_mec表示电机输出机械功率（W）；P_ele表示电机的电功率（W）；ω_tm表示电机旋转角速度（rad/s）；η_tm表示电机效率；P_lost表示电机的损失功率（W）。

电机模型设定电机转矩为矢量，输出为负，输入为正，所以P_mec需要取绝对值来计算。

电机控制器根据当前传感器反馈的转速信号，结合电机当前转速下的最大转矩和加速踏板开度来计算出请求转矩，再根据请求转矩计算出当前电机的需求工作电流。

式（4）用于计算电机的输入电流。式中，I_tm表示电机需求电流(A); T_req表示控制器请求的目标转矩值(N·m);  W_tm表示电机旋转角速度(rad/s); P_lost表示电机的损失功率(W); U_b为电压平台(V)。

2.5 动力电池模型

动力电池模型选用建立电池内阻等效模型来进行仿真计算。电池组工作电压、工作电流和单体电池开路电压、工作电流之间关系为式(5)和式(6)所示:

式(5)中，U_tar表示电池目标电压(V); S_cell表示电池组串联数; U_occell表示单体电池开路电压(V); R_cell表示单体电池内阻; I_cell表示单体电池工作电流(A)。式(6)中，I_bat表示传感器测得的电池组的输出电流; P_cel表示电池组并联数。

电池模型另一个重要工作是计算电池电量消耗，计算剩余电量用SOC表征，其计算公式如下:

式中，C_bat表示电池额定容量(A·s); (t₀，t₁)表示测试时间间隔(s)。

2.6 离合器模型

离合器模型采用库伦摩擦模型，库伦摩擦模型主要包含两种状态:滑摩状态和锁紧状态。在滑摩状态下，滑摩速度不为零，摩擦转矩和方向力成正比。当法向力为零时，离合器完全分离;在锁紧状态下，两个摩擦盘锁死，通过摩擦传递的转矩为发动机输出的净转矩，但不会超过用法向力计算的离合器转矩容量。湿式多片离合器传递的转矩可以按照以下公式计算:

式中，sgn为符号函数；∆ω表示离合器两端的转速差；R_cl表示离合器摩擦片的等效半径（mm）；F_total表示作用在离合器摩擦片上的正压力（N）；n_p表示离合器摩擦片数量；μ_cl表示离合器摩擦片的摩擦系数。

使用Matlab/Simulink和Amesim软件进行联合仿真。在Amesim中建立混合动力总成系统及整车的模型，如图3所示。

图3 Amesim和Simulink混合动力汽车联合仿真模型

3 混合动力总成控制策略

混合动力总成的能量管理策略（HP EMS）是实现车辆性能表现优良的基础。基于规则的控制策略（RbCS）是在汽车系统早期开发阶段主要使用的控制方法。因此，在本研究中，设计了一种基于规则的混合动力总成能量管理策略（HP RbEMS），如图4所示。

图4中SOCre表示制动能量回收开启的SOC阈值; SOC_switch和SOCL表示发动机是否起动的SOC阈值和电池SOC的最低值; T_req和T_br表示驾驶员请求驱动转矩和驾驶员请求制动力矩;V_switch和V_current表示在电池SOC降低到SOC_switch后纯电驱动车辆的最高车速和车辆当前行驶车速。该策略可以分为上下两层控制策略，上层控制策略通过上述的边界条件控制系统工作，在图中用未加虚线框的部分表示;加虚线框的为下层控制策略。

3.1 电机驱动模式控制策略

图4中序号1表示纯电驱动工作模式下的控制策略。在纯电驱动工作模式时，离合器CL1和CL2均不接合。车辆所需的全部驱动力由驱动电机MG1提供。

在增程驱动模式中采用功率跟随控制策略(PFCS)，如图4中序号2所示。根据请求转矩和电池SOC，计算出车辆行驶的需求功率P_m和充电功率P_bat，以及辅助电机MG2和发动机组成辅助动力单元（APU）的最大发电功率P_genmax。在增程驱动模式中，车辆所需的驱动力依旧由驱动电机提供，电机控制单元根据当前转速控制励磁电流，输出所需的转矩。将P_m和P_bat之和与P_genmax进行比较，若两者之和小于P_genmax，则APU的发电功率P_char为两者之和；若两者之和大于P_genmax，则APU的发电功率P_char为P_genmax，若APU的P_genmax无法满足驱动电机的需求功率P_m则蓄电池在提供P_m和P_genmax之间的差值功率。由发电功率确定发动机的所需的输出功率，再根据发动机最佳燃油消耗曲线（EOOL）确定发动机输出转矩和转速。

