并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)模式切換控制策略*

吳海嘯 葉進 馬承廣

（1.南京汽車集團有限公司汽車工程研究院；2.南京依維柯汽車有限公司）

雙離合器單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)具備發(fā)動機和ISG 電機2 個動力源，整車控制器通過控制2 個動力源的相互配合來提升汽車的動力性、經(jīng)濟性、排放性及舒適性等性能指標。2 個動力源的相互配合使得混合動力汽車具備了純電動行駛、發(fā)動機驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動及行車發(fā)電等工作模式以及各個模式之間切換的中間過程[1]。文章對該模式切換控制技術進行了分析，并在此基礎上，設計了用于不同工況的模式切換控制策略，對離合器、發(fā)動機及電機進行協(xié)調(diào)控制，最后通過試驗對模式切換控制策略的效果進行了評估。

1 技術方案

本項目所設計的混合動力系統(tǒng)控制策略主要根據(jù)電池的電量SOC 和駕駛員的需求扭矩等參數(shù)對發(fā)動機和ISG 電機的工作狀態(tài)進行選擇，對其驅(qū)動扭矩進行控制。根據(jù)2 個動力源參與工作情況可以把該混合動力系統(tǒng)的工作模式分為：純電動行駛模式、發(fā)動機驅(qū)動模式、聯(lián)合驅(qū)動模式及行車發(fā)電模式。前離合器采用電控電動式結構，后離合器為傳統(tǒng)機械式結構。系統(tǒng)主要技術參數(shù)，如表1所示。系統(tǒng)保留了原發(fā)動機的發(fā)電機和啟動電機，ISG 和啟動電機都可以單獨啟動發(fā)動機，在電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，汽車還可以保證基本的行駛能力，大大提高了可靠性。

表1 單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)技術參數(shù)

開發(fā)的混合動力客車所采用的雙離合器單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結構原理，如圖1所示，包含發(fā)動機、ISG 電機、鋰電池及雙離合器等部件。

各個模式之間的切換控制是混合動力系統(tǒng)的一項關鍵技術。文章主要對從純電動/停車模式到發(fā)動機參與驅(qū)動模式的切換進行研究，該項目是其各個模式切換中最復雜的一種。從純電動/停車模式到發(fā)動機參與驅(qū)動模式的切換過程，根據(jù)啟動發(fā)動機的方式不同，可分為：利用傳統(tǒng)啟動方式的模式切換和利用ISG 啟動方式的模式切換。

2 利用傳統(tǒng)啟動方式的模式切換

當電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，為了保證汽車的正常行駛，需要通過傳統(tǒng)啟動機來啟動發(fā)動機驅(qū)動汽車；當電驅(qū)動系統(tǒng)正常工作時，若在電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)速小于發(fā)動機啟動需求轉(zhuǎn)速的情況下，控制策略需要啟動發(fā)動機，也需要通過傳統(tǒng)啟動機來啟動發(fā)動機。當系統(tǒng)有從純電動/停車模式到發(fā)動機參與驅(qū)動模式的切換需求時，如果滿足利用傳統(tǒng)啟動方式的模式切換的條件時，進入該模式切換控制策略。該模式切換的控制策略分為：啟動發(fā)動機、轉(zhuǎn)速同步及發(fā)動機驅(qū)動3 個階段。

啟動發(fā)動機的控制邏輯，如圖2所示。檢測發(fā)動機故障狀態(tài)，如果正常則給發(fā)動機啟動電機供電，檢測發(fā)動機是否啟動成功，如果不成功則等待后重新進行啟動，如果啟動成功則進入轉(zhuǎn)速同步階段。

