單電機式強混合動力車輛控制策略

戴一凡 羅禹貢 邊明遠 李克強

清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室,北京,100084

0 引言

強混合動力(full hybrid)車輛能夠實現混合動力系統的所有功能,其節油效果在各類混合動力車輛中最佳,尤其適合啟停頻繁的城市工況。隨著市場對低油耗低排放車輛需求的日益強烈[1],以及國家相關鼓勵措施的出臺,強混合動力車輛的市場前景被普遍看好。

目前國內外的強混方案多采用雙驅動電機結構,如豐田公司的Prius車型[2]和雷克薩斯RX400h車型[3],以及國內的一汽奔騰B70HEV車型[4]。雙電機結構有運行平穩的優勢,但其缺點是成本過高。單電機式結構成本低廉,但其存在模式切換沖擊較大、動態過程控制復雜等問題,需要一套有效的控制策略對其動態過程進行協調控制。

本文所研究的強混合動力系統,采用了一種新型的單電機、雙離合器式結構。在副離合器位置用限力矩離合器代替了傳統干式離合器。基于這種結構特點,本文提出了強混合動力系統的分層控制系統方案。采用基于優化ICE曲線的整車能量管理策略,并對行進中啟動發動機過程進行動態協調控制。通過仿真分析了整車燃油經濟性,并通過臺架試驗對動態協調控制進行了驗證。

1 混合動力系統結構

本文所研究的強混方案系統結構如圖1所示。

單電機結構是本方案一大特點,不僅較目前常見的雙電機結構節約了成本,其控制過程也相對簡單可靠。本方案的另一特點是限力矩離合器的使用,可以使驅動電機啟動發動機的過程平緩可控,減小對傳動系統的沖擊。

該方案為前驅結構,動力系統包括1.5L直列四缸發動機、驅動電機。傳動系統包括五擋手動變速器(MT)及主減速器。限力矩離合器斷開時,可由驅動電機單獨驅動車輛。限力矩離合器接合過程中,驅動電機可在驅動車輛的同時啟動發動機。當接合過程完成后,發動機與驅動電機可共同驅動車輛行駛。單向離合器使得電機轉速不會低于發動機轉速,即保證發動機啟動完成后,限力矩離合器兩端沒有轉速差,不會造成限力矩離合器的過度滑摩。

車輛控制系統包括多能源總成控制器(HCU)、發動機控制器(ECU)、電池控制器(BCU)、電機控制器(IPU),它們通過CAN總線進行通信。

該強混結構還保留了傳統車上的12V啟動電機,以保證動力電池電量過低時發動機能正常啟動。

2 分層控制系統

2.1 分層控制系統結構

分層控制系統結構如圖2所示。

外部輸入條件包括駕駛員的操縱意圖和車輛運行狀態反饋。控制層分為三級,其中能量管理策略根據外部輸入條件判斷駕駛員意圖,選擇相應的車輛工作模式并對動力系統進行功率分配。發動機、驅動電機及限力矩離合器的工作狀態由動態協調系統進行控制,保證動力系統響應及時且車輛運行平穩。在滿足部件工作的轉矩、轉速等限制條件時,控制器對各部件輸出控制命令。

本研究的核心在于能量管理策略能否有效地發揮該強混方案的節油優勢及行進中啟動發動機動態過程的控制效果。

2.2 能量管理策略

能量管理系統結構如圖3所示。

2.2.1 駕駛員意圖識別

駕駛員意圖識別包括驅動/制動意圖判斷和需求功率計算。由表1可以確定駕駛員驅動/制動意圖。其中,滑行是指車輛既不提供驅動力又不進行制動的狀態。

表1 駕駛員驅動與制動需求的確定

需求轉矩決定于車速與加速踏板行程。其定義曲面采用的是原有某款同級別車型的實測數據。該數據通過滑行、大加速、最高車速等幾個關鍵點的需求轉矩情況,擬合出整個車輛需求轉矩曲面,主要是通過駕駛員的感受來進行調節的[5]。

2.2.2 模式選擇

模式選擇部分接收輸入的駕駛員意圖與車輛狀態,根據基于“優化ICE曲線”的控制策略劃分的工作區域,決定車輛的工作模式。

圖4所示為發動機Map圖上的工作區域劃分,表2所示為根據轉矩雜件的工作區域劃分。其中,需求轉矩Tr是關于需求轉速n的函數;T1、T2、T3分別為純電動區域上限轉矩、經濟性充電區域上限轉矩、發動機外特性曲線對應轉矩。T1、T2分別由下式確定:

表2 根據轉矩條件的工作區域劃分

純電動區域上限轉矩T1與經濟性充電上限轉矩T2是由仿真結果調整得出的最優值。由于該發動機在外特性線處效率較高,故外特性曲線對應轉矩T3即為發動機驅動區域的上限轉矩。當需求轉矩超出T3后,由電機補充額外的轉矩。

2.2.3 功率分配

驅動狀態下,根據本方案的雙離合器、單電機特點,定義了車輛的若干種工作模式及其相應的功率分配策略,如表3所示。其中 Tm、Te、Ts分別表示電機轉矩、發動機轉矩、發動機啟動所需轉矩,Tch、Te,max表示經濟性充電模式下的發動機工作轉矩及發動機可以提供的最大轉矩。

表3 驅動模式劃分及扭矩分配

制動狀態下,在保留傳統車輛液壓制動系統的基礎上增加了電機能量回饋功能。車輛受到的制動力包括液壓系統產生的摩擦制動力和驅動電機的再生制動力[5]。前輪受到的制動力如下:

圖5顯示了摩擦制動力矩與再生制動力矩的分配關系。制動踏板開度在10%以內時,由于空行程和液壓系統遲滯,沒有摩擦力矩產生,此時電機提供制動力矩。隨著制動踏板開度增大,再生制動力矩以一定斜率增大至最大轉矩Tm,max,摩擦制動力矩也逐漸增大。制動強度很大時停止再生制動,避免干擾 ABS正常工作。

2.3 行進中啟動發動機動態協調控制

車輛處于純電動運行狀態下,由于加速或爬坡等因素,需要接合限力矩離合器以啟動發動機共同驅動。此時電機在提供車輛行駛所需驅動力的同時,還需要配合限力矩離合器的接合過程,提供啟動發動機所需轉矩,使發動機從靜止到設定轉速的過程不超過0.4s[6]。該過程中,電機轉矩與限力矩離合器的接合動作需要動態協調控制,以保證發動機正常啟動且不對車輛的正常行駛造成過大沖擊。

當限力矩離合器的結構確定后,滑動摩擦力矩T只取決于作用于摩擦面上的總壓力N,即取決于限力矩離合器的油壓大小。因此對限力矩離合器目標油壓的控制可以有效地解決啟動過程中對傳動系統的沖擊問題。

目標壓力通過PID控制器進行調節,傳遞函數如下:

式中,KP、KI、KD分別為比例環節參數、積分環節參數、微分環節參數。

依據式(3),可以建立離散化的PID控制器模型:

式中,pt、pr分別為目標壓力、反饋實際壓力(接合壓力),MPa。

(2)校友資源具有聯系密切性的特點。每一個從母校畢業的校友他們分布在各地但是同時又和母校有著密切的聯系，時刻關注母校的發展。他們借助于校友會、二級院系的教師在定期或不定期聯系，他們在母校舉辦聚會、為母校捐贈書籍、在母校招聘人才、在母校設立校友獎學金等等。

KP、KI、KD參數值通過仿真進行調整,以得到較好的控制效果。目標壓力pt通過臺架試驗結果調整,選取合適值。

行進中啟動發動機過程的時序如圖6所示。其中,t1為啟動過程開始時刻;t2為電機加載啟動轉矩時刻;t3為電機卸載啟動轉矩時刻。

啟動過程中對電機的控制包括加載啟動轉矩的大小、加載時刻和卸載時刻。其中加載時刻由限力矩離合器油壓建立過程決定,卸載時刻由發動機轉速決定,啟動轉矩大小通過臺架試驗選取合適值。表4所示為行進中啟動發動機的動態協調控制過程。其中,p0與n0分別為設定的限力矩離合器油壓與發動機啟動轉速門限值。

表4 行進中啟動發動機協調控制過程

3 經濟性能仿真

3.1 仿真系統建立

建立了前向仿真系統,共包括循環工況、駕駛員模型、車輛控制器、動力系統、傳動系統、車輛動力學模型六大模塊。

仿真中整車整備質量為1400kg,發動機排量為1.5L,最大功率 69kW,電機功率為 12kW,電池容量為6.3A˙h。

由于該仿真模型不能對動態過程進行準確模擬,故只用其進行油耗仿真分析。

3.2 仿真結果

在NEDC循環工況下進行仿真分析。對車速跟蹤結果、車輛運行模式、發動機工作點、電機工作點、電池荷電狀態SOC(state of charge)等進行了仿真分析,截取其中430～630s的一段數據如圖7所示。

