本文首先分析了G-MC 機電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，分析其各個驅(qū)動模式下的動力學模型；綜合考慮各驅(qū)動模式的系統(tǒng)效率，制定了模式切換時策略。為驗證設(shè)計的合理性，進行了動力性經(jīng)濟性仿真和 G-MC 傳動效率試驗驗證，并與同期車型進行性能對比分析，證明了G-MC混合系統(tǒng)的先進性。

1. G-MC 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)



如圖1所示，新能源汽車混合動力系統(tǒng)一般包括發(fā)動機、機電耦合機構(gòu)、動力電池、整車控制器（VCU）、電機控制器（IPU）、耦合控制器（CCU） 等。



G-MC采用如圖2所示的串并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備純電動模式、混合驅(qū)動模式、串聯(lián)增程模式、駐車發(fā)電等多種工作模式。機電耦合系統(tǒng)將發(fā)電機、驅(qū)動電機、離合器、傳動系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等集成在一個箱體內(nèi)。

G-MC外形如圖3所示。



1.2 驅(qū)動模式分析

該G-MC機電耦合系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種驅(qū)動模式，包括純電動模式、混合驅(qū)動模式、串聯(lián)增程模式、駐車發(fā)電等多種工作模式。

當機電耦合系統(tǒng)中的離合器斷開、發(fā)動機和發(fā)電機不提供動力輸出時，G-MC工作在純電模式。此時功率流由驅(qū)動電機經(jīng)中間軸、主減速齒輪傳遞至車輪，功率流如圖4所示。



純電動模式主要工作在電量充足且輪端需求轉(zhuǎn)矩不大的行駛工況下，其傳動系統(tǒng)動力學模型如下所示：



當G-MC工作在串聯(lián)增程模式時，離合器處于斷開狀態(tài)，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)出電能，一部分能量通過發(fā)電機給電池充電，一部分給驅(qū)動電機供電，而驅(qū)動電機單獨驅(qū)動整車。串聯(lián)增程模式下功率流如圖5所示。



串聯(lián)增程模式主要工作在電池電量低或急加速需求扭矩較大的行駛工況，其傳動系統(tǒng)動力學模型如下所示：




當離合器結(jié)合，耦合系統(tǒng)工作在混合驅(qū)動模式，該模式最大的特點是整車需求功率主要由發(fā)動機提供，不足的功率由驅(qū)動電機提供而多余的功率由發(fā)電機吸收，混合驅(qū)動模式下功率流如圖6所示。



該模式下傳動系統(tǒng)動力學模型如下所示：





2. G-MC控制策略

控制策略是耦合系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，它包括模式劃分、模式切換和功率分配控制策略。

其中模式劃分控制策略主要是根據(jù)車輛的當前車速、轉(zhuǎn)矩需求和當前 SOC，在各種驅(qū)動模式中選取最合適的工作模式；模式切換控制策略是通過協(xié)調(diào)控制動力源轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)平穩(wěn)且無動力中斷的模式切換過程；而功率分配策略是耦合模式下對兩個動力源的功率進行分配，從而實現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)效率提高整車經(jīng)濟型增加續(xù)駛里程。

2.1 模式劃分

G-MC混合系統(tǒng)具有多個能量源和動力部件，可以工作在多種驅(qū)動模式。為使車輛在兼顧動力性的同時提升經(jīng)濟性，車輛驅(qū)動模式的選擇至關(guān)重要。根據(jù)插電式混合動力汽車在運行過程中電池SOC變化情況，可將其運行模式劃分為兩個階段，分別是：電量消耗（ChargeDepleting, CD） 階段和電量維持（Charge Sustaining,CS）階段。

在 CD 階段，為了盡可能利用動力電池內(nèi)存儲的電量，車輛在純電動模式下運行。僅當整車需求功率超過電池所能提供的最大功率后，發(fā)動機才啟動，對整車的功率需求進行補充，以滿足動力電池的不足。

隨著汽車運行，電池 SOC 逐漸降低，當電池電量消耗到一定值后，進入CS階段，此時耦合系統(tǒng)在純電動、串聯(lián)增程和并聯(lián)模式之間進行切換，以保證SOC在一定區(qū)間內(nèi)保持平衡。

