基于電機轉速閉環控制的混合動力汽車模式切換動態協調控制策略*

張 娜，趙 峰，羅禹貢,張 紅

(1.中國農業大學工學院，北京 100083; 2.清華大學, 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084；3.濰柴動力股份有限公司,濰坊 261031)

前言

混合動力汽車在行駛過程中經常要在多種工作模式之間進行切換。由于發動機和電機動態特性的差異以及離合器自身特性的影響，在切換過程中可能會引起合成轉矩發生較大波動，從而對傳動部件造成沖擊，導致動力傳遞不平穩，影響整車的動力性和乘坐舒適性[1]。

針對該問題，文獻[2]中提出“發動機轉矩開環+發動機動態轉矩估計+電機轉矩補償”的動態協調控制算法，但在實際工程中，發動機轉矩在線估計的方法不能滿足實時性的要求；文獻[1]中在限制發動機動態轉矩變化率的同時利用電機進行轉矩補償，以滿足駕駛員需求，但采用該方法難以精確獲得發動機轉矩。在此基礎上文獻[3]中進行了改進，利用PID算法控制節氣門開度以實現發動機轉矩的控制，利用模糊控制算法實現離合器的控制，但該方法也需要實時精確獲得發動機轉矩。豐田THS混聯系統利用其特有的行星齒輪結構，通過電機補償保證了模式切換的平順性[4]，但由于行星齒輪結構的復雜性而無法普遍使用。

本文中以某款混合動力汽車為研究對象，針對模式切換問題，提出了一種基于電機轉速閉環控制的混合動力汽車模式切換動態協調控制策略。該控制策略以容易實時準確測量的電機轉速為反饋控制量，解決了原有協調控制方法中發動機轉矩在線實時精確估計的難題，降低了混合動力汽車模式切換過程的沖擊度。最后利用Matlab/Simulink與AMESim搭建了聯合仿真平臺。仿真結果表明，該動態協調控制策略有效改善了混合動力汽車在模式切換過程中的行駛平順性和乘坐舒適性。

1 模式切換動態協調控制策略

本文中所研究的混合動力汽車由發動機、主電機(PM)、副電機(BSG)、機械式自動變速器(AMT)和電池等主要部件組成[5]，如圖1所示。其中，主電機布置在AMT后端，與主減速器、車輪直接相連；副電機連接于發動機的前端。

其驅動模式可以劃分為純電動模式和含有發動機驅動模式兩大類。制定動態協調控制策略之前，首先對兩大模式間的切換過程進行分析。

1.1 模式切換過程分析

所研究的混合動力系統由純電動模式切換至含有發動機驅動模式共包括兩個過程，分別為發動機起動過程和離合器接合過程。發動機起動過程由BSG完成，此時離合器完全分離，不會影響車輛行駛的平順性。但在離合器接合過程中，由于發動機和電機動態響應的差異以及離合器自身特性的影響，可能會引起合成轉矩的較大波動[3]。

含有發動機驅動模式切換至純電動模式時，發動機轉矩減小，離合器分離，電機轉矩上升，同樣由于發動機和電機的動態響應特性相差較大，引起合成轉矩的波動。

1.2 模式切換動態協調控制系統總體結構

圖2為混合動力汽車模式切換動態協調控制系統總體結構，包括駕駛員操作輸入、整車能量管理策略、模式切換動態協調控制策略、部件執行系統和車輛系統。

模式切換動態協調控制策略包括進入控制邏輯、基于斜率限制的發動機轉矩控制方法、基于轉速閉環的電機轉矩控制方法和退出控制邏輯4部分。其中，進入和退出控制邏輯用于判斷是否進行動態協調；基于斜率限制的發動機轉矩控制方法和基于轉速閉環的電機轉矩控制方法通過協調發動機轉矩和電機轉矩，解決模式切換過程中的沖擊問題。

1.3 模式切換動態協調控制策略

所研究的模式切換動態協調控制策略主要針對從純電動模式切換至含有發動機驅動模式和從含有發動機驅動模式切換至純電動模式兩個過程。這兩個過程的動態協調控制思想和方法基本相同，只是進入邏輯和退出邏輯有所不同。

