1 前言
由于混合动力轿车可以大幅度地降低燃油消耗、减少汽车排放，因此世界各国都在积极开展混合动力汽车研究。混合动力车特别适合中国大城市交通普遍拥堵，汽车频繁制动的国情，可以取得明显的节能治污效果。根据最新的《汽车产业发展政策》， 2010年前，乘用车平均油耗比2003年降低15%以上；并即将推出燃油税的征收政策，而且2010年前排放法规与国际标准接轨，而目前国内的油价继续攀升，道路拥堵又难以根本改善，这样使市场的混合动力车的需求就会非常迫切[1]。
为贯彻国家能源战略，保障能源安全，建设资源节约型、环境友好型社会，加快提高自主创新能力，摆脱传统汽车发展被动局面，实现汽车产业跨越式发展，开发经济型、环保型的混合动力轿车具有重要的意义。相对于传统混合动力方案，基于超级电容的混合动力方案具有低成本、结构简单、符合中国国情、适合产业化的特点。
2 混合动力设计方案
国外混合动力轿车使用超级电容技术已有先例。超级电容能在短时间内提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高、充放电次数高、循环寿命长、工作温度区域宽；其使用的基础材料价格也很便宜，适合频繁加速和减速的城市交通工况。在国内，超级电容价格相对于电池要便宜的多，适合低成本方案。尽管超级电容比能量比较低，但是可以通过控制策略的研究，合理地进行能量分配，满足混合动力工况需求，并且随着其技术的日益成熟和车载示范运行的不断深入，超级电容将会快速进入汽车市场，使产量上升，价格下降。
采用性价比优良的超级电容储能装置，开发低成本、高可靠性的混合动力系统。经过大量的方案选型和设计，采用并联单轴混合动力方案，集成发动机、ISG电机、超级电容和双离合器等部件。它是将盘式一体化起动机/发电机直接安装在内燃机曲轴输出端, 电机转子和发动机曲轴直接连接，定子固定在发动机机体上。电机取代了飞轮以及原有的起动机和发电机[2]。下图1为混合动力轿车系统方案。
图1 并联混合动力系统结构示意图
混合动力轿车的动力传动系统包括发动机、双离合器、ISG电机和变速箱，混合动力总成部件比传统的发动机总成增加了ISG电机和双离合器部件，因此需要在有限的空间内设计出合理的ISG电机与双离合器的集成结构。图2是混合动力总成系统结构装配图。
图2 混合动力总成系统结构装配图
2.1混合动力轿车系统方案设计特点
(1)采用超级电容作为能量储存方式，可以节省超级电容控制系统和高压接触器件，采用MOSFET，取代IGBT驱动模块，无需高压电安全系统，系统电压采用42V，绿色能源，不会产生污染；同时循环使用寿命长，可达20万次以上，在全寿命周期不需更换，大幅降低了使用成本。此外超级电容的充电速度快，充放电效率高；工作温度区域宽，容量变化小，相对成本低，该方案具有降低成本、提高节能比例的优点。
(2) 采用自主开发的发动机电控管理系统，混合动力核心技术是发动机与电机的扭矩优化匹配技术，而发动机电控单元长期被国外公司所垄断，因此实现发动机电控单元的国产化是混合动力产业化的关键所在。因此自主开发了发动机电控单元，采用基于电子节气门的扭矩管理控制策略，对发动机进行优化标定匹配，排放标准达到了国Ⅲ排放，满足了 EOBD故障诊断要求[3]。
(3) ISG电机与双离合器的集成装配，采用全浮式ISG电机及双离合器集成机构，曲轴端飞轮替换成ISG电机，开发全浮式ISG电机，该电机的主要优点是：由刚度较大的电机壳体承受除扭矩外的各种载荷，而曲轴因仅承受扭矩，弯曲变形比原结构发动机还小、克服了其他形式ISG电机的缺点。
(4) 双驱动空调的结构设计，混合动力车为了节能需取消发动机怠速工况，但在夏季要维持空调系统运转，故通常采用电动空调压缩机，由于经过充放电的多个环节，效率很低。系统开发出了电控双驱动空调，发动机工作时由发动机驱动，发动机停机时再由电机驱动，可解决夏季高温时无法怠速停机的问题，从而降低能耗。
(5)自主开发整车电控管理系统，整车控制器负责整车的能量管理和动力分配，通过优化发动机和电机的动力匹配，实现最佳的燃油经济性、排放和动力性的控制。整车控制器负责采集整车各种档位、油门、刹车信号，通过CAN总线对发动机和电机控制器发出控制指令，实现整车各个工况下的优化控制。
