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48V P2 混动系统匹配设计及仿真验证
2020-11-07 22:27:46· 来源：EDC电驱未来 作者：石田俊雄， 李圆
前言为了提高汽车燃油经济性，满足日益严苛的排放法规，在传统燃油车动力总成结构基础上增加驱动电机构成了并联混动系统，达到节能减排目标。根据电机布置位置不
前言
为了提高汽车燃油经济性，满足日益严苛的排放法规，在传统燃油车动力总成结构基础上增加驱动电机构成了并联混动系统，达到节能减排目标。根据电机布置位置不同可分为P0、P1、P2、P2.5、P3、P4及组合方案。并联混动系统在原总动基础上进行开发，开发成本及开发风险大幅降低。其中，P2混动方案的结构如图1所示，电机布置在发动机与变速器之间，可实现纯电驱动、启动发动机、制动能量回收及发动机工况点调节等功能，单电机P2方案在燃油经济性、开发成本及系统改动等方面综合优势明显，是目前应用最广泛的并联混动方案。
图1 P2混动结构示意图
P2电机布置有偏置布置和同轴布置两种方案（图2），其中偏置布置的动总轴向尺寸较小，有利于动总在整车上搭载，链传动或带传动速比可适当降低电机扭矩需求；同轴布置方案更方便与变速器集成，如基于AT的P2混动变速器在原液力变矩器的位置集成P2电机，基于DCT的P2混动变速器把C0离合器、双离合器及电机集成为一个模块等，因此，P2电机同轴布置方案集成度更高，有利于提升混动变速器传动效率等。
图2 P2混动电机布置方案
燃油车及纯电动车的动总匹配通过最高车速、最大爬坡度、加速性能等指标，确定动力源的额定功率扭矩、变速器速比等。P2混动车型发动机和电机协同工作，包括发动机、电机单独驱动、电机行车充电、电机助力、电机启动发动机等多种工作模式，发动机与电机参数选择直接决定不同模式下整车动力性能、经济性能及驾驶性能。48V系统具有成本低、系统成熟等优点，广泛应用于P0混动系统上。同时，相比高压系统，48V系统在额定功率扭矩上性能有限，当其应用于P2混动时，应着重考虑48V电机电池与动总发动机、变速器的匹配性，使之满足整车动力性经济性及驾驶性要求。
本文针对某A级P2混动车型，从纯电模式下最高车速、最大爬坡度及加速性能等指标出发，制定P2混动电机、电池匹配设计方案，结合WLTC工况需求功率扭矩统计数据，完成电机电池参数修正；通过搭建整车动力学模型，完成48VP2混动动力总成匹配验证。
2 48V P2混动动总匹配设计
P2混动车型一般在燃油车型的基础上进行改型：增加电机、电池组及相关控制模块等。P2混动车辆发动机与电机最大输出扭矩超过了变速器限扭，因此，P2混动的最高车速及爬坡性能不低于对应的燃油车版本，不能作为电机选型依据，在此以纯电模式相关指标确定电机参数，在结合整车WLTC工况需求功率扭矩统计数据最终确定电机及电池参数。
2.1 WLTC工况需求功率扭矩统计分析
在此以搭载1.5TG发动机、7速湿式双离合变速器某A级轿车为基础，进行P2混动车型电机、电池的匹配设计研究。发动机、变速器及整车参数如表1所示。发动机特性数据、变速器传动效率通过效率试验实测得到。
表1 发动机、 变速器及整车参数
通过对燃油车型仿真分析获得WLTC工况下动力源的需求功率及需求扭矩，如图3所示。低速工况 （车速小于100km/h） 统计数据如表2所示，可以发现，WLTC工况对动力端功率需求敏感性更高，输出功率大于20kW、输出扭矩大于100Nm才能满足90%以上工况点功率扭矩需求。
图3 WLTC工况整车需求扭矩及需求功率
表2 WLTC低速工况（车速＜100km/h）整车需求功率/扭矩占比
2.2 电机参数匹配设计
电机主要用于纯电驱动、启动发动机、辅助发动机工作及制动能量回收。通过纯电最高车速、纯电最大爬坡度及制动能量回收性能确定电机参数。
2.2.1 电机参数匹配设计
1） 纯电最高车速
最大需求功率可表示为：
式中：vEV_V——纯电最高车速；m——满载质量；f——滚动阻力系数；cD——空气阻力系数；A——迎风面积；ηT——总传动效率。
