基于某款混動四驅汽車動力性提升研究

趙奕凡 莫季才 任強 李瑞珂 何繼爭

關鍵詞：動力性；混動四驅；百公里加速；動力性仿真

0引言

汽車的動力性能是用戶購買汽車時的重要參考指標之一，一輛動力性能優異的汽車，能給用戶帶來更好的體驗，提升用戶購買意愿，增加購買成功率。本文通過對一輛混動四驅樣車從理論仿真到實車測試驗證兩個維度的動力性能分析，研究不同控制策略下該樣車動力性能的真實效果，挖掘硬件的極限性能和提升整車系統匹配度，減少不必要的冗余，為后續四驅項目量產開發提供理論指導，包括硬件匹配及策略設計。

1混動四驅樣車介紹

目前行業內普遍按照電機安裝位置差異，區分混動架構；電機安裝在發動機曲軸皮帶輪端叫做P0，電機安裝在發動機曲軸輸出端叫做P1，電機安裝在變速器輸入端叫做P2，電機安裝在變速器輸出端叫做P3，電機安裝在后橋中間，連接后減速器叫做P4（圖1）。該混動四驅樣車主要采用P1P3P4架構，動力系統架構如圖2所示，包括發動機，發電機（P1），前軸驅動電機（P3），后軸驅動電機（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電機通過耦合器1驅動前軸驅動車輛，P4電機通過耦合器2驅動后軸驅動車輛，P1電機通過齒輪組G1與發動機連接。

2混動四驅動力系統參數

該混動四驅樣車的動力總成匹配，由2.0L混動專用發動機、3個電機，1個單擋DHT、1個液壓離合器和1個12.90kW·h動力電池組成，三個電機包括75.00kW的發電機，與發動機匹配，用于串聯發電，100.00kW的后驅電機，用于后軸驅動和一個130.00kW的前軸驅動電機，用于前軸驅動，前軸為主驅動軸，各零件主要性能參數如表1所示。

為了能更好的分析該混動四驅樣車動力性能的理論極限，并與實車測試結果做對比分析，盡可能發揮出樣車的動力性能，通過MATLAB軟件進行樣車參數建模。

2.1樣車系統架構參數分析

通過對樣車系統架構及樣車硬件參數分析，該樣車可以實現純電前驅、純電后驅、純電四驅、串聯前驅、串聯后驅、串聯四驅、并聯前驅、并聯后驅、并聯四驅、前軸回饋、后軸回饋和前后軸同時回饋12種驅動方式。

（1）當車輛處于純電行駛時，整車功率由動力電池提供，最大可以給P3和P4提供100.00kW功率。

（2）當車輛處于串聯模式時，整車功率由動力電池和發動機同時提供，最大可以給P3和P4提供175.00kW功率，由于發動機發電效率影響和發動機發電速度，最大功率將小于175.00kW，同時最大功率需要從100.00kW開始隨著發動機發電功率增長而增長。

（3）當車輛處于并聯模式時，整車功率由動力電池和發動機同時提供，最大功率可以達到192.00kW，分別是動力電池提供的最大100.00kW和發動機提供的最大92.00kW，由于發動機功率增長受車速影響，發動機功率增長需要經過一定的時間。

2.2建模仿真

仿真模型主要由3個部分組成[1]。

（1）計算油門踏板開度和制動踏板開度的駕駛員模型。

（2）通過Simscape模塊結合Simulink模塊搭建的車輛模型，包括電機模型、電池模型、發動機模型、離合器模型和車身模型等。

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

駕駛員模型：輸入目標車速與實際車速信號，采用PID控制算法實現目標車速與實際車速的跟隨，輸出車輛的加速踏板開度與制動踏板開發。

電機模型：通過一個理想的轉矩源將電機的目標扭矩數字信號轉化為物理信號，然后通過轉速傳感器與轉矩傳感器測得電機的實際轉速與實際轉矩；將傳感測得的轉速、扭矩計算得到電機機械功率，然后通過電機效率Map查表得到電機電功率。最后通過電機電壓（與電池電壓相等），計算得到電機電流，從而完成三個電機模型搭建[2]。