(6)采用CAN通讯，实现多个控制器之间的通讯。混合动力轿车的动力控制系统由多个控制器组成，每个都有各自的控制系统，所有这些控制系统通过总线进行数据通信，从而构成了一个车用分布式控制系统，其中动力总成控制器是其他所有子系统控制器的主控制器，其主要作用是进行混合动力轿车动力总成的能量管理和动力输出切换过程的协调控制。
2.2 混合动力轿车性能目标
混合动力整车动力性，实现加速时间与基础车相当；经济性方面，与基础车相比，能量消耗降低率大于15％（NEDC）；排放性能方面，整车排放达到国Ⅳ标准。
实现混合动力整车的功能：发动机快速起停；整车加速电机助力，发挥电机灵活响应能力，提高整车平顺性及舒适性；行车发电功能，优化发动机工况，使发动机工作在高效率区域；实现较大比例回收制动能量；实现发动机瞬态工况优化，进一步降低污染物的排放[4]。
2.3 混合动力部件参数设计
(1)发动机：采用JL479QA双顶置凸轮四缸电控多点顺序喷射发动机，排量为1.5L，最大功率为69kW(6000r/min)，最大扭矩为128N.m(3400r/min)。同时改装发动机的油门装置，采用电子节气门，可以实现发动机油门的扭矩控制。
(2)电机：采用永磁同步电机，额定电压为42V，工作电压范围为30V～50V，电机额定功率为6kW，峰值功率为10kW。额定转速为2100r/min，最大扭矩为60 N.m。电机工作环境温度范围为-30～＋105 ℃。
(3) 超级电容：
超级电容器应能完成为整车系统提供42V辅助动力电源的功能，提供短时间大功率能量，起到功率平衡作用。具体参数指标：额定电压为42V，工作电压范围为30V～50V，单体容量规格≥3500 F，功率密度≥2000 W/kg，能量密度≥6 Wh/kg，使用温度范围-25～60℃。
(4) 变速箱，采用5挡手动变速器。基本参数：1档速比为3.182，2档速比为1.859，3档速比为1.25，4档速比为0.909，5档速比为0.703，倒档速比为3.083。
3 混合动力系统控制策略
对于并联式混合动力轿车而言，存在着两套动力源，由于本方案采用能量储存方式为超级电容、电机采用小功率电机。因此混合动力系统的动力以内燃机驱动为主，电机辅助驱动。内燃机动力输出特点是动力输出动态响应慢、扭矩输出控制精度差。而电机优点是瞬间动力驱动响应快，扭矩输出控制精度高，能量回收效率高等特点。因此可以利用电机工作特点优化发动机工况，提高整车的经济性和排放性[5]。
(1) 怠速停车及快速起动
当车辆起步时，电机先将发动机拖转到喷油转速(800r/min)后，发动机开始喷油点火工作，由于发动机转速高、惯性力大、需要点火的燃油量小的多，燃烧室内混合气温度也较高，发动机更容易着火，排放也有比较好的改善。这样可以发幅度降低起动工况下的喷油消耗量和燃烧不完全的污染物排放。
当发动机的冷却水温度处于正常工作范围且空档停车、发动机节气门关闭时间超过阀值、发动机转速低于阀值、汽车减速过程中车速低于目标值时，发动机立即停止喷油而不进行怠速，从而消除了怠速工况下的高能耗和高排放。
(2) 减速断油功能
在减速工况运行时，车速降到一定程度，发动机停止喷射燃油，降低污染物排放同时节省燃油消耗，同时电机根据司机刹车踏板信号进行能量回收。当松开制动踏板后，发动机快速恢复喷油。
对于传统发动机减速工况，节气门关闭时，进气歧管绝对压力很低，缸内易发生不完全燃烧，结果使发动机排出未燃烧的混合气，这些混合气在催化转化器中继续燃烧，使排气温度更高并可能会损坏三元催化转换器，而且还会导致HC和CO等排放的增加。因此，此时切断燃油的喷射可以增加发动机的制动能力，提高燃油经济性和排放性能，并能够保护催化转换器。下图是传统发动机断油工况参数变化曲线。下图3是断油工况各个参数变化曲线。
图 3 断油工况各个参数变化曲线
对于混合动力减速断油工况，发动机原有的减速断油工况需要有一些改变。一是希望更大范围地利用减速断油工况，满足燃油的经济性和排放性能的要求。二是降低减速断油推出转速。减速断油工况与怠速工况具有一些相同的进入条件，如都是节气门关闭、进气歧管绝对压力较低。混合动力进入断油工况下，发动机停止喷油，发动机处于倒拖状态，同时电机处于发电工况，当司机进行加速时，根据检测到的加速踏板信号，电机拖转发动机到喷油转速，发动机开始喷油。这样就延长了传统发动机断油的时间，取消了怠速工况，节省了燃油消耗，降低了排放。