图4 混合动力总成系统控制策略

3.2 发动机驱动模式控制策略

设置发动机热效率≥30%为高效率工作区间，在该区间内发动机能够高效单独驱动车辆行驶。在同一转速下，发动机在热效率为30%时拥有最大高效率转矩值T_emax和最小高效率扭矩值T_emin。

当电池SOC小于SOCL时，发动机直接驱动车辆行驶。当电池的SOC小于SOC_switch且大于SOCL时，同时车速大于V_switch时，发动机参与车辆驱动。当驾驶员请求的发动机工作转矩T_reqe处于小于T_emax大于T_emin时为发动机直驱模式，如图4中序号5所示。若T_reqe小于T_emin，发动机工作点确定在T_emin，驱动电机MG1变成发电机，T_reqe与T_emin的差值为MG1的充电转矩，进入行车发电工作，如图4中序号6所示；若Treqe大于Temax，发动机工作点确定在T_emax，T_emax与T_reqe的差值为MG1的工作扭矩，进入并联驱动工作，如图4中序号3所示；当发动机起动之后，除非接收整车停止信号或者直到电池SOC大于SOC_switch时，发动机关闭，否则当车速小于V_switch时，进入增程驱动模式工作。

3.3 制动模式控制

如果控制器收到制动信号，制动力需求大于0，混合动力总成系统可以使用驱动电机MG1进行制动能量回收，驱动电机产生的电功率由蓄电池进行存储，如图4中序号4所示。

4 结果和讨论

仿真计算时，设置动力电池SOC初值0.8，发动机起动的SOC阈值为0.6；当电池SOC低于0.6时，纯电驱动车辆最高车速为50km/h。计算工况是基于标准的世界轻型汽车测循环（World Light Vehicle Test Cycle,WLTC）。循环目标车速和仿真车速数据如图5所示，结果表明测试车速能够良好地跟随循环目标车速，证明设计的系统架构和控制策略能够满足车辆性能需求。

图5 WLTC车速仿真结果

4.1 部件运行工况

在WLTC循环下，发动机运行工况如图6所示。在运行时间在1180s之前发动机不起动，为纯电驱动模式。测试循环中发动机转速和转矩结果分别在图6（Ⅱ）和（Ⅲ）中展示。在增程驱动模式下，由于采用功率跟随控制策略，发动机转矩和转速跟随EOOL曲线变化。在发动机直驱时，发动机转矩和转速跟随需求转矩和车速变化而变化。在并联驱动和行车发电时，发动机转矩先跟随需求扭矩变化。当驱动电机进入辅助驱动或者发电时，发动机的转矩值跟随发动机最大工作转矩或者发动机最小工作转矩变化。当发动机在并联驱动模式下工作时，发动机稳态工作转矩在167～186N·m之间；在行车发电模式下工作时，发动机稳态工作转矩在76～86N·m之间。