轉(zhuǎn)速同步是控制電控離合器使發(fā)動機開始進入驅(qū)動階段。電控離合器的控制需要在保證結合平穩(wěn)和發(fā)動機不熄火等條件下，達到發(fā)動機轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的同步。文章所采用的離合器控制策略應用最優(yōu)控制策略并運用極小值原理對模式切換控制策略進行優(yōu)化，兼顧了汽車縱向沖擊度、離合器滑摩發(fā)熱量2 個控制目標[2]，實現(xiàn)了HEV 傳動系統(tǒng)動力的平順切換，既提高了HEV 乘坐舒適性，又延長了離合器使用壽命。在實現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步后，可完全結合電控離合器，并給予發(fā)動機所需求的目標扭矩，讓發(fā)動機開始驅(qū)動汽車。

3 利用ISGf啟動方式的模式切換

由從純電動模式到發(fā)動機參與驅(qū)動模式切換需求時，在電驅(qū)動系統(tǒng)工作正常、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速高于發(fā)動機的啟動需求轉(zhuǎn)速及ISG 電機的儲備扭矩足夠等條件下，為減少啟動電機的使用頻率，延長其使用壽命，使用ISG 電機，在驅(qū)動汽車行駛的過程中，通過控制電控離合器的結合來平穩(wěn)啟動發(fā)動機。

3.1 驅(qū)動電機扭矩的確定

這種情況下，驅(qū)動汽車的扭矩和啟動發(fā)動機的扭矩都由驅(qū)動電機提供，則驅(qū)動電機的扭矩（Tm/N·m）計算公式為：

式中：Td——汽車需求的驅(qū)動扭矩，N·m；

Te——啟動發(fā)動機所需求的扭矩，N·m；

k——離合器扭矩傳遞系數(shù)。

汽車所需求的驅(qū)動扭矩可以直接由整車能量分配策略獲得，而啟動發(fā)動機所需求的扭矩可通過計算發(fā)動機啟動時所受到的阻力獲得。一般情況下，發(fā)動機在啟動時受到的阻力主要包括：缸內(nèi)氣體的壓縮阻力、活塞環(huán)與缸壁間的摩擦阻力、活塞裙部與缸壁間的摩擦阻力、氣門機構的摩擦阻力、活塞組往復運動的慣性力、旋轉(zhuǎn)部件慣性力以及附屬部件的運行阻力。這些阻力共同作用在曲軸上，產(chǎn)生相應的阻力矩[3]。

對于發(fā)動機的某個缸，其阻力扭矩為：

式中：Tg——缸內(nèi)氣體的壓縮阻力扭矩，N·m；

TFr——活塞環(huán)與缸壁間的摩擦阻力扭矩，N·m；

TFg——活塞裙部與缸壁間的摩擦阻力扭矩，N·m；

Tv——氣門機構的摩擦阻力扭矩，N·m；

Tre——活塞組往復運動的慣性力扭矩，N·m；

Tα——旋轉(zhuǎn)部件慣性力扭矩，N·m；

Ta——附屬部件的運行阻力扭矩，N·m。

發(fā)動機某缸的阻力扭矩也可用以ω 和θ 為變量的函數(shù)表示為：

式中：ω——曲軸角速度，rad/s；

θ——曲軸轉(zhuǎn)角，rad。

則其他3 個缸的阻力扭矩可表示為[4]：

該四缸發(fā)動機啟動時需求的總扭矩為：

3.2 模式切換控制策略

為簡化模式切換控制難度，在模式切換過程中，汽車行駛所需求的驅(qū)動扭矩全部由驅(qū)動電機提供，發(fā)動機的動力僅配合離合器結合過程而不參與驅(qū)動汽車。所設計的模式切換控制策略的Simulink 仿真模型，如圖3所示。

利用ISG 電機啟動發(fā)動機進行模式切換，主要進行兩項工作：1）控制離合器結合啟動發(fā)動機，2）控制驅(qū)動電機扭矩。第1 項工作需要保證發(fā)動機啟動過程的快速和平穩(wěn)；第2 項工作需要保證在啟動發(fā)動機的過程中不影響驅(qū)動汽車，而且2 個控制過程相互耦合。

