1 前言
混合動力車特別適合中國大城市交通普遍擁堵，汽車頻繁制動的國情，可以取得明顯的節(jié)能治污效果。由于混合動力轎車可以大幅度地降低燃油消耗、減少汽車排放，因此世界各國都在積極開展混合動力汽車研究。根據(jù)最新的《汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》， 2010年前，乘用車平均油耗比2003年降低15%以上；并即將推出燃油稅的征收政策，而且2010年前排放法規(guī)與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，而目前國內(nèi)的油價繼續(xù)攀升，道路擁堵又難以根本改善，這樣使市場的混合動力車的需求就會非常迫切[1]。
為貫徹國家能源戰(zhàn)略，保障能源安全，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，加快提高自主創(chuàng)新能力，擺脫傳統(tǒng)汽車發(fā)展被動局面，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，開發(fā)經(jīng)濟型、環(huán)保型的混合動力轎車具有重要的意義。相對于傳統(tǒng)混合動力方案，基于超級電容的混合動力方案具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、符合中國國情、適合產(chǎn)業(yè)化的特點。
2 混合動力設(shè)計方案
國外混合動力轎車使用超級電容技術(shù)已有先例。超級電容能在短時間內(nèi)提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高、充放電次數(shù)高、循環(huán)壽命長、工作溫度區(qū)域?qū)?；其使用的基礎(chǔ)材料價格也很便宜，適合頻繁加速和減速的城市交通工況。在國內(nèi)，超級電容價格相對于電池要便宜的多，適合低成本方案。盡管超級電容比能量比較低，但是可以通過控制策略的研究，合理地進行能量分配，滿足混合動力工況需求，并且隨著其技術(shù)的日益成熟和車載示范運行的不斷深入，超級電容將會快速進入汽車市場，使產(chǎn)量上升，價格下降。
采用性價比優(yōu)良的超級電容儲能裝置，開發(fā)低成本、高可靠性的混合動力系統(tǒng)。經(jīng)過大量的方案選型和設(shè)計，采用并聯(lián)單軸混合動力方案，集成發(fā)動機、ISG電機、超級電容和雙離合器等部件。它是將盤式一體化起動機/發(fā)電機直接安裝在內(nèi)燃機曲軸輸出端, 電機轉(zhuǎn)子和發(fā)動機曲軸直接連接，定子固定在發(fā)動機機體上。電機取代了飛輪以及原有的起動機和發(fā)電機[2]。下圖1為混合動力轎車系統(tǒng)方案。
圖1 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
混合動力轎車的動力傳動系統(tǒng)包括發(fā)動機、雙離合器、ISG電機和變速箱，混合動力總成部件比傳統(tǒng)的發(fā)動機總成增加了ISG電機和雙離合器部件，因此需要在有限的空間內(nèi)設(shè)計出合理的ISG電機與雙離合器的集成結(jié)構(gòu)。圖2是混合動力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配圖。
圖2 混合動力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配圖
2.1混合動力轎車系統(tǒng)方案設(shè)計特點
(1)采用超級電容作為能量儲存方式，可以節(jié)省超級電容控制系統(tǒng)和高壓接觸器件，采用MOSFET，取代IGBT驅(qū)動模塊，無需高壓電安全系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓采用42V，綠色能源，不會產(chǎn)生污染；同時循環(huán)使用壽命長，可達20萬次以上，在全壽命周期不需更換，大幅降低了使用成本。此外超級電容的充電速度快，充放電效率高；工作溫度區(qū)域?qū)?，容量變化小，相對成本低，該方案具有降低成本、提高?jié)能比例的優(yōu)點。
