基于某款混動(dòng)四驅(qū)汽車(chē)動(dòng)力性提升研究

關(guān)鍵詞：動(dòng)力性；混動(dòng)四驅(qū)；百公里加速；動(dòng)力性仿真

0引言

汽車(chē)的動(dòng)力性能是用戶購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)的重要參考指標(biāo)之一，一輛動(dòng)力性能優(yōu)異的汽車(chē)，能給用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)，提升用戶購(gòu)買(mǎi)意愿，增加購(gòu)買(mǎi)成功率。本文通過(guò)對(duì)一輛混動(dòng)四驅(qū)樣車(chē)從理論仿真到實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證兩個(gè)維度的動(dòng)力性能分析，研究不同控制策略下該樣車(chē)動(dòng)力性能的真實(shí)效果，挖掘硬件的極限性能和提升整車(chē)系統(tǒng)匹配度，減少不必要的冗余，為后續(xù)四驅(qū)項(xiàng)目量產(chǎn)開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)，包括硬件匹配及策略設(shè)計(jì)。

1混動(dòng)四驅(qū)樣車(chē)介紹

目前行業(yè)內(nèi)普遍按照電機(jī)安裝位置差異，區(qū)分混動(dòng)架構(gòu)；電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪端叫做P0，電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端叫做P1，電機(jī)安裝在變速器輸入端叫做P2，電機(jī)安裝在變速器輸出端叫做P3，電機(jī)安裝在后橋中間，連接后減速器叫做P4（圖1）。該混動(dòng)四驅(qū)樣車(chē)主要采用P1P3P4架構(gòu)，動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)（P1），前軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)（P3），后軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)（P4），離合器，G1、G2、G3和G4四組齒輪組成的耦合器1，G5、G6兩組齒輪組成的耦合器2。P3電機(jī)通過(guò)耦合器1驅(qū)動(dòng)前軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，P4電機(jī)通過(guò)耦合器2驅(qū)動(dòng)后軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，P1電機(jī)通過(guò)齒輪組G1與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。

2混動(dòng)四驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

該混動(dòng)四驅(qū)樣車(chē)的動(dòng)力總成匹配，由2.0L混動(dòng)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)、3個(gè)電機(jī)，1個(gè)單擋DHT、1個(gè)液壓離合器和1個(gè)12.90kW·h動(dòng)力電池組成，三個(gè)電機(jī)包括75.00kW的發(fā)電機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，用于串聯(lián)發(fā)電，100.00kW的后驅(qū)電機(jī)，用于后軸驅(qū)動(dòng)和一個(gè)130.00kW的前軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用于前軸驅(qū)動(dòng)，前軸為主驅(qū)動(dòng)軸，各零件主要性能參數(shù)如表1所示。

為了能更好的分析該混動(dòng)四驅(qū)樣車(chē)動(dòng)力性能的理論極限，并與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果做對(duì)比分析，盡可能發(fā)揮出樣車(chē)的動(dòng)力性能，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行樣車(chē)參數(shù)建模。

2.1樣車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)樣車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)及樣車(chē)硬件參數(shù)分析，該樣車(chē)可以實(shí)現(xiàn)純電前驅(qū)、純電后驅(qū)、純電四驅(qū)、串聯(lián)前驅(qū)、串聯(lián)后驅(qū)、串聯(lián)四驅(qū)、并聯(lián)前驅(qū)、并聯(lián)后驅(qū)、并聯(lián)四驅(qū)、前軸回饋、后軸回饋和前后軸同時(shí)回饋12種驅(qū)動(dòng)方式。

（1）當(dāng)車(chē)輛處于純電行駛時(shí)，整車(chē)功率由動(dòng)力電池提供，最大可以給P3和P4提供100.00kW功率。

（2）當(dāng)車(chē)輛處于串聯(lián)模式時(shí)，整車(chē)功率由動(dòng)力電池和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供，最大可以給P3和P4提供175.00kW功率，由于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電效率影響和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電速度，最大功率將小于175.00kW，同時(shí)最大功率需要從100.00kW開(kāi)始隨著發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