在起步階段,電機提供車輛驅動所需轉矩,發動機轉矩為零,為純電動模式,此時SOC值降低。隨著車速提高,發動機被啟動,車輛進入經濟性充電模式,電機轉矩為負,處于發電狀態,SOC值升高。勻速階段車輛回到純電動模式。制動階段電機進行制動能量回收。

仿真結果表明車輛能夠正確地識別駕駛員的驅動/制動需求,選擇合適的工作模式,能對發動機和電機的輸出功率進行合理分配。

采用SOC平衡法對NEDC循環工況下的等效百公里油耗進行了仿真分析。SOC平衡法通過改變SOC初始值,進行多次仿真,將SOC變化量與油耗結果進行線性擬合,找出SOC平衡點,得出最終油耗。其中初始SOC為0.6時的仿真結果如圖8所示。

找出SOC平衡點后,最終仿真結果如表5所示。表5中的對比車型搭載的是2.0L發動機,整備質量為1485kg。

表5 油耗仿真結果

由仿真結果可知,該強混方案在NEDC循環工況下等效百公里油耗較對比車型降低了34%。

4 動態過程臺架試驗

4.1 臺架試驗系統

臺架試驗系統如圖9所示。其中兩臺FEV測功機分別模擬左右車輪。ECU、IPU、BCU通過CAN總線與HCU(dSPACE快速原型)進行數據交換。

圖10為試驗臺架實物圖。駕駛員在左側的防護罩內進行駕駛操作,監控人員在右側的防護室內進行監控。

由于該試驗臺架尚不具備模擬循環工況的功能,故只用其驗證行進中啟動發動機動態協調過程,不進行油耗測試。

4.2 行進中啟動發動機試驗結果

在1～4擋條件下,電機轉速為800～2000 r/min范圍內,對車輛行進中啟動發動機的過程進行了測試。結果驗證了在上述條件下,電機均能正常地啟動發動機,且能保持車輛驅動所需力矩,從而也驗證了本文行進中啟動發動機動態協調控制的可行性。

電機轉速在啟動過程中會出現一定的波動,這一波動通過調節限力矩離合器的油壓和電機啟動轉矩的加載與卸載時刻能夠得到較好的控制。圖11所示為2擋、電機轉速為800r/min時的試驗結果。

由試驗結果可看出,限力矩離合器油壓在0.8s之前緩慢上升,0.8s之后迅速升高到目標壓力。在油壓達到門限值 p0后,電機加載啟動力矩。加載后,發動機轉速增大,至啟動轉速n0后,開始噴油、點火,電機卸載啟動轉矩。發動機從靜止到設定轉速的時間短于0.3s。發動機與電機轉速相同后,啟動過程完成,進入混合驅動模式。

電機轉速的變化反應出啟動過程對車輛行駛速度的沖擊。由試驗結果可以看出,啟動過程中電機轉速存在小幅波動,會導致車速出現變化。這種變化將會對車輛的舒適性造成負面影響。試驗過程驗證了這一波動可以通過進一步地匹配調試進行調整,使得發動機啟動過程對車速的沖擊達到最小,保證車輛行駛的舒適性。

5 結束語

本文建立了一種新型單電機、雙離合器式強混合動力車輛的分層控制系統。通過仿真分析,驗證了所制定的能量管理策略能夠發揮此強混方案的節油優勢,使得整車油耗降低達34%。通過臺架試驗,驗證了行進中啟動發動機的動態過程平穩可控,證明了動態協調控制策略的可行性和有效性。

[1]Andreas S,Franz Z,Johannes S.Powertrain Hybridization of a Full Size SUV—a Multifunction Electric 4WD Traction Module[C]//EVS23.Anaheim,California,2008.

[2]Sasaki S,Takaoka T,Matsui H.Toyota'sNewly Developed Electric—Gasoline Engine Hybrid Powertrain System[C]//EVS14.Orlando,Florida,1997.

[3]劉倩.亦動亦凈完美隨行LEXUS雷克薩斯RX400h[J].時代汽車,2007(3):12-13.

[4]趙京.一汽奔騰推出自主產權全混合動力車奔騰B70HEV[EB/OL].[2009-06].http://auto.sina.com.cn/news/2008-04-12/1310364706.shtml.

[5]周磊,羅禹貢,楊殿閣,等.混聯式混合動力車多能源控制系統的開發[J].機械工程學報,2007,43(4):125-131.

[6]李紅朋.基于HEV發動機起動性能的ISG轉矩控制與仿真研究[D].重慶:重慶大學,2005.