(2) 采用自主開發(fā)的發(fā)動機電控管理系統(tǒng)，混合動力核心技術(shù)是發(fā)動機與電機的扭矩優(yōu)化匹配技術(shù)，而發(fā)動機電控單元長期被國外公司所壟斷，因此實現(xiàn)發(fā)動機電控單元的國產(chǎn)化是混合動力產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。因此自主開發(fā)了發(fā)動機電控單元，采用基于電子節(jié)氣門的扭矩管理控制策略，對發(fā)動機進行優(yōu)化標(biāo)定匹配，排放標(biāo)準(zhǔn)達到了國Ⅲ排放，滿足了 EOBD故障診斷要求[3]。
(3) ISG電機與雙離合器的集成裝配，采用全浮式ISG電機及雙離合器集成機構(gòu)，曲軸端飛輪替換成ISG電機，開發(fā)全浮式ISG電機，該電機的主要優(yōu)點是：由剛度較大的電機殼體承受除扭矩外的各種載荷，而曲軸因僅承受扭矩，彎曲變形比原結(jié)構(gòu)發(fā)動機還小、克服了其他形式ISG電機的缺點。
(4) 雙驅(qū)動空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，混合動力車為了節(jié)能需取消發(fā)動機怠速工況，但在夏季要維持空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，故通常采用電動空調(diào)壓縮機，由于經(jīng)過充放電的多個環(huán)節(jié)，效率很低。系統(tǒng)開發(fā)出了電控雙驅(qū)動空調(diào)，發(fā)動機工作時由發(fā)動機驅(qū)動，發(fā)動機停機時再由電機驅(qū)動，可解決夏季高溫時無法怠速停機的問題，從而降低能耗。
(5)自主開發(fā)整車電控管理系統(tǒng)，整車控制器負(fù)責(zé)整車的能量管理和動力分配，通過優(yōu)化發(fā)動機和電機的動力匹配，實現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟性、排放和動力性的控制。整車控制器負(fù)責(zé)采集整車各種檔位、油門、剎車信號，通過CAN總線對發(fā)動機和電機控制器發(fā)出控制指令，實現(xiàn)整車各個工況下的優(yōu)化控制。
(6)采用CAN通訊，實現(xiàn)多個控制器之間的通訊?；旌蟿恿I車的動力控制系統(tǒng)由多個控制器組成，每個都有各自的控制系統(tǒng)，所有這些控制系統(tǒng)通過總線進行數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成了一個車用分布式控制系統(tǒng)，其中動力總成控制器是其他所有子系統(tǒng)控制器的主控制器，其主要作用是進行混合動力轎車動力總成的能量管理和動力輸出切換過程的協(xié)調(diào)控制。
2.2 混合動力轎車性能目標(biāo)
混合動力整車動力性，實現(xiàn)加速時間與基礎(chǔ)車相當(dāng)；經(jīng)濟性方面，與基礎(chǔ)車相比，能量消耗降低率大于15％（NEDC）；排放性能方面，整車排放達到國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。
實現(xiàn)混合動力整車的功能：發(fā)動機快速起停；整車加速電機助力，發(fā)揮電機靈活響應(yīng)能力，提高整車平順性及舒適性；行車發(fā)電功能，優(yōu)化發(fā)動機工況，使發(fā)動機工作在高效率區(qū)域；實現(xiàn)較大比例回收制動能量；實現(xiàn)發(fā)動機瞬態(tài)工況優(yōu)化，進一步降低污染物的排放[4]。
2.3 混合動力部件參數(shù)設(shè)計
(1)發(fā)動機：采用JL479QA雙頂置凸輪四缸電控多點順序噴射發(fā)動機，排量為1.5L，最大功率為69kW(6000r/min)，最大扭矩為128N.m(3400r/min)。同時改裝發(fā)動機的油門裝置，采用電子節(jié)氣門，可以實現(xiàn)發(fā)動機油門的扭矩控制。
(2)電機：采用永磁同步電機，額定電壓為42V，工作電壓范圍為30V～50V，電機額定功率為6kW，峰值功率為10kW。額定轉(zhuǎn)速為2100r/min，最大扭矩為60 N.m。電機工作環(huán)境溫度范圍為-30～＋105 ℃。
(3) 超級電容：
超級電容器應(yīng)能完成為整車系統(tǒng)提供42V輔助動力電源的功能，提供短時間大功率能量，起到功率平衡作用。具體參數(shù)指標(biāo)：額定電壓為42V，工作電壓范圍為30V～50V，單體容量規(guī)格≥3500 F，功率密度≥2000 W/kg，能量密度≥6 Wh/kg，使用溫度范圍-25～60℃。