对于48V P2混动车型，假设纯电模式最高车速vEV_V=50km/h，根据式（1）得到电机的需求功率为PEV_V= 15.78kW，根据换挡图，在50km/h时挡位为5挡，得到电机需求扭矩为TEV_V=98.54Nm。
2） 纯电最大爬坡度
纯电稳态车速最大爬坡度为α，根据整车动力学建立电机需求扭矩可表示为：
式中：vEV_C——爬坡时稳定车速；Rtire——轮胎滚动半径；i1——变速器一挡速比。
根据式（2）计算得到纯电模式下稳定车速vEV_C=10km/h，爬坡度α=20°时的电机需求扭矩为TEV_C=120.26Nm，得到的电机需求功率为PEV_C=16.26kW。
3） 纯电加速性能
一般以百公里加速时间作为评价指标，然而对于混动车辆，若整车需求扭矩大于电机最大输出扭矩将启动发动机，故设置工况点检查纯电模式加速性能。设工况点车速为vEV_A，加速度为a，则电机需求扭矩可表示为：
式中：δm——等效整车质量，满足δm=m+；i2——变速器速比。
假设工况点车速vEV_A=20km/h，加速度a=0.2g，对应的油门开度下变速器挡位为2挡，根据式（3）计算得到电机需求扭矩为TEV_A=124.11Nm，电机需求功率为PEV_A=12.05kW。
4） 电机与发动机匹配
通过纯电模式最高车速、最大爬坡度及加速性能要求，得到电机的扭矩、功率要求为：
满足条件1） ～3） 电机需求扭矩TEV=124.11Nm，需求功率PEV=15.78kW。由于P2电机用于启动发动机，发动机的启动力矩至少为15Nm，则确定电机需求扭矩TEV=139.11Nm；纯电行驶过程中，电机需带动油泵、空调压缩机等附件，假设附件功率损失为0.84kW，则电机需求功率为PEV=16.62kW。
结合表2中WLTC低速工况整车需求功率和需求扭矩可知，确定电机的额定功率为20kW、额定扭矩为150Nm时，可满足WLTC低速工况90%工况点功率扭矩需求。同时，由于P2混动取消了发动机怠速，发动机在转速小于怠速转速时不启动，因此希望电机恒扭转速区间覆盖发动机怠速转速，20kW/150Nm电机恒扭转速区间为0～1273r/min，发动机怠速转速800r/min，满足要求。
5） 制动能量回收
图3中需求功率及需求扭矩负值为电机的制动需求功率和需求扭矩，可以发现，电机作为发电机的额定转矩Tgen=-150Nm，额定功率Pgen=-20kW可以满足WLTC工况90%制动工况点需求。
由于48V电机额定扭矩一般限制在100Nm以内，推荐电机偏置布置，若链传动速比i=3，则确定电机参数为：额定功率20kW、额定扭矩50Nm。WLTC工况发动机最高转速为6000r/min，则确定电机最高转速18000r/min。
根据上述各工况计算得到48V-ISG永磁同步电机各项参数，具体参数如表3所示。
表3 电机基本性能参数
2.3 电池参数匹配设计
1） 电池的额定功率
逆变器及电机存在功率损失，为保证电机输出额定功率，电池放电功率需满足：
式中：ηDCAC——逆变器效率；ηM——电机效率。假设ηDCAC=90%、ηM=90%，得到电池的额定功率PBattery=24.69kW。
2） 电池能量及容量
车辆在纯电模式下以车速vcs行驶里程为S，电池电量消耗ΔSOC，根据纯电行驶里程计算电池的能量EB和容量CB，方程式可表示为：
式中：Pcs——车辆以车速vcs等速行驶所需功率；U=48V——电池组电压。假设vcs=50km/h，S=5km，ΔSOC=0.9，计算得到EB=2.74kWh，电池容量CB=57Ah。电池组的具体参数如表4所示。
3 P2混动匹配仿真分析
3.1 整车仿真模型
根据动力学原理建立P2混动整车动力学模型，如图4所示。模型包括机械部分和控制部分。其中机械部分有发动机及电机模型、电池等效电路模型、传动系统模型、整车模型等子系统；控制部分有驾驶员模型、混动能量管理、换挡控制等3个模块。控制部分根据驾驶员模型的油门、制动信号，以及机械部分的反馈等作出决策，输出发动机和电机需求扭矩、离合器C0接合/分离状态请求、变速器需求挡位及机械制动扭矩等控制参数。
表4 电池基本性能参数
图4 P2混动整车动力学模型