(3) 加速助力
由于电机的扭矩输出响应快，瞬间提供的扭矩大，因此适合城市频繁加速工况，通过电机提供的瞬时扭矩，提高发动机瞬态工况的动力性。在发动机加速工况下，电动机连同发动机一起提供扭矩，满足低速扭矩不足及急加速大负荷扭矩需求，同时可以减少加速工况下发动机燃油喷射的过浓补偿，节省了燃油，降低了排放。电机助力的大小根据发动机转速、加速踏板位置以及变化率决定。当轻微加速时，电机只部分助力。当急加速时电机全力助力。当超级电容电压小于30V时，电机不助力。
(4) 常发电功能
在行驶过程中，电机工作在发电状态，这样可以改善发动机工作区间，混合动力通过给超级电容充电，使发动机工作在高效率低能耗区域。
如果整车处于小负荷工况，那么为了提高燃油经济性，因此提高发动机负荷，将节气门开度处于经济油耗区，这样对于的能量进行充电，当电量充满后，在进行电机助力。因此在小负荷工况下，电机处于频繁的充电和放电状态，这样提高发动机工作区域，提高发动机的工作效率。电机的额定功率为6kW，因此将节气门开度到15%之上，这样使发动机的比油耗减小。
(5) 减速制动能量回收
当整车控制器根据司机加速踏板和刹车踏板信号判断整车处于减速制动工况时，电机对超级电容进行充电，实现回收制动能量。
4 发动机动力试验标定匹配
为了实现混合动力的动力性、经济性和排放性，对原发动机进行了优化标定匹配，实现了欧三排放标准，这样为混合动力标定匹配做好基础。
发动机台架优化标定匹配
台架的试验主要是针对稳态工况点对发动机基本工作参数进行优化，找出控制规律，提供基本的喷油、点火等数据。发动机台架主要标定的项目有，设定初始参数的标定，系统进气温度修正预标定，蓄电池电压修正标定，各缸混合气均匀性标定，基本喷油标定，基本点火提前角标定，大负荷加浓标定，空燃比闭环标定，发动机性能优化试验。图4是发动机充气效率基本脉谱；图5是发动机点火提前角基本脉谱；图6是发动机转速、扭矩、功率脉谱。
图4 发动机充气效率基本脉谱
图5 发动机点火提前角基本脉谱
图6 发动机转速、扭矩、功率脉谱
(2) 整车优化标定匹配试验
整车主要标定发动机非稳态工作点，也就是过渡工况，主要包括发动机起动工况、加速工况、减速工况、断油工况等。使整车试验污染物排放数据的优化、瞬态燃油消耗的优化。同时要进行“三高”标定、EOBD故障诊断标定等。下图7是发动机冷起动工况各个参数变化曲线图；图8是欧Ⅲ城市和城郊道路循环工况。表1是整车转鼓排放数据对比。
图7 发动机冷起动工况各个参数变化曲线图
图8 欧Ⅲ城市和城郊道路循环工况
表1 整车转鼓排放数据对比
CO
HC
NOx
欧Ⅲ
2.30
0.20
0.15
欧Ⅳ
1.0
0.10
0.08
实测数据
0.684
0.076
0.054
5 混合动力起动优化标定
起动、暖机、怠速工况的过渡直接关系到发动机的排放，在传统的发动机标定过程中，最大的难点是起动工况的排放问题，原因是起动过程中，由于氧传感器本身需要加热时间、三元催化转换器需要起燃温度，因此导致起动的几十秒内发动机处于开环控制，而起动工况混合气要求很浓，从而导致HC、NOx、CO排放值特别高，而一旦进入氧闭环、三元催化起作用下，排放完全由闭环优化标定解决。而对于混合动力系统，能够实现在电机拖动下过渡到发动机怠速工况，提高发动机起始喷油转速，减小或者避免传统发动机起动过浓喷油以及怠速油量，提高电机在发动机起动工况的助力效果。
在满足混合动力起动模式的条件下，整车控制器根据当前的发动机水温、电容电压，确定发动机的喷油转速(喷油转速影响发动机起动的喷油量，影响到起动瞬间的排放，影响发动机初始油膜的补偿，而同时影响这个转速的是电机能够提供的扭矩或者说是超级电容的实际电压影响了发动机喷油转速，同时冷却水温度对起动阻力矩影响很大，因此喷油转速是冷却水温度和超级电容电压的三维脉谱，而主要标定的是电压和喷油转速的关系曲线。因此需要重新标定混合动力下的起动、暖机、怠速的喷油量、怠速阀开度、温度修正系数、电机的拖动转速、超级电容的电压等参数[6]。图9是试验系统装置结构简图。
图 9 试验系统装置结构简图