從整車能量分配策略可獲得驅(qū)動汽車所需要的目標扭矩。從發(fā)動機EMS 可獲得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和相位等參數(shù)，從整車控制策略獲得發(fā)動機啟動速度，根據(jù)文章3.1 節(jié)的計算方法，可以計算出發(fā)動機在啟動過程中各個時刻的目標啟動扭矩，再根據(jù)離合器狀態(tài)計算出啟動發(fā)動機所需要的施加在離合器上的目標扭矩。將汽車的目標驅(qū)動扭矩與施加在離合器上的目標扭矩相加，即可得到驅(qū)動電機的目標扭矩，將目標扭矩發(fā)送給驅(qū)動電機控制器，即可控制驅(qū)動電機的扭矩輸出。離合器控制目標計算方法根據(jù)目標發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機真實轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、離合器位移、驅(qū)動電機目標扭矩及發(fā)動機目標扭矩等綜合確定離合器目標位移和結合速度。離合器結合控制策略采用PID 控制器，通過對離合器的運動方向和PWM 控制量對離合器的位移和結合速度進行控制，以達到控制效果。在發(fā)動機啟動完成后，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速到驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，完成離合器結合，發(fā)動機開始參與驅(qū)動汽車。

4 試驗與分析

4.1 利用傳統(tǒng)啟動方式的模式切換策略試驗

利用傳統(tǒng)啟動方式的模式切換控制過程進行了試驗。在原地急加速起步，由于驅(qū)動電機的輸出扭矩不能滿足汽車的驅(qū)動要求，需要啟動發(fā)動機參與驅(qū)動，而此時驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速較低，不能利用ISG 電機啟動發(fā)動機，需要利用傳統(tǒng)啟動方式進行啟動。試驗結果，如圖4所示。

從圖4 可以看出，初始階段，由驅(qū)動電機單獨驅(qū)動汽車，當駕駛員駕駛需求扭矩增大，驅(qū)動電機開發(fā)提高驅(qū)動扭矩，汽車加速度開始增大。當驅(qū)動電機的扭矩不足以滿足汽車的需求，需要啟動發(fā)動機參與驅(qū)動汽車，此時由于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速低于發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速，故需要由傳統(tǒng)啟動電機啟動發(fā)動機，發(fā)動機啟動完成以后，開始控制離合器結合使發(fā)動機開始參與驅(qū)動汽車。離合器結合后，發(fā)動機與驅(qū)動電機同時驅(qū)動汽車行駛，汽車獲得更大的加速度。從圖4 還可以看出，離合器結合介入驅(qū)動過程約0.8 s，整個模式切換過程約2 s，模式切換控制過程迅速，切換平穩(wěn)。

4.2 利用ISG啟動方式的模式切換策略試驗

對利用ISG 啟動方式的模式切換控制過程進行了試驗，試驗結果，如圖5所示。在原地起步加速，最初是由驅(qū)動電機單獨驅(qū)動汽車，在2 擋時電機加速能力不夠，開始啟動發(fā)動機。通過控制離合器的結合帶動發(fā)動機到800 r/min 左右，發(fā)動機啟動完成開始正常工作，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速跟蹤驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，完全結合離合器，發(fā)動機開始參與驅(qū)動，汽車加速度增大。從圖5 可以看出，在啟動發(fā)動機的過程中，電機轉(zhuǎn)速（車速）有一定頓挫，該控制策略還有待進一步優(yōu)化。從模式切換時間看，該過程共耗時1.6 s，優(yōu)于利用傳統(tǒng)啟動方式的模式切換策略。

5 結論

文章在對并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)從純電動/停車模式到發(fā)動機參與驅(qū)動模式的切換過程進行分析的基礎上，提出了用于不同工況的模式切換控制策略，并在實車上對所設計的2 種控制策略進行了試驗，試驗結果表明：2 種控制方法模式切換控制過程迅速且切換平穩(wěn)，能夠較好地實現(xiàn)系統(tǒng)模式切換的控制要求。

在利用ISG 啟動方式的模式切換過程中，汽車存在一定的頓挫感，后續(xù)還需要對控制策略進行進一步優(yōu)化來提高車輛的平順性和舒適性。