1.3.1 進入控制邏輯

(1) 純電動模式切換至含有發動機驅動模式

當混合動力汽車處于純電動模式，而根據加速踏板和車速計算結果，須切換至發動機驅動模式時，進入模式切換動態協調控制策略。

(2) 含有發動機驅動模式切換至純電動模式

當混合動力汽車處于發動機驅動模式，而根據加速踏板和車速計算結果，須切換至純電動模式時，進入模式切換動態協調控制策略。

以上條件均不滿足時，發動機和電機仍然執行整車能量管理策略制定的期望發動機轉矩和期望電機轉矩。

1.3.2 退出控制邏輯

(1) 純電動模式切換至含有發動機驅動模式

當實際發動機轉矩和能量管理策略制定的期望發動機轉矩之差和離合器兩端轉速差在一定范圍內時，退出模式切換動態協調控制策略。

(2) 含有發動機驅動模式切換至純電動模式

當實際發動機轉矩逐漸減小至某一值，并且離合器處于完全分離狀態時，退出模式切換動態協調控制策略。

1.3.3 基于斜率限制的發動機轉矩控制方法

發動機轉矩控制方法的基本思想為：限制發動機轉矩變化率，使其轉矩平穩變化，避免發動機轉矩發生突變，達到減小沖擊的目的。

(1)

式中：K為比例因子；t為模式切換累計發生時間；T0為發生模式切換時發動機轉矩。

1.3.4 基于轉速閉環的電機轉矩控制方法

混合動力汽車模式切換過程很短，可認為此過程駕駛員的駕駛意圖并未發生改變，也就是說模式切換過程中車輛的加速度并未發生變化。

假設路面附著條件良好，車輪為純滾動，該混合動力系統主電機角加速度α為

(2)

式中：ωpm為主電機角速度，rad/s；v為車速，km/h；rw為車輪半徑，m；ifd為主減速器傳動比。

由此可知，該混合動力系統模式切換過程的車輛加速度不變也就意味著主電機的角加速度不變。

據此，提出了如下的電機轉矩控制方法。

首先以發生模式切換前n個控制周期的主電機平均角加速度為模式切換過程中主電機目標角加速度αd，即

(3)

式中：ωr為發生模式切換時主電機實際角速度；ωr-1為發生模式切換前1個控制周期的主電機實際角速度；ωr-n為發生模式切換時前n個控制周期的主電機實際角速度；Δt為控制周期。

然后維持模式切換過程中主電機角加速度不變，即可求得模式切換過程中的主電機目標角速度。

ωd=ωr+αdt

(4)

式中：ωd為主電機目標角速度；t為模式切換累計發生時間。

(5)

式中nd為主電機目標轉速。

最后以主電機目標轉速和實際轉速的差值作為輸入，以電機轉矩為輸出，采用如圖3所示的PID控制算法，保證模式切換過程中主電機轉速和車速平穩變化，以減小模式切換過程中的沖擊，提高車輛的平順性。

圖中nr為電機反饋的實際轉速。

主電機轉矩PID控制算法的傳遞函數如下：

(6)

式中：KP、KI、KD為比例、積分和微分環節的參數。

2 仿真驗證與分析

針對提出的基于電機轉速閉環控制的混合動力汽車模式切換動態協調控制策略，利用Matlab/Simulink和AMESim搭建了聯合仿真實驗平臺，并對動態協調控制策略進行了仿真驗證。

2.1 聯合仿真實驗平臺

搭建的Simulink和AMESim聯合仿真實驗平臺結構如圖4所示。

在Matlab/Simulink環境下搭建了駕駛員模型[6]、能量管理策略模型、模式切換動態協調控制策略模型和S-Function函數接口；在AMESim環境下完成了整車動力學模型，包括發動機模型、電機模型、變速器模型、整車模型和Interface接口。