电机先将发动机拖转到喷油转速，然后进入扭矩助力模式，扭矩根据发动机水温进行脉谱查找，当转速高于喷油转速+400r/min时，电机卸载，混合动力起动过程成功。下图10是传统发动机与混合动力起动转速对比图。根据下图可以看出，混合动力的起动的优点是：起动时间短，转速响应快，转速没有高的超调，转速过渡平滑，起动性能良好。
图10 传统发动机与混合动力起动转速对比图
混合动力没有传统发动机起动工况过浓喷油现象，而是电机直接将传统发动机拖转到怠速工况进行喷油、点火。因此混合气体偏稀，有利于起动工况排放的降低。同时可以节省起动燃油，提高燃油的经济性。下图11是传统发动机与混合动力起动喷油量对比图。
图11 传统发动机与混合动力起动喷油量对比图
传统发动机起动工况混合气偏浓，进入氧闭环要一段时间，对于混合动力而言，起动混合气偏稀，进入氧闭环工况要快，这样有利于降低起动工况下的污染物的排放。下图12是传统发动机与混合动力起动工况氧传感器信号对比图。
图12起动工况氧传感器信号对比图
因此采用电机的转速和扭矩控制对发动机起动工况进行标定匹配试验，这样的控制策略是合理的。可以使发动机起动过程混合气偏稀，节省大量的喷油量，改善了燃油经济性和排放性。
6结论
环境污染和石油资源匮乏是汽车工业可持续发展面临的两大难题。混合动力汽车采用内燃机和电机作为动力源，已经成为国际公认有效解决方案，各国政府和各大汽车公司、相关零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车产品及其关键技术的开发。
根据大量的方案调研，系统采用了单轴并联的混合动力开发方案；对混合动力汽车动力总成的部件选型进行深入研究，提出了集成发动机、ISG电机、超级电容和电控双离合器、电控双驱动空调等部件的选型方案。
讨论了混合动力系统的各种控制策略，对发动机的优化控制、电机的扭矩分配进行优化控制，提出了基于电子节气门的扭矩管理控制策略。同时介绍了自主研发的发动机电控管理系统、整车管理系统，对发动机管理系统进行大量的标定匹配试验，满足了国家排放标准。最后进行了混合动力系统的起动标定匹配试验，优化了各个控制参数，提高了燃油的经济性、降低了污染物的排放。
参考文献
[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.混合电动车辆基础[M]. 北京：北京理工大学出版社，2002:30-86.
[2]Cho Hyoung Yeon，Gao Wenzhong，Herbert L G. A New Power Control Strategy for Hybrid Fuel Cell Vehicles[C]. Proceedings of IEEE Conference. Alamitors，CA，USA：IEEE, 2004：159—166.
[3]Schmitz G，Oligschlager U，et al. Automated System for Optimized of Engine Management System. SAE940151.
[4]Naeim A Henein，DinuTaraza，Nabil Chalhoub，et al..Exploration of the Contribution of the Start/Stop Transientsin HEV Operationand Emissions，Wayn StateUniversity[C].SAE Paper 2000—01—3086.
[5]Yoon H J，Lee S J. An Optimized Control Strategy for Parallel Hybrid Electric Vehicle[C].2003 SAE World Congress, Detroil，2003.
[6]Bradley Glenn，Gregory Washington，Giorgio Rizzoni. Operation and Control Strategies for Hybrid Electric Automobiles，SAE2000—01—1537，2000.
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