電池模型：通過三個電機的電流得到電池的電流大小，采用如下公式計算得到電池SOC，完成電池模型搭建[3]。

式中：SOC為電池實時荷電狀態；InitSOC為電池初始荷電狀態；Current為電池電流；Battery_AH為電池額定容量。

發動機模型：采用通用發動機模塊，通過控制節氣門開度，得到發動機功率，然后通過轉動傳感器和轉矩傳感器測得發動機實際轉速與轉矩；采用二維查表方式，通過發動機實時轉速和扭矩插值得到當前的燃油消耗率，最后與發動機功率的乘積對時間進行積分，計算得到車輛燃油消耗量，完成發動機模塊搭建[4]。

車身模型：采用Simscape中的車輛模塊和魔術輪胎模塊構成傳動模塊，采用理想轉矩源輸出車輛機械制動扭矩，采用理想轉矩源模擬輸出車輛在轉鼓上行駛過程中的阻力。

離合器模塊：采用Simscape中的離合器模塊，并采用轉速傳感器測得離合器主動盤和從動盤的轉速，通過兩者之間的轉速差實現離合器的接合和斷開。

整車控制模型：采用Simulink搭建控制算法模塊，包括對輸入信號處理，需求解析，電機，發動機負荷計算，前后軸扭矩分配；采用Stateflow模塊搭建整車模式仲裁與功率分配模塊，完成控制算法設計[5]。

2.3性能提升方案設計及仿真結果

優化方案1：對于電池放電功率的使用，為了避免2s放電功率與10s放電功率切換時的不平順感，樣車基礎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題，可以在電池放電功率使用上，優先使用2s放電功率，2s過后再切10s放電功率，理論上是可以對百公里加速有提升。

優化方案2：對于P1電機的使用，為了避免P1電機超速（電機最大轉速12000r/min），樣車基礎軟件對電機轉速上限做了限制保護，電機最大轉速限制在11400r/min，限制后P1電機峰值功率為71.25kW，有3.75kW的功率冗余。在百公里加速測試時，可以將功率完全釋放。

優化方案3：對于發動機發電功率，受發動機轉速扭矩上升斜率影響，達到最大發電功率的時間會有差異?？梢酝ㄟ^提升發動機轉速上升斜率，加快發動機發電功率的輸出?；蛘咄ㄟ^彈射起步的方式，原地先將發動機轉速拉到一定轉速，比如轉速2000r/min（需要注意電池的充電功率及整車的NVH等影響），提前將發動機的發電功率釋放出來，為四驅起步時提供足夠的加速功率。

優化方案4：對于四驅百公里加速時前后軸扭矩的分配，受輪胎的摩擦力，前后軸動態載荷，路面的附著系數等因素的影響。需要動態的調整前后軸扭矩的分配，才能發揮出最大的起步加速度。

通過MTALAB軟件，對該款混動四驅車動力性能仿真，分析得出不同的控制策略下，百公里的加速時間，如表2所示。

3實車測試驗證

根據優化方案，設計了9種實車測試工況。采用INCA設備，通過整車OBD口讀取整車CAN信號和HCU內容信號，按照如下9個測試工況進行百公里加速測試，測試結果如表3所示[6]。

工況1：維持原來控制策略不變，對實車進行百公里加速測試。

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

工況3：改變P1電機最高轉速，由11400r/min，改為12000r/min，其他的控制策略維持原來不變。

工況4：提升發動機轉速上升斜率，由400（r/min）/s，改為1000（r/min）/s，其他的控制策略維持原來不變。

工況5：采用彈射起步控制，其他的控制策略維持原來不變。

工況6：優化前后軸扭矩分配策略，其他的控制策略維持原來不變。

工況7：關閉ESP功能，其他的控制策略維持原來不變。

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

工況9：將所有優化方案統一更改到車上，進行最終優化后的結果測試。

每種優化措施對百公里加速的貢獻量如表4所示。

實車測試結果與仿真結果存在一定差異，因為實際道路測試時，會有很多不可控因素，影響著最終的試驗結果。與原狀態相比，不管是實車測試還是仿真測試，優化后的百公里加速測試結果與原狀態相比，整體呈下降趨勢，說明優化方案的有效性。這對于后續四驅項目動力性能提升提供了一些方案指導，以上結果僅供參考，真正開發過程中還需根據具體項目分析。

4結束語

本文通過對一個具體的混動四驅樣車做針對性的加速性能提升研究，在不改變硬件的配置參數前提下，提出了多種優化方案，并對每種優化方案做了實車測試驗證和理論方案計算。得出了針對該樣車的每種優化方案的貢獻量，可以為后續項目做加速性能提升提供方案參考。