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混合动力汽车操作模式分析及设计展望

新能源混合动力汽车,由于其增加了电机动力源,所以可设计出不同的动力系统操作模式,使车辆在降低油耗的同时,进一步提升用户驾驶乐趣,另外这些操作模式可以作为用户购置车辆的魅点宣传。本文主要从混合动力汽车的操作模式进行分析,并对后续的设计展望进行论述。

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1 新能源车型操作模式分类

本文主要列举奥迪和奔驰品牌的新能源混合动力车型进行对比分析,这些新能源动力系统构型都是P2构型。奥迪品牌列举e-tron系列车型,比如A3和Q7的新能源混动车型,操作模式有Hybrid Auto、EV、Hold、Charge,如图1仪表界面所示;奔驰品牌列举C350和S500的混合动力车型,操作模式有Hybrid、EMode、E-Save、Charge,如图2仪表界面所示。经对标分析,这4种模式分别对应的基本功能是一样的,只是命名方式有所不同。比如针对电量保持模式,奥迪命名为Hold模式,奔驰命名为E-Save模式,但这两个模式表现出来的整车驾驶感觉及功能策略基本类似。本文主要基于这4种操作模式进行详细对比分析,包括混动模式、纯电动模式、电量保持模式、电量强充模式。

1.1 奥迪A3 e-tron车型动力参数

奥迪A3 e-tron车型搭载了1.4T发动机,6挡变速箱,75 kW电机,8.8 kWh电池以及对应的控制单元。其6挡变速箱有运动模式和手动换挡功能,在方向盘后面有换挡拨片,同时还可以进行能量回收强度的调节。A3 e-tron整车的动力参数如下表1所示。

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图1 奥迪e-tron操作模式选择界面

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图2 奔驰S500操作模式选择界面

表1 Audi A3 e-tron车型动力参数

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1.2 奥迪Q7 e-tron车型动力参数

奥迪Q7 e-tron车型搭载了2.0T发动机,8挡变速箱,94 kW电机,17.3 kWh电池以及对应的控制单元,Q7 e-tron整车的动力参数如下表2所示。

表2 Audi Q7 e-tron车型动力参数

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1.3 奔驰C350混动车型动力参数

奔驰C350混动版车型搭载了2.0T发动机,7挡变速箱,60 kW电机,6.2 kWh电池以及对应的控制单元,奔驰C350混动版整车的动力参数如下表3所示。

表3 奔驰C350混动版车型动力参数

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1.4 奔驰S500混动车型动力参数

奔驰S500混动版车型搭载了3.0T双涡轮增压发动机,7挡变速箱,85 kW电机,8.7 kWh电池以及对应的控制单元,奔驰S500混动版整车的动力参数如下表4所示。

表4 奔驰S500混动版车型动力参数

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2 新能源车型操作模式分析

在混动模式(Hybrid Auto Mode)下,其设计意图主要是根据能效最优的原则进行驱动车辆行驶,优点是在于能量效率最优化,缺点是面对有些复杂的行驶任务难以适应。在纯电动模式(EV Mode)下,其设计意图主要是让整车动力系统用电驱动,策略上减少用油。在电量保持模式(Hold Mode)下,其设计意图是维持当前电池SOC(State of Charge),为未来纯电或大功率行驶保持电量。在电量强充模式(Charge Mode)下,其设计意图是提高当前电池SOC,为未来纯电或大功率行驶预留足够多的电量。EV、Hold、Charge这三种模式的优点是为用户提供了自主规划电量使用策略的途径,用户可以根据行驶任务自行切换,在降低油耗的同时,能提高驾驶乐趣,缺点是需要用户对操作模式有一些了解,如需要参考用户手册说明等。概括起来,Hybrid Auto模式主要是合理使用发动机和电机两个动力源的能量,EV模式是最大化使用电能,Hold模式是保持SOC电量在一定范围,Charge模式是对电池强充电,提升电量。

2.1 Hybrid Auto模式功能策略分析

在Hybrid Auto模式下,动力系统根据路况及用户驾驶风格自动决定混合动力驱动策略,原则上尽量使用电池进行电驱动行驶,尽量不起动发动机,以降低排放。但是如果用户有急加速或者大扭矩驾驶需求时,也可以控制发动机起动。若用户选择了导航并设置了目的地,系统会参考预测的道路数据制订精确的驱动策略,以充分使用电能而非燃油。Hybrid Auto模式下的功能策略分析如下表5所述。

表5 Hybrid Auto模式功能策略分析

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2.2 EV模式功能策略分析

在EV模式下,当预计电池电量可以满足剩余行驶里程,或者在城市拥堵工况下,若剩余的电量可以完成整个拥堵工况,且拥堵工况结束后就有机会给电池充电,比如回家充电或者充电站充电,则可选择EV模式。当车辆纯电驱动时,若整车出现了相关情况,比如触发强制降挡、驾驶员变速杆挂入S挡、车速超过限值或者电池温度低于限值,则系统会自动退出EV模式。EV模式下的功能策略分析如下表6所述。