（3）當(dāng)車(chē)輛處于并聯(lián)模式時(shí)，整車(chē)功率由動(dòng)力電池和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供，最大功率可以達(dá)到192.00kW，分別是動(dòng)力電池提供的最大100.00kW和發(fā)動(dòng)機(jī)提供的最大92.00kW，由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率增長(zhǎng)受車(chē)速影響，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增長(zhǎng)需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間。

2.2建模仿真

仿真模型主要由3個(gè)部分組成[1]。

（1）計(jì)算油門(mén)踏板開(kāi)度和制動(dòng)踏板開(kāi)度的駕駛員模型。

（2）通過(guò)Simscape模塊結(jié)合Simulink模塊搭建的車(chē)輛模型，包括電機(jī)模型、電池模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、離合器模型和車(chē)身模型等。

（3）通過(guò)Simulink和Stateflow模塊搭建的整車(chē)控制模型，包括駕駛員需求解析，車(chē)輛模式仲裁和各動(dòng)力模塊的功率分配等功能。

駕駛員模型：輸入目標(biāo)車(chē)速與實(shí)際車(chē)速信號(hào)，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車(chē)速與實(shí)際車(chē)速的跟隨，輸出車(chē)輛的加速踏板開(kāi)度與制動(dòng)踏板開(kāi)發(fā)。

電機(jī)模型：通過(guò)一個(gè)理想的轉(zhuǎn)矩源將電機(jī)的目標(biāo)扭矩?cái)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為物理信號(hào)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)矩；將傳感測(cè)得的轉(zhuǎn)速、扭矩計(jì)算得到電機(jī)機(jī)械功率，然后通過(guò)電機(jī)效率Map查表得到電機(jī)電功率。最后通過(guò)電機(jī)電壓（與電池電壓相等），計(jì)算得到電機(jī)電流，從而完成三個(gè)電機(jī)模型搭建[2]。

電池模型：通過(guò)三個(gè)電機(jī)的電流得到電池的電流大小，采用如下公式計(jì)算得到電池SOC，完成電池模型搭建[3]。

式中：SOC為電池實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)；InitSOC為電池初始荷電狀態(tài)；Current為電池電流；Battery_AH為電池額定容量。

發(fā)動(dòng)機(jī)模型：采用通用發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，通過(guò)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，得到發(fā)動(dòng)機(jī)功率，然后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩；采用二維查表方式，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩插值得到當(dāng)前的燃油消耗率，最后與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的乘積對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，計(jì)算得到車(chē)輛燃油消耗量，完成發(fā)動(dòng)機(jī)模塊搭建[4]。

車(chē)身模型：采用Simscape中的車(chē)輛模塊和魔術(shù)輪胎模塊構(gòu)成傳動(dòng)模塊，采用理想轉(zhuǎn)矩源輸出車(chē)輛機(jī)械制動(dòng)扭矩，采用理想轉(zhuǎn)矩源模擬輸出車(chē)輛在轉(zhuǎn)鼓上行駛過(guò)程中的阻力。

離合器模塊：采用Simscape中的離合器模塊，并采用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得離合器主動(dòng)盤(pán)和從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)兩者之間的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)離合器的接合和斷開(kāi)。

整車(chē)控制模型：采用Simulink搭建控制算法模塊，包括對(duì)輸入信號(hào)處理，需求解析，電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷計(jì)算，前后軸扭矩分配；采用Stateflow模塊搭建整車(chē)模式仲裁與功率分配模塊，完成控制算法設(shè)計(jì)[5]。

2.3性能提升方案設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

優(yōu)化方案1：對(duì)于電池放電功率的使用，為了避免2s放電功率與10s放電功率切換時(shí)的不平順感，樣車(chē)基礎(chǔ)版軟件主要采用電池10s放電功率。在不考慮這種短暫的平順性問(wèn)題，可以在電池放電功率使用上，優(yōu)先使用2s放電功率，2s過(guò)后再切10s放電功率，理論上是可以對(duì)百公里加速有提升。

