電動四驅(qū)混合動力車的模式切換平穩(wěn)性研究

徐 悅，郭 俊，張 雄，吳為理

Xu Yue，Guo Jun，Zhang Xiong，Wu Weili

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

針對新提出的插電式混合動力汽車的構(gòu)型，文中探討了一種新的模式切換平穩(wěn)性算法。特別是由純電動模式與混動模式之間的切換是近年來研究者重點關(guān)注之一，如何保證平穩(wěn)性過渡也是整車控制的難點之一。文獻(xiàn)[1]提出了“新的電機轉(zhuǎn)矩算法”，確保純電模式過渡到純發(fā)動機模式車輛輸出轉(zhuǎn)矩的相等性，保證切換的平順性；文獻(xiàn)[2]討論了各種模式之間的切換策略；文獻(xiàn)[3]建立了整車控制系統(tǒng)硬件框圖，深入研究兩驅(qū)/四驅(qū)混合電動車的結(jié)構(gòu)與模式切換過程；文獻(xiàn)[4]提出建立發(fā)動機狀態(tài)觀測器，利用ISG消除發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動；文獻(xiàn)[5]—文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果表明在整車控制中，如何協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩分配控制是保證模式切換平穩(wěn)性的關(guān)鍵。

針對新型的插電式混合動力車的模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩波動問題進(jìn)行分析研究，提出由純電動模式切換到混合動力模式的控制算法，利用AVL/Cruise和Matlab聯(lián)合仿真對該算法進(jìn)行研究分析，試驗結(jié)果證明了文中算法的可靠性、有效性和簡單可行性，能確保車輛模式之間切換的平穩(wěn)性。

1 整車體系

首先定義插電式單向離合器電動四驅(qū)混合動力車的結(jié)構(gòu)和動力鏈，分析這種新的整車體系下的模式切換種類和原理。

1.1 整車構(gòu)型

本項目混合動力電動車基于廣汽研究院某款新能源樣車進(jìn)行研發(fā)，動力參數(shù)如表 1所示。表中分別列出了發(fā)動機最大功率和最大轉(zhuǎn)矩，前后軸電機的動力參數(shù)。

表1 動力參數(shù)

整車布置如圖1所示。常規(guī)4缸發(fā)動機通過單向離合器和前軸電機同軸相連，經(jīng)過主離合器與變速箱相連，整個前軸驅(qū)動與前輪耦合，通過前軸輸出動力；后軸電機通過單級齒輪將動力輸出到后車輪上。

電池和充電機位于后排座椅后，電池采用總電壓288 V，45 Ah的磷酸鐵鋰離子電池；充電時間4 h；整車最大總質(zhì)量2145 kg。

整車構(gòu)型與一般混聯(lián)式混合動力電動車相比，就是在發(fā)動機和前軸電機之間增加了一個單向離合器，這就使整車的控制策略較為復(fù)雜，離合器的打開和閉合直接影響整車模式的運行，模式種類增加了，模式切換變得較為復(fù)雜，文中就是基于這種構(gòu)型來開展研究。

1.2 模式切換

增加一個單向離合器之后，其工作模式如表2所示，較之普通的混聯(lián)式車輛多了四驅(qū)純電動模式，而此模式下前后軸電機均參與驅(qū)動，提高了車輛的動力性，并且適合多種工況下的行駛條件。通過控制動力源和離合器元件的工作狀態(tài)，該混合動力系統(tǒng)可實現(xiàn)多種工作模式：1）兩驅(qū)純電動。發(fā)動機和前軸電機不工作，只有后軸電機在電池輸出功率作用下驅(qū)動后輪，單向離合器閉合；2）四驅(qū)純電動。單向離合器打開，前后軸電機均在電池作用下輸出動力；3）混動模式。單向離合器閉合，發(fā)動機和前后軸電機均參與驅(qū)動，其中前軸電機可發(fā)電或者驅(qū)動，該模式適用于加速、高速行駛工況下；4）增程式模式。單向離合器閉合，發(fā)動機輸出到前軸電機發(fā)電，后軸電機驅(qū)動。

表2 新型混合動力系統(tǒng)工作模式

上述 4種模式中模式切換平穩(wěn)性研究的難點是實現(xiàn)模式3和模式2之間的平穩(wěn)切換，這也是本文研究的控制算法的目標(biāo)。

整車控制根據(jù)車速、節(jié)氣門開度等進(jìn)行模式切換，在每個模式切換時都是有條件的，例如純電動要進(jìn)入混動模式，首先要發(fā)動機啟動，這時的轉(zhuǎn)移條件是“有空擋或者混動或者串聯(lián)式請求”。根據(jù)可充電混合動力電動汽車的特點，整車方案中設(shè)置了轉(zhuǎn)換開關(guān)（有“EV”開關(guān)），當(dāng)“EV”開關(guān)被按下時，汽車將采用四驅(qū)純電動模式工作，直到SOC下降到下限時，切換到混動模式；不按下“EV”開關(guān)，且SOC較高時，汽車用兩驅(qū)純電動工作。文中研究的是“EV”開關(guān)被按下時，由四驅(qū)純電動模式切換到混動模式時的控制算法。