表6 EV模式功能策略分析

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2.3 Hold模式功能策略分析

在Hold模式下,如果下一段行驶路程为城市拥堵工况或山地工况,则可根据拥堵时间和里程等因素来估算拥堵过程中需要消耗的电池SOC,得到最低SOC要求,在进入低效率或大功耗工况前等SOC到达目标值后,可选择Hold模式。系统会尽量维持高压电池中的电量不变,使用很少一部分电能。Hold模式下的功能策略分析如下表7所述。

2.4 Charge模式功能策略分析

在Charge模式下,如果下一段行驶路程为城市拥堵工况或山地工况,则可根据拥堵时间和山地里程等因素来估算拥堵过程中需要消耗的电池SOC,得到最低SOC要求,在进入低效率或大功耗工况前若当前SOC低于最低SOC要求,可选择Charge模式给电池充电。系统会尽量为高压电池充电,为下一段距离较长纯电行驶做准备。Charge模式下的功能策略分析如下表8所述。

表7 Hold模式功能策略分析

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表8 Charge模式功能策略分析

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3 操作模式智能控制分析

3.1 基于雷达的能量回收策略

基于雷达的能量回收控制策略可以通过检测本车与前车的距离进行提前预判,以触发能量回收机制。当本车接近前车时,可以通过加速踏板振动提醒用户松开加速踏板,此时车辆将进入滑行模式或能量回收模式。当本车检测到与前车的距离缩短,则可以主动启用能量回收策略,对车辆进行提前减速。通过借助雷达信息,达到不仅控制车辆安全驾驶,也能提前回收一些能量,提高整车的续驶里程。

3.2 基于路径的智能能量管理策略

基于路径的智能能量管理控制策略,可以根据导航以及交通路况等信息,合理规划电量使用情况,以提升整个行驶任务的总体能量利用率。根据雷达、交通信号灯、限速标志、转弯及环路等路况信息,控制系统计算出最佳的车辆滑行时机,并提醒驾驶员松开踏板。在需要的时候进行主动能量回收,有效减少机械制动频繁参与,减少能量浪费。

3.3 基于提前预测的智能控制策略

基于提前预测的智能控制策略,可以利用导航信息来判断车辆什么时候应该对电池充电以及充多少电量,尽量减少燃油消耗。比如,根据导航提供的道路坡度信息,当车辆要经过一个山坡的时候,在上坡时采用电机辅助驱动车辆,减少发动机燃油消耗,在下坡时可充分回收能量。基于导航信息,控制系统保证车辆到达坡顶时电池电量达到一定值,下坡时回收的能量恰好充满电池,从而实现节能减排。

4 能量管理模式设计分析

针对整车的能量管理功能开发设计,本文也提出相应的系统架构方案,根据车辆工况信息,实现电能的充分及高效利用。如图3,利用导航系统用户出行规划和路况预测功能,获取总体路况信息或者临近的几个路段信息,然后进行全局能量规划,并基于操作模式的选择和电池SOC值情况,进行车辆行驶控制。同时,车辆可以反馈当前可用的电能和实际能耗情况,以支持闭环控制开发。

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图3 能量管理模式开发架构图

未来的能量管理策略应充分与车载导航系统相结合,开发基于导航的智能控制策略,根据行驶任务及路况信息,智能规划各路段的电能使用策略,提升能量利用效率。基于导航系统获取当前实时或将来的路况信息,结合工况及行驶特征进行工况预测,根据典型工况里程、能耗特性,后续工况的类型及长度,进行全局能量规划。然后根据当前实际SOC、选择的操作模式以及目标SOC,进行混动控制策略开发,实现能量管理功能。

5 结束语与展望

在汽车电气化、智能化、网联化不断发展的趋势下,如何设计出更为有效的驾驶模式以供用户选择和使用是新能源汽车动力系统功能开发的关键技术点之一。

(1)目前自主开发的新能源车驾驶模式一般有经济模(Eco Mode)、正常驾驶模式(Normal Mode)、运动模式(Sport Mode),建议引入 Hybrid Auto、EV、Hold、Charge等管理模式,以增加产品魅点,并考虑在实车上显示相关的模式状态,而其他的显示则可遵循国家标准。

(2)在车辆功能开发过程中应积极探讨类似的模式方案,比如能量回收模式等级分为强、中、弱,可以由用户选择合适的能量回收等级模式,以增加车辆驾驶乐趣。

(3)随着未来智能网联技术的不断发展,各类操作模式应紧密结合智能网联进行协同开发,在不同的车辆驾驶模式下,开发基于导航路径的智能能量管理策略,智能规划不同能量的使用策略,同时娱乐系统和HMI设计出不同的车辆驾乘氛围。

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