工程师如何解析雅阁SPORT HYBRID iMMD控制系统

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本文编译自本田工程师论文:Development of SPORT HYBRID i-MMD Control System for Accord

相比上一代主要应用于紧凑型车的IMA混动系统,为让更大尺寸的车型也同样满足日益严苛的排放标准,拥有更好的燃油经济性,本田开发了SPORT HYBRID i-MMD系统。这套系统可以根据驾驶工况在纯电、混动、引擎3种驾驶模式中无缝切换。

相比IMA系统,SPORT HYBRID i-MMD系统有如下优势:

1.纯电续航里程更远,行驶更经济

2.引擎经济区间更广

3.制动回收更高效

这套系统结构比IMA更大更复杂,通过PCU来完成引擎和电机之间协同工作,满足驾驶性能的同时,实现燃油经济。

总体结构

图1显示该系统的主体结构。eCVT变速器由一个发电机,一个电动机,以及一个离合器组成,该变速器如此之小,可与全新阿特金森引擎一同整合到引擎室中。

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PCU包含了电压控制单元,可将电池电压升高,还有控制发电机和电动机的电机控制单元,逆变器安装在eCVT正上方。

IPU智能动力单元由锂电池组、直流变换器、电池控制单元组成。IPU总成安装在后排座椅下方。

将在不久后上市的雅阁插电版可以在市区巡航时纯电行驶16公里以上。

动力总成

如图2所示,动力系统包含一台2.0升直列四缸引擎和一套电控CVT。阿特金森引擎配备了i-VTEC智能可变气门正时和升程电子控制系统,EGR冷却废气再循环系统。

相比上一代2.0升引擎,不仅减小了机械摩擦,实现105kW动力输出(2014款),燃油消耗率还降低了10%。电机可输出124kW,通过提升输出电压,并利用磁阻转矩,使得电机最高效率达到96%。

插电混动工况

如图3所示,插电混动模式分为两种:

一种是电量消耗模式(CD)。该模式主要表现为纯电行驶,通过提高引擎介入门槛,能实现20公里纯电续航;

一种是电量保持模式(CS)。当电池组的荷电状态降到一定数值,引擎会介入输出,以使电池组剩余电量保持在一个特定值,换句话说,此时呈混动状态。

驾驶模式

如图4所示,该系统有3种驾驶模式,系统根据驾驶工况选择恰当的驾驶模式,以增强燃油经济性。

1. 纯电模式,该模式下车辆由电动机驱动。

2. 混动模式。该模式下发电机将引擎动力转换为电力,车辆依然由电动机驱动,但此时电动机能量来源除了电池组,还有发电机,此时系统模式是串联式混动。当发电机输出的电力小于电动机所需动力,不足部分由电池组补充;当发电机输出电力超出电动机所需动力,超出部分存入电池组。

3. 引擎模式。该模式下引擎通过离合器与驱动轴以固定齿比啮合,车辆由引擎直接驱动,此时系统模式是并联式混动。电动机的功能是辅助引擎驱动,并回收动能,于电池组获取或者储存电能。(注意:此时所谓电机辅助驱动,主要目的是让引擎转速处于经济区间,并非性能考量,电动机输出扭矩很低)

控制系统

如图5所示,动力总成的控制单元包括引擎、电控CVT、PCU和IPU,通过带冗余设计的控制器局域网络联系在一起。

整套动力控制逻辑的核心,在于让系统经济运行,也就是说,节能是这套系统的首要目标,在经济运行的前提下,尽可能保障动力表现。当电池电量降到最低限度,发电机会介入输出,并将多余电能存入电池组。

引擎介入的模式有混动模式和引擎模式。引擎热效率决定该模式下的燃油经济性。也就是说,节能的关键在于如何让引擎处于经济运行区间。

混动模式下,引擎和车轮之间没有机械传动路径,也即引擎和发电机转速不受车速限制,但此时电动机与车轮是以固定齿比进行机械传动的。引擎工作点可以维持在高热效率的一条“线”上。不止如此,在电池组的辅助下,引擎工作点会集中于热效率最高的区域。

引擎模式下,引擎以固定齿比驱动车轮,在平坦路面上巡航时,引擎转速与扭矩的关系如图6所示。高速巡航工况下,引擎工作点会处于“经济线”的下方,进行低扭输出,于是为了让引擎运行在经济区间,PCU会增大引擎扭矩输出,而增大的这部分动力会通过电动机回收到电池组。

当引擎进入高负荷工况,其工作点处于经济线上方的高扭输出区间时,PCU会降低引擎扭矩,以使得引擎在经济线上工作,不足部分由电动机补充。

通过电动机的输出和回收,将引擎工作点集中在经济区间。

为了提高车辆的燃油经济性,有必要提高引擎热效率,同时通过提升引擎到车轮的能量转换效率,来提升系统总体运行效率。i-MMD就是通过切换不同驾驶模式来实现此目标。

图7展示了车辆在电量保持模式下依据车速切换驾驶模式的方式:

图8是驱动力图表,展示了驾驶模式的工作区间:

纯电模式主要应用于车辆起步和市区低速行驶工况,以免因引擎低负荷运行而造成燃油经济性下降。

中速行驶时,为了平衡引擎热效率和电池充放电损耗,车辆在纯电模式和混动模式/引擎模式之间频繁切换,以提升燃油经济性。

高速工况下,在混动模式和引擎模式之间适时切换,以实现最高的能量转换效率。

纯电与混动/引擎模式之间的频繁切换,也称作间歇运行。此时电池组在混动/引擎模式下进行充电,然后切回纯电模式,输出储存的电量。纯电和混动模式切换产生的燃油经济增强效应如图9所示。在低驱动力工况下,相比电动机零回收的情况,间歇运行模式能够获得50%左右的燃油经济增强效应,在引擎热效率和电池充放电损耗之间达到充分平衡。而间歇运行模式的燃油经济增强效应在高驱动力工况下会降低,系统燃油经济性趋于下降。

混动和引擎模式的切换,其燃油经济性如图10所示:着色区域代表引擎驱动更经济,白色区域代表混动模式更经济,黑线代表车辆在平路上所受的行驶阻力。

此图说明,巡航时缓慢提速,引擎模式比混动模式经济12%,但在高负荷工况下,混动模式更经济。

在限制下保障驾驶性能

为了保证系统可靠性,系统各组件都有所限制,包括电动机扭矩,发电机扭矩,和电池功率。为保证电池耐用性,尤其要对电池功率做精确控制,这对混动模式下的驾驶性能表现影响极大。以电池功率极限为例,各组件全工况下协同运行的控制逻辑如下:

动力管理控制系统接收司机加速和减速意图(油门和刹车踏板深度),以及各组件功率和扭矩极限的信息,在极限范围内执行适当的合作功率控制。在电池功率受限时,比如低温环境中,加速和减速意图无法单独通过电池功率实现,PCU就会选择混动模式,精确调整电动机、发电机和引擎之间的输出,既满足电池功率限制,又能满足驾驶性能。

PCU首先依据车主加减速意图和电动机扭矩极限来计算所需驱动力,然后计算目标引擎功率。目标引擎功率要与依据驱动力计算的目标电机功率和IPU计算的目标电池功率相匹配。目标引擎功率根据需要,由电池功率调节器进行校正。在这之后,依据校正的目标引擎功率算出目标引擎转速和目标引擎扭矩,以使得引擎效率最大化。最后,综合考虑电池功率极限等各种限制因素,校正引擎功率,发电机功率和电动机功率。

这套控制系统平衡了司机加减速意图,电池荷电状态收敛性,电池功率极限性能,及其它组件的限制。

此外,目标电动机和发电机功率被迅速而精准地校正,即便电池功率极大受限,依然能够满足动力需求。比如在极低温环境下,或者急加速和急减速导致的功率剧烈波动。

在极低温环境下,为了保证电池的耐用性,电池功率被严格限制在几千瓦内,此时需要发电机输出额外的100kW,以维持充足驾驶性能。

此外,在雪地等低附着力路面急加速、急减速时,发生轮胎空转或锁止,由此产生的电动机转速波动会导致电动机功率发生迅速变化。PCU会在此时迅速反应,将动力输出限制在极限内(也就是说,此“极限”远未达到电机和电池真正的功率极限,只是出于耐用性考虑,依据工况降低了输出极限)。

预测电池功率

功率校正法,实现了精确而快速地电池功率控制。

快速响应的电池功率控制需要低时滞的电池信息,才能及时估算电池功率。电池功率可被电压传感器和电流传感器测量,不过,由于电池电容特性,PCU内置电容、电抗器特性,各控制单元间通信延迟等因素,导致传感器延迟。也就是说,在电机功率波动和电池功率波动之间存在时滞特性。因此电池功率由电机功率等信息损失来间接估算。

计算公式:

电池功率=电动机输入功率+发电机输入功率+电机逆变器损耗+直流变换器损耗+空调和加热器损耗+升压后功率损耗

电机的输入功率可通过相电流传感器和升压传感器测量,逆变器损耗和升压损耗可由规定参数确定的标称值来估算,直流变换器损耗和空调加热器损耗可通过CAN连接的各控制单元获取。

实车燃油经济性表现

EPA实测,市区油耗降低104%,高速油耗降低35%,综合油耗降低70%,混合动力系统的控制为燃油经济增强效应贡献了39%,此外,可实现20公里纯电续航,电量消耗模式下可实现百公里2.04升等同油耗。

编译|休不眠

图|网络

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