图6 发动机运行工况

电池运行工况如图7所示，电池的输出功率值在7（Ⅰ）中显示，其中正值表示放电，负值表示充电。在纯电驱动模式下，电池的输出功率与车辆行驶需求变化一致，其中在整个纯电运行过程电池的最大输出功率为62.2kW。同时，在并联驱动模式和增程驱动模式下时，电池最大输出功率分别为78.3kW和20.1kW，其中增程驱动模式下为补充APU发电功率无法满足驱动电机功率时的不足功率。电池的SOC曲线如图7（Ⅱ）所示，在测试循环中的SOC范围从0.8至0.47。电池的电压由图7（Ⅲ）所示，电池的母线电压是随着SOC变化的，即当电池的SOC下降则电池的总线电压是降低的。在并联驱动模式时，电池的电流如图7（Ⅳ）所示，在测试循环中纯电驱动模式下电池的最大放电电流为165.5A，并联驱动模式下的最大放电电流为219.2A。同时，增程驱动模式下最大充电电流为43.6A，行车发电模式下最大充电电流为50.1A，制动能量回收充电的最大电流为16.5A。在增程驱动模式下的发电电流更为持续，是电能补充主要途径，行车发电模式充电较为短暂。

图7 电池运行工况

驱动电机和辅助电机运行工况如图8和图9所示。图8（Ⅰ）中在驱动电机转矩为正值时，驱动电机参与车辆驱动工作。在纯电驱动时，驱动电机的输出转矩满足驾驶员需求转矩。同时，驱动电机的工作电流如图8（Ⅱ）所示，对于在驱动电机主要负责驱动车辆时最大工作电流为165.5A，制动能量回收时的最大电流为40.78A。此外，在并联驱动模式下，驱动电机参与工作时的最大电流为211.6A，行车发电时的最大充电电流为53.5A。辅助电机的工作转矩如图9（Ⅰ）所示，辅助电机主要在发动机起动过程输出转矩将发动机端的转速提升到起动转速，其次则是在增程驱动模式中进行发电作业，辅助电机的最大发电电流为66.4A。

图8 驱动电机运行工况

图9 辅助电机运行工况

4.2 部件运行效率分析

在WLTC循环中不同运行模式下的发动机工作点如图10所示。图10中的蓝色线为增程驱动模式下的EOOL曲线。在增程驱动模式中，发动机稳态工作点为红色点，位于EOOL曲线上，棕色点为发动机在5个工作点切换时的动态调整工况。在发动机直驱模式下的工作点由洋红色表示，发动机转速在2700～5300r/min之间，且发动机的工作点基本位于设定的高效区之内。在行车发电和并联驱动模式下工作时的工作点分别由深绿色和紫色表示，两者的工作点基本在发动机高效率区的下限和上限附近分布。

图10 发动机热效率MAP和工作点分布图

4.3 节油效果

为评估设计的混合动力动力总成系统的节能能力，使用WLTC测试循环和NEDC测试循环计算了两种动力总成的油耗数据，其结果如表4所示。在WLTC循环和NEDC循环分别可以减少22.9%和32.1%的油耗，WLTC循环由于工况变化较NEDC更为剧烈，导致燃油经济性表现略逊于NEDC循环。采用双电机混合动力总成系统，对比传统动力总成系统具有电机驱动车辆的工作能力，使得至少一个电机可以用来主要负责驱动车辆，缓解发动机的工作压力。另一方面，至少可以有一个电机负责充电和辅助工作，又可以在一定程度上给予电力系统必要的补充，进一步提升了驱动电机参与驱动工作的能力。

5 结语

本文设计了一款包含两台电机、发动机具备两个传动比齿轮副且采用两个离合器进行动力耦合的混合动力总成系统，可实现纯电动、增程、并联驱动及行车发电等多种工作模式。针对该系统的工作模式，建立了基于规则的能量管理策略（HP RbEMS），并在增程驱动中引入了功率跟随控制策略（PFCS）。该总成系统能够满足车辆行驶需求，并实现各模式的正常切换，通过驱动电机、辅助电机与发动机的协同配合，使发动机工作点尽可能维持在高效率区间。经济性测试表明，相较于传统动力总成系统，该系统在NEDC和WLTC循环下的燃油消耗分别下降了32.1%和22.9%。

参考文献

[1] 邓涛 , 罗俊林 , 韩海硕 , 等 . 混合动力汽车工况识 别自适应能量管理策略 [J]. 西安交通大学学报 , 2018, 52(1): 77-83.

[2] GASSMANN T, HILDEBRANDT W, HAUPT J. Efficient multi-mode transmission for plug-in hybrid electric vehicles[J]. ATZ worldwide, 2018, 120(12): 22-27.