(4) 變速箱，采用5擋手動變速器?；緟?shù)：1檔速比為3.182，2檔速比為1.859，3檔速比為1.25，4檔速比為0.909，5檔速比為0.703，倒檔速比為3.083。
3 混合動力系統(tǒng)控制策略
對于并聯(lián)式混合動力轎車而言，存在著兩套動力源，由于本方案采用能量儲存方式為超級電容、電機采用小功率電機。因此混合動力系統(tǒng)的動力以內(nèi)燃機驅(qū)動為主，電機輔助驅(qū)動。內(nèi)燃機動力輸出特點是動力輸出動態(tài)響應(yīng)慢、扭矩輸出控制精度差。而電機優(yōu)點是瞬間動力驅(qū)動響應(yīng)快，扭矩輸出控制精度高，能量回收效率高等特點。因此可以利用電機工作特點優(yōu)化發(fā)動機工況，提高整車的經(jīng)濟性和排放性[5]。
(1) 怠速停車及快速起動
當(dāng)車輛起步時，電機先將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速(800r/min)后，發(fā)動機開始噴油點火工作，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速高、慣性力大、需要點火的燃油量小的多，燃燒室內(nèi)混合氣溫度也較高，發(fā)動機更容易著火，排放也有比較好的改善。這樣可以發(fā)幅度降低起動工況下的噴油消耗量和燃燒不完全的污染物排放。
當(dāng)發(fā)動機的冷卻水溫度處于正常工作范圍且空檔停車、發(fā)動機節(jié)氣門關(guān)閉時間超過閥值、發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于閥值、汽車減速過程中車速低于目標(biāo)值時，發(fā)動機立即停止噴油而不進行怠速，從而消除了怠速工況下的高能耗和高排放。
(2) 減速斷油功能
在減速工況運行時，車速降到一定程度，發(fā)動機停止噴射燃油，降低污染物排放同時節(jié)省燃油消耗，同時電機根據(jù)司機剎車踏板信號進行能量回收。當(dāng)松開制動踏板后，發(fā)動機快速恢復(fù)噴油。
對于傳統(tǒng)發(fā)動機減速工況，節(jié)氣門關(guān)閉時，進氣歧管絕對壓力很低，缸內(nèi)易發(fā)生不完全燃燒，結(jié)果使發(fā)動機排出未燃燒的混合氣，這些混合氣在催化轉(zhuǎn)化器中繼續(xù)燃燒，使排氣溫度更高并可能會損壞三元催化轉(zhuǎn)換器，而且還會導(dǎo)致HC和CO等排放的增加。因此，此時切斷燃油的噴射可以增加發(fā)動機的制動能力，提高燃油經(jīng)濟性和排放性能，并能夠保護催化轉(zhuǎn)換器。下圖是傳統(tǒng)發(fā)動機斷油工況參數(shù)變化曲線。下圖3是斷油工況各個參數(shù)變化曲線。
圖 3 斷油工況各個參數(shù)變化曲線
對于混合動力減速斷油工況，發(fā)動機原有的減速斷油工況需要有一些改變。一是希望更大范圍地利用減速斷油工況，滿足燃油的經(jīng)濟性和排放性能的要求。二是降低減速斷油推出轉(zhuǎn)速。減速斷油工況與怠速工況具有一些相同的進入條件，如都是節(jié)氣門關(guān)閉、進氣歧管絕對壓力較低?；旌蟿恿M入斷油工況下，發(fā)動機停止噴油，發(fā)動機處于倒拖狀態(tài)，同時電機處于發(fā)電工況，當(dāng)司機進行加速時，根據(jù)檢測到的加速踏板信號，電機拖轉(zhuǎn)發(fā)動機到噴油轉(zhuǎn)速，發(fā)動機開始噴油。這樣就延長了傳統(tǒng)發(fā)動機斷油的時間，取消了怠速工況，節(jié)省了燃油消耗，降低了排放。
(3) 加速助力
由于電機的扭矩輸出響應(yīng)快，瞬間提供的扭矩大，因此適合城市頻繁加速工況，通過電機提供的瞬時扭矩，提高發(fā)動機瞬態(tài)工況的動力性。在發(fā)動機加速工況下，電動機連同發(fā)動機一起提供扭矩，滿足低速扭矩不足及急加速大負(fù)荷扭矩需求，同時可以減少加速工況下發(fā)動機燃油噴射的過濃補償，節(jié)省了燃油，降低了排放。電機助力的大小根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板位置以及變化率決定。當(dāng)輕微加速時，電機只部分助力。當(dāng)急加速時電機全力助力。當(dāng)超級電容電壓小于30V時，電機不助力。
(4) 常發(fā)電功能