混动控制系统的核心是能量管理，完成发动机及电机扭矩分配决策。根据电机介入情况把P2混动驱动工作状态划分为：纯电模式（EV）、行车充电（LMP）、发动机单独驱动（Engine） 及电机助力（eBoost）、制动能量回收（Regenerative Brake）、机械制动等6种工作模式。具体的模式切换如图5所示。根据整车需求扭矩、转速及电池电量建立模式切换判定模型，对于具体的模式，搭建不同的扭矩分配模型。
图5 P2混动模式切换示意图
为了维持电池电量平衡，需要根据电池电量对模式切换行进了修正。行车过程中发动机启动是能量管理策略的难点，当以下3个条件之一满足时，启动发动机：
①电池电量过低；
②整车需求扭矩超过电机峰值扭矩；
③车速及整车需求扭矩超过设定值。
3.2 动力性经济性仿真分析
以表1给定的发动机、变速器及整车参数、表3和表4选定的电机电池参数进行仿真分析，得到的动力性经济性指标如表5所示。
表5 P2混动动力性经济性仿真结果
从表5中仿真分析结果可以发现：在动力性方面，相同配置的燃油车型与48V P2混动车型动力性相差不大，主要原因为变速器限扭250Nm，电机与发动机外特性扭矩之和超过了变速器限扭但仍然只能输出250Nm合扭矩，限制了混动车型动力性能发挥。在40-80km/h超车加速性能指标上，P2混动稍差与燃油车，原因在于：在车速为40km/h时，P2混动处于纯电模式，急踩油门需要启动发动机，启动发动机过程大约为1.2s，在启动发动机过程中，电机输出扭矩小于燃油车中发动机的输出扭矩，造成40-80km/h加速时间指标上P2混动车型大于燃油车，对于其他超车加速度指标，由于P2混动电机与发动机输出合扭矩等于变速器限扭，与燃油车发动机单独输出扭矩大致相等，因此，加速时间大致相同。
在经济性方面，48V P2混动车型WLTC工况油耗为4.89L/100km，比燃油车型6.08L/100km 提高了19.57%，WLTC工况仿真结果如图6所示。P2混动从3个方面进行节油：
①电机实时启动发动机，取消了发动机怠速工况；
②电机制动能量回收；
③发动机工况点调节。
当发动机启动后，若工况点落在发动机燃油经济区间时采用发动机直驱模式；若工况点在发动机燃油经济区之下，进入行车充电模式，发动机工作在最优燃油经济曲线上，多余扭矩用于电机发电储存在电池中；若工况点在发动机燃油经济区之上，进入电机助力模式，发动机工作在最优燃油经济曲线上，不足扭矩通过电机驱动提供。以上3部分节油效果如表6所示。
从表6可以发现，由于WLTC工况停车工况较少，取消怠速节油占比为12.6%；同时减速工况较多，则制动能量回收节油占比80.7%；WLTC工况车速变化较大，需要频繁启停发动机，电机对发动机工况点调节节油效果不明显，也从侧面证明电机电池参数对WLTC工况节油影响有限。后续工作将从驾驶性出发，研究电机电池对P2混动驾驶性能影响。
4 结论
本文针对某搭载1.5TG发动机、7速湿式双离合变速器的48V P2混动A级车型，完成了电机电池参数匹配设计，并搭建了P2混动整车动力学模型及能量管理策略，通过动力性经济性仿真分析，验证了电机电池选型方案，得到了如下结论。
图6 WLTC工况P2混动仿真结果
表6 WLTC工况P2混动节油原理分析 （油耗单位L/100km）
1） 以48V P2混动车型纯电模式下最高车速、最大爬坡度、加速性能及WLTC工况驱动及制动需求功率扭矩统计，制定了电机电池参数选择方案。确定电机额定功率20kW、额定扭矩150Nm，可满足90%WLTC工况功率扭矩需求，受制于48V电机扭矩限制，48V P2电机只能采用偏置布置，若带传动速比为3，电机额定扭矩可降低到50Nm；通过电机额定功率、纯电里程确定电池额定输出功率及电能、电量等。
2） P2混动动力性经济性仿真结果表明，由于变速器限扭，48V P2混动车型动力性与相同配置燃油车型大致相同，但经济性大幅提高，WLTC工况油耗降低19.57%。
3） P2混动WLTC工况节油原理分析表明，P2混动主要通过取消发动机怠速、发动机工况点节油及制动能量回收实现，WLTC工况制动能量回收节油效果明显，取消发动机怠速次之，电机对发动机工况点调节效果较差，从侧面表明WLTC工况油耗对电机电池参数选择不敏感。
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