[3] CHEN X J, JIANG J J, ZHENG L P, et al. Study and analysis of a multi-mode power split hybrid transmission[J]. World Electric Vehicle Journal, 2020, 11(2): 46.

[4] XIE S B, HU X S, LIU T, et al. Predictive vehiclefollowing power management for plug-in hybrid electric vehicles[J]. Energy, 2019, 166: 701-714.

[5] DUAN B M, WANG Q N, WANG J N, et al. Calibration efficiency improvement of rulebased energy management system for a plug-in hybrid electric vehicle[J]. International Journal of Automotive Technology, 2017, 18(2): 335-344.

[6] BAPODRA Y, RAJAMANICKAM U. A review on Hybrid Electric Vehicle and simulation on Hybrid Electric Vehicle Drivetrain[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, 633(1): 1-8.

[7] WU G, DONG Z M. Design, analysis and modeling of a novel hybrid powertrain system based on hybridized automated manual transmission[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2017, 93: 688-705.

[8] CHEN H J, L I L, LANGE A, et al. Innovative dedicated hybrid transmission concepts in the next generation of hybrid powertrains[J]. SAE International Journal of Alternative Powertrains, 2019, 8(1): 75-88.

[9] WANG W H, SONG R F, GUO M C, et al. Analysis on compound-split configuration of power-split hybrid electric vehicle[J]. Mechanism and Machine Theory, 2014, 78: 272-288.

[10] K I M N , Z H E N G C H , J E O N G J , e t a l . Generic representations for hybrid powertrain c o n fi g u r ati o n s [ J ]. I nt e r n ati o n al J o u r n al o f Automotive Technology, 2021, 22(6): 1683-1693.

[11] S ABR I M F M , D A N A PA L A S I N G AM K A , RAHMAT M F. A review on hybrid electric vehicles architecture and energy management strategies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 53: 1433-1442.

[12] XU X Y, SUN H Q, L IU Y F, et al. Automatic enumeration of feasible configuration for the dedicated hybrid transmission with multi-degreeof-freedom and multiplanetary gear set[J]. Journal of Mechanical Design - Transactions of the ASME, 2019, 141(9): 1-14.

[13] VA N H W, B R O UW E R M , H O F M A N T. A generic transmission model for hybrid electric drives: integration of the dynamic behavior of all conventional-, electric-, and hybrid-transmission mode types in a single model[J]. Forschung im Ingenieurwesen, 2019, 83(1): 1-9.

[14] YAMADA E, MIYATANI T, KAWABATA Y, et al. Power output apparatus and method of controlling the same[P]. US: US19960638210, 1996-04-26.

[15] 祐志 , 松井英昭 , 茨木隆次 . 动力输出装置、混合车 辆及其控制方法 [P]. 中国 : CN1336879, 2002-02-20.

[16] 曾小华 , 王继新 . 混合动力耦合系统构型与耦合装 置分析设计方法 [M]. 北京 : 北京理工大学出版社 , 2015: 30-31.

[17] 黄康 , 王强 , 邱明明 , 等 . 考虑模式切换频率的多 模式混合动力汽车参数优化 [J]. 西安交通大学学 报 , 2019, 53(7): 99-107.

[18] 朱军 , 王健 , 葛海龙 , 等 . 车辆混合动力驱动系统 及其变速器 [P]. 中国 : CN105673780, 2016-06-15.

[19] 耿丽珍 , 余学浩 , 周之光 , 等 . 一种专用于混合动 力汽车的变速传动系统 [P]. 中国 : CN110667366, 2020-01-10.

本文为“AI汽车制造业”首发，未经授权不得转载。版权所有，转载请联系小编授权（VOGEL100）。本文作者：王建¹ 尹必峰¹ 唐师法² ，单位：1.江苏大学汽车与交通工程学院,2.无锡明恒混合动力技术有限公司）。责任编辑龚淑娟，责任校对何发。本文转载请注明来源：AI汽车制造业