在行駛過程中，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，這樣可以改善發(fā)動機工作區(qū)間，混合動力通過給超級電容充電，使發(fā)動機工作在高效率低能耗區(qū)域。
如果整車處于小負(fù)荷工況，那么為了提高燃油經(jīng)濟性，因此提高發(fā)動機負(fù)荷，將節(jié)氣門開度處于經(jīng)濟油耗區(qū)，這樣對于的能量進行充電，當(dāng)電量充滿后，在進行電機助力。因此在小負(fù)荷工況下，電機處于頻繁的充電和放電狀態(tài)，這樣提高發(fā)動機工作區(qū)域，提高發(fā)動機的工作效率。電機的額定功率為6kW，因此將節(jié)氣門開度到15%之上，這樣使發(fā)動機的比油耗減小。
(5) 減速制動能量回收
當(dāng)整車控制器根據(jù)司機加速踏板和剎車踏板信號判斷整車處于減速制動工況時，電機對超級電容進行充電，實現(xiàn)回收制動能量。
4 發(fā)動機動力試驗標(biāo)定匹配
為了實現(xiàn)混合動力的動力性、經(jīng)濟性和排放性，對原發(fā)動機進行了優(yōu)化標(biāo)定匹配，實現(xiàn)了歐三排放標(biāo)準(zhǔn)，這樣為混合動力標(biāo)定匹配做好基礎(chǔ)。
發(fā)動機臺架優(yōu)化標(biāo)定匹配
臺架的試驗主要是針對穩(wěn)態(tài)工況點對發(fā)動機基本工作參數(shù)進行優(yōu)化，找出控制規(guī)律，提供基本的噴油、點火等數(shù)據(jù)。發(fā)動機臺架主要標(biāo)定的項目有，設(shè)定初始參數(shù)的標(biāo)定，系統(tǒng)進氣溫度修正預(yù)標(biāo)定，蓄電池電壓修正標(biāo)定，各缸混合氣均勻性標(biāo)定，基本噴油標(biāo)定，基本點火提前角標(biāo)定，大負(fù)荷加濃標(biāo)定，空燃比閉環(huán)標(biāo)定，發(fā)動機性能優(yōu)化試驗。圖4是發(fā)動機充氣效率基本脈譜；圖6是發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率脈譜。
圖4 發(fā)動機充氣效率基本脈譜
圖6 發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率脈譜
(2) 整車優(yōu)化標(biāo)定匹配試驗
整車主要標(biāo)定發(fā)動機非穩(wěn)態(tài)工作點，也就是過渡工況，主要包括發(fā)動機起動工況、加速工況、減速工況、斷油工況等。使整車試驗污染物排放數(shù)據(jù)的優(yōu)化、瞬態(tài)燃油消耗的優(yōu)化。同時要進行“三高”標(biāo)定、EOBD故障診斷標(biāo)定等。下圖7是發(fā)動機冷起動工況各個參數(shù)變化曲線圖；圖8是歐Ⅲ城市和城郊道路循環(huán)工況。表1是整車轉(zhuǎn)鼓排放數(shù)據(jù)對比。
圖7 發(fā)動機冷起動工況各個參數(shù)變化曲線圖
圖8 歐Ⅲ城市和城郊道路循環(huán)工況
表1 整車轉(zhuǎn)鼓排放數(shù)據(jù)對比
CO
HC
NOx
歐Ⅲ
2.30
0.20
0.15
歐Ⅳ
1.0
0.10
0.08
實測數(shù)據(jù)
0.684
0.076
0.054
5混合動力起動優(yōu)化標(biāo)定
起動、暖機、怠速工況的過渡直接關(guān)系到發(fā)動機的排放，在傳統(tǒng)的發(fā)動機標(biāo)定過程中，最大的難點是起動工況的排放問題，原因是起動過程中，由于氧傳感器本身需要加熱時間、三元催化轉(zhuǎn)換器需要起燃溫度，因此導(dǎo)致起動的幾十秒內(nèi)發(fā)動機處于開環(huán)控制，而起動工況混合氣要求很濃，從而導(dǎo)致HC、NOx、CO排放值特別高，而一旦進入氧閉環(huán)、三元催化起作用下，排放完全由閉環(huán)優(yōu)化標(biāo)定解決。而對于混合動力系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在電機拖動下過渡到發(fā)動機怠速工況，提高發(fā)動機起始噴油轉(zhuǎn)速，減小或者避免傳統(tǒng)發(fā)動機起動過濃噴油以及怠速油量，提高電機在發(fā)動機起動工況的助力效果。