AMESim具有豐富的模型庫，用戶可按照實際物理系統構建自定義模塊或仿真模型，無須推導復雜的數學模型；它采用復合接口，簡化了模型的規模；它采用智能求解器自動從多種數字積分方法中選擇最有效的計算方法，而且具有多種仿真運行方式，得到精度和穩定性很高的仿真結果。Simulink能夠借助Matlab強大的數值計算能力，建立系統框圖和仿真環境。因此，所搭建的聯合仿真平臺，可以充分發揮兩套軟件分別在系統建模仿真與數據處理能力方面的優勢[7-8]。

為檢驗聯合仿真實驗平臺的效果，利用NEDC循環工況進行了仿真驗證，結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在整個循環中聯合仿真車速與目標車速變化趨勢一致，最大誤差在8%以內。該聯合仿真實驗平臺可用于混合動力汽車模式切換動態協調控制策略的驗證。

2.2 協調控制策略的仿真驗證

在上述聯合仿真實驗平臺上，針對NEDC循環工況，對所提模式切換動態協調控制策略進行了仿真驗證，結果如圖6所示。

為了更清楚地反映控制效果，對循環中部分模式切換過程進行了局部放大，如圖7～圖9所示。

2.2.1 純電動模式切換至含有發動機驅動模式

從圖7中可以看出，在51.41s混合動力系統從純電動模式切換到發動機驅動加發電模式。在該過程中，無動態協調控制時，車速和主電機轉速都有較大波動，最大值分別達到0.25m/s和50r/min；采用動態協調控制策略后，車速和主電機轉速的波動僅為0.1m/s和20r/min。結果表明，動態協調控制策略有效改善了模式切換過程中的沖擊問題，提高了混合動力汽車的平順性。

由圖8可見，在90.05s混合動力系統從純電動模式切換到發動機驅動加充電模式。無動態協調控制時，主電機轉速波動的最大值達到26r/min；經動態協調控制后，主電機轉速的波動僅為12r/min。由此可以看出，所提出的動態協調控制策略能夠有效減小混合動力汽車模式切換過程中的沖擊。

2.2.2 含有發動機驅動模式切換至純電動模式

由圖9可以看出，在184.32s混合動力系統從發動機驅動加發電模式切換到純電動模式。從仿真結果來看，無動態協調控制時，由于電機的動態響應速度非常快，該模式切換過程對車輛平順性的影響較小，主電機轉速最大波動僅為3r/min。采用動態協調控制后，主電機轉速基本上沒有波動，車輛的平順性得到進一步改善。

3 結論

(1) 提出基于電機轉速閉環控制的混合動力汽車模式切換動態協調控制策略，通過對發動機和電機系統的動態協調控制，減小了混合動力汽車模式切換過程中的沖擊，提高了混合動力汽車的平順性。

(2) 提出的基于電機轉速閉環控制的混合動力汽車模式切換動態協調控制策略以容易實時準確測量的電機轉速作為反饋控制量，解決了原有協調控制方法中發動機轉矩在線實時精確估計的難題。

[1] 冀爾聰.并聯混合動力汽車模式切換中的協調控制問題研究[D].長春:吉林大學,2006.

[2] 童毅,歐陽明高,張俊智.并聯式混合動力汽車控制算法的實時仿真研究[J].機械工程學報,2003,39(10):158-160.

[3] 楊陽,楊文輝,秦大同,等.強混合動力汽車驅動模式切換扭矩協調控制策略[J].重慶大學學報,2011,34(2):74-81.

[4] Michael Douba, Henry Ng, Robert Larsen. Characterization and Comparison of Two Hybrid Electric Vehicles(HEVs)-Honda Insight and Toyota Prius[C]. SAE Paper 2001-01-1335.

[5] Li Keqiang, Chen Tao, Luo Yugong. A New Concept of Intelligent Environmental Friendly Vehicle China, CN200810223099[P].2009-02-04.

[6] 戴一凡.一種新型混合動力結構的控制策略[J].汽車工程,2009,31(10):919-923.

[7] 胡安平.基于AMESim-Simulink聯合仿真的再生制動系統研究[D].長春:吉林大學,2006.

[8] 李瑾.AMESim與Simulink聯合仿真及應用[J].情報指揮控制系統與仿真技術,2004,26(5):62-64.