因此，CS階段的模式劃分邊界至關(guān)重要，本文首先基于系統(tǒng)效率最優(yōu)得到初步的系統(tǒng)效率 （如圖7所示，其中純電模式效率計及串聯(lián)模式平均發(fā)電效率）及模式劃分邊界，之后考慮實車中各種因素對邊界進行修正，得到最終的模式邊界如圖8所示。





其中，在行駛模式的選擇中額外考慮的因素如下：（1）整車各工況下電量的平衡；（2）駕駛員動力性需求；（3）系統(tǒng)經(jīng)濟性；（4）部件運行狀態(tài)對模式選擇的干預；（5）故障處理對模式選擇的干預；（6）特殊情況下滿足診斷儀的干預。

2.2 模式切換控制策略

模式切換控制策略是指串聯(lián)增程模式和并聯(lián)混動模式之間的切換過程控制?；贕-MC構(gòu)型，通過協(xié)調(diào)發(fā)動機與雙電機的工作點以及離合器的工作狀態(tài)，可實現(xiàn)驅(qū)動模式之間的平順且無動力中斷切換。

以串聯(lián)到并聯(lián)的切換過程為例，切換過程流程如圖9所示。



具體實現(xiàn)過程如下。

（1）在混合動力車輛行駛過程中，檢測車速、動力電池電量和加速踏板位置作為進行離合器接合的判斷條件。

（2）檢測車輛是否滿足以下條件：

①當前加速踏板位置下的車速是否高于預設(shè)值；

②電池電量是否處于預設(shè)值區(qū)域；

③各部件無影響離合器接合的故障。

（3）進入發(fā)動機調(diào)速模式，準備離合器接合，驅(qū)動電機繼續(xù)輸出扭矩維持車輛運行。

（4）以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為目標，采用PID控制調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

（5）繼續(xù)檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)和驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速之間轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定值Δω，并維持一定時間T，離合器接合，車輛進入并聯(lián)驅(qū)動模式。

（6） 在離合器接合上后，在總需求扭矩不變的前提下，重新分配發(fā)動機和驅(qū)動電機扭矩，此時發(fā)動機輸出扭矩按一定斜率增加到目標扭矩，驅(qū)動電機輸出扭矩按一定斜率下降到目標扭矩，實現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動。其中調(diào)速調(diào)扭過程如圖10所示。



3. 性能表現(xiàn)

3.1 仿真驗證

基于 Matlab/Simulink 平臺，搭建混聯(lián)式 PHEV 后向仿真模型，分析整車的動力性、經(jīng)濟性，并驗證動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配以及能量管理策略的可行性。

以 GA3S-PHEV 為仿真車型，在動力性方面，最高車速為188 km/h，0~100 km/h加速時間為8.61 s；在經(jīng)濟型方面，選用 NEDC工況仿真計算條件B油耗，100 km油耗值為5.13 L。

3.2 傳動效率實驗

為驗證動力性經(jīng)濟性仿真模型的準確性，以及基于效率最優(yōu)制定的控制策略的合理性，搭建 G-MC 傳動效率實驗臺架如圖11所示，測試不同工況和入口油溫下的傳動效率，圖12所示為其原理圖。





圖13、圖14 分別為入口油溫80 ℃條件下純電模式和發(fā)動機直驅(qū)模式傳動效率圖，以此為依據(jù)對動力性和經(jīng)濟性仿真結(jié)果進行修正，以保證仿真結(jié)果的真實性。



3.3 性能對比分析

表1所示為搭載G-MC的GA3S-PHEV與當時在售的同類插電式轎車車型A的燃油經(jīng)濟性與動力性對比。在經(jīng)濟型方面，GA3S純電續(xù)駛里程提高20.69%，條件A電耗和條件B油耗分別降低12.72%和28.85%；在動力性方面 ，0～100km/h加速時間縮短20.09%。可以說GA3S-PHEV在同類車型中其動力性、經(jīng)濟性方面具有明顯的優(yōu)勢。