在滿足混合動力起動模式的條件下，整車控制器根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動機水溫、電容電壓，確定發(fā)動機的噴油轉(zhuǎn)速(噴油轉(zhuǎn)速影響發(fā)動機起動的噴油量，影響到起動瞬間的排放，影響發(fā)動機初始油膜的補償，而同時影響這個轉(zhuǎn)速的是電機能夠提供的扭矩或者說是超級電容的實際電壓影響了發(fā)動機噴油轉(zhuǎn)速，同時冷卻水溫度對起動阻力矩影響很大，因此噴油轉(zhuǎn)速是冷卻水溫度和超級電容電壓的三維脈譜，而主要標(biāo)定的是電壓和噴油轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。因此需要重新標(biāo)定混合動力下的起動、暖機、怠速的噴油量、怠速閥開度、溫度修正系數(shù)、電機的拖動轉(zhuǎn)速、超級電容的電壓等參數(shù)[6]。圖9是試驗系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡圖。
圖 9 試驗系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡圖
電機先將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速，然后進入扭矩助力模式，扭矩根據(jù)發(fā)動機水溫進行脈譜查找，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于噴油轉(zhuǎn)速+400r/min時，電機卸載，混合動力起動過程成功。下圖10是傳統(tǒng)發(fā)動機與混合動力起動轉(zhuǎn)速對比圖。根據(jù)下圖可以看出，混合動力的起動的優(yōu)點是：起動時間短，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速沒有高的超調(diào)，轉(zhuǎn)速過渡平滑，起動性能良好。
圖10 傳統(tǒng)發(fā)動機與混合動力起動轉(zhuǎn)速對比圖
混合動力沒有傳統(tǒng)發(fā)動機起動工況過濃噴油現(xiàn)象，而是電機直接將傳統(tǒng)發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到怠速工況進行噴油、點火。因此混合氣體偏稀，有利于起動工況排放的降低。同時可以節(jié)省起動燃油，提高燃油的經(jīng)濟性。下圖11是傳統(tǒng)發(fā)動機與混合動力起動噴油量對比圖。
圖11 傳統(tǒng)發(fā)動機與混合動力起動噴油量對比圖
傳統(tǒng)發(fā)動機起動工況混合氣偏濃，進入氧閉環(huán)要一段時間，對于混合動力而言，起動混合氣偏稀，進入氧閉環(huán)工況要快，這樣有利于降低起動工況下的污染物的排放。下圖12是傳統(tǒng)發(fā)動機與混合動力起動工況氧傳感器信號對比圖。
圖12起動工況氧傳感器信號對比圖
因此采用電機的轉(zhuǎn)速和扭矩控制對發(fā)動機起動工況進行標(biāo)定匹配試驗，這樣的控制策略是合理的?？梢允拱l(fā)動機起動過程混合氣偏稀，節(jié)省大量的噴油量，改善了燃油經(jīng)濟性和排放性。
6結(jié)論
環(huán)境污染和石油資源匱乏是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大難題?；旌蟿恿ζ嚥捎脙?nèi)燃機和電機作為動力源，已經(jīng)成為國際公認(rèn)有效解決方案，各國政府和各大汽車公司、相關(guān)零部件廠商都投入巨資進行混合動力汽車產(chǎn)品及其關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。
根據(jù)大量的方案調(diào)研，系統(tǒng)采用了單軸并聯(lián)的混合動力開發(fā)方案；對混合動力汽車動力總成的部件選型進行深入研究，提出了集成發(fā)動機、ISG電機、超級電容和電控雙離合器、電控雙驅(qū)動空調(diào)等部件的選型方案。
討論了混合動力系統(tǒng)的各種控制策略，對發(fā)動機的優(yōu)化控制、電機的扭矩分配進行優(yōu)化控制，提出了基于電子節(jié)氣門的扭矩管理控制策略。同時介紹了自主研發(fā)的發(fā)動機電控管理系統(tǒng)、整車管理系統(tǒng)，對發(fā)動機管理系統(tǒng)進行大量的標(biāo)定匹配試驗，滿足了國家排放標(biāo)準(zhǔn)。最后進行了混合動力系統(tǒng)的起動標(biāo)定匹配試驗，優(yōu)化了各個控制參數(shù)，提高了燃油的經(jīng)濟性、降低了污染物的排放。
（轉(zhuǎn)載）