優(yōu)化方案2：對(duì)于P1電機(jī)的使用，為了避免P1電機(jī)超速（電機(jī)最大轉(zhuǎn)速12000r/min），樣車(chē)基礎(chǔ)軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速上限做了限制保護(hù)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速限制在11400r/min，限制后P1電機(jī)峰值功率為71.25kW，有3.75kW的功率冗余。在百公里加速測(cè)試時(shí)，可以將功率完全釋放。

優(yōu)化方案3：對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率，受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩上升斜率影響，達(dá)到最大發(fā)電功率的時(shí)間會(huì)有差異?？梢酝ㄟ^(guò)提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升斜率，加快發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率的輸出?；蛘咄ㄟ^(guò)彈射起步的方式，原地先將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拉到一定轉(zhuǎn)速，比如轉(zhuǎn)速2000r/min（需要注意電池的充電功率及整車(chē)的NVH等影響），提前將發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率釋放出來(lái)，為四驅(qū)起步時(shí)提供足夠的加速功率。

優(yōu)化方案4：對(duì)于四驅(qū)百公里加速時(shí)前后軸扭矩的分配，受輪胎的摩擦力，前后軸動(dòng)態(tài)載荷，路面的附著系數(shù)等因素的影響。需要?jiǎng)討B(tài)的調(diào)整前后軸扭矩的分配，才能發(fā)揮出最大的起步加速度。

通過(guò)MTALAB軟件，對(duì)該款混動(dòng)四驅(qū)車(chē)動(dòng)力性能仿真，分析得出不同的控制策略下，百公里的加速時(shí)間，如表2所示。

3實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了9種實(shí)車(chē)測(cè)試工況。采用INCA設(shè)備，通過(guò)整車(chē)OBD口讀取整車(chē)CAN信號(hào)和HCU內(nèi)容信號(hào)，按照如下9個(gè)測(cè)試工況進(jìn)行百公里加速測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示[6]。

工況1：維持原來(lái)控制策略不變，對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行百公里加速測(cè)試。

工況2：改變電池放電功率控制，將電池放電功率由原來(lái)10s放電功率，改為優(yōu)先采用2s放電功率，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況3：改變P1電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，由11400r/min，改為12000r/min，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況4：提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升斜率，由400（r/min）/s，改為1000（r/min）/s，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況5：采用彈射起步控制，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況6：優(yōu)化前后軸扭矩分配策略，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況7：關(guān)閉ESP功能，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況8：更改百公里加速測(cè)試道路，由水泥路面改為柏油路面，其他的控制策略維持原來(lái)不變。

工況9：將所有優(yōu)化方案統(tǒng)一更改到車(chē)上，進(jìn)行最終優(yōu)化后的結(jié)果測(cè)試。

每種優(yōu)化措施對(duì)百公里加速的貢獻(xiàn)量如表4所示。

實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異，因?yàn)閷?shí)際道路測(cè)試時(shí)，會(huì)有很多不可控因素，影響著最終的試驗(yàn)結(jié)果。與原狀態(tài)相比，不管是實(shí)車(chē)測(cè)試還是仿真測(cè)試，優(yōu)化后的百公里加速測(cè)試結(jié)果與原狀態(tài)相比，整體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明優(yōu)化方案的有效性。這對(duì)于后續(xù)四驅(qū)項(xiàng)目動(dòng)力性能提升提供了一些方案指導(dǎo)，以上結(jié)果僅供參考，真正開(kāi)發(fā)過(guò)程中還需根據(jù)具體項(xiàng)目分析。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)一個(gè)具體的混動(dòng)四驅(qū)樣車(chē)做針對(duì)性的加速性能提升研究，在不改變硬件的配置參數(shù)前提下，提出了多種優(yōu)化方案，并對(duì)每種優(yōu)化方案做了實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證和理論方案計(jì)算。得出了針對(duì)該樣車(chē)的每種優(yōu)化方案的貢獻(xiàn)量，可以為后續(xù)項(xiàng)目做加速性能提升提供方案參考。