2 純電動模式混動模式算法

由純電動切換到混動模式，要啟動發(fā)動機，需要增大電機轉(zhuǎn)矩，其值為

發(fā)動機提供動力后由于滯后性，電機沒有退出工作，而是補償發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足，若發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩為Te，與目標(biāo)值差為

為確保需求轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，用電機補償，電機實際輸出轉(zhuǎn)矩TG，與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

所以電機轉(zhuǎn)矩為：TG=Td_req- Te，式中Te_req和TG_req為發(fā)動機和前軸電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。由混動模式進(jìn)入四驅(qū)電動模式切換中，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩T'e，前后電機輸出轉(zhuǎn)矩 T'G,T'm分別為

需求轉(zhuǎn)矩：T'req=T'e+T'G+T 'm

同時：T'req=Treq+∫kreqdt

因此：km=kreq-ke-kG，其中ke，kG，km和kreq是發(fā)動機、前后軸電機和實際需求轉(zhuǎn)矩變化率。

3 控制過程仿真分析

利用AVL/Cruise軟件建立車輛動力學(xué)模型，利用Matlab/Simulink建立整車控制策略及協(xié)調(diào)控制模型見圖2所示。

仿真結(jié)果如圖3～圖5所示，采用UDC試驗路況，由圖可知，當(dāng)發(fā)動機啟動后，在轉(zhuǎn)矩下降要停機前，ISG適當(dāng)補充轉(zhuǎn)矩以滿足整車需要。而在此過程中ERAD補充的轉(zhuǎn)矩最大，這也是保證整車模式切換中動力連貫性的要求，確保平穩(wěn)過渡，在發(fā)動機啟動過程中ISG和EARD均有助力，ISG確保發(fā)動機啟動，ERAD確保動力不會中斷。

該控制策略不僅可以利用電機響應(yīng)迅速的特點對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補償，而且對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化率進(jìn)行控制，能夠得到更為精確的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，可以取得較好控制效果。當(dāng)汽車由混合驅(qū)動向純電動切換時，由于滯后性，轉(zhuǎn)矩易波動，需要限制其轉(zhuǎn)矩變化率，減少發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，增大電機轉(zhuǎn)矩，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩達(dá)到某一較小值時，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速至停機，單向離合器退出工作，電機驅(qū)動。

由純電進(jìn)入混動，電機提供足夠啟動轉(zhuǎn)矩，在離合器閉合之前適當(dāng)減小電機轉(zhuǎn)矩，確保過渡過程轉(zhuǎn)矩波動不大。

4 結(jié) 論

1）深入研究了兩驅(qū)/四驅(qū)混合動力車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動模式和動力切換過程；

2）基于電動四驅(qū)混合動力汽車提出了有純電動和混動模式互相之間切換的算法，并進(jìn)行混合動力車試驗樣車測試；

3）利用AVL/Cruise和Matlab聯(lián)合仿真平臺建立該種樣車的動力學(xué)模型，進(jìn)行仿真測試，得出本算法的可靠性、有效性和簡單可行性，能確保車輛模式之間切換的平穩(wěn)性。

[1]張軍，周云山，黃偉，等.四驅(qū)混合動力汽車模式切換平順性研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，28（8）：24-27.

[2]王慶年，冀爾聰，王偉華，并聯(lián)混合動力電動汽車模式切換過程的協(xié)調(diào)控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2008，38（1）：1-6.

[3]余群明，周健，黃偉，等.基于CVT的混聯(lián)式電動汽車動力切換平穩(wěn)性研究[J].汽車工程，2007，29（3）：283-286.

[4]Roy I D，Robert D L.Engine torque ripple cancellation with an integrated starter alternator in a hybrid electric vehicle：implementation and control[J].IEEE Transaction on Industry Application，2003，39（6）：2016-2018.

[5]白中浩，曹立波，王耀南.基于CVT的混合動力汽車建模與仿真[J]。計算機仿真，2007，24（6）：235-238.

[6]Giorgio Rizzoni.Estimate of indicated torque from crankshaft speed fluctuations：a model for the dynamic of the IC engine[J].IEEE Transaction on Vehicle Technology，1989，38（3）：168-179.

[7]黃劍峰，重度混合動力轎車模式切換扭矩協(xié)調(diào)控制策略[D]，重慶：重慶大學(xué)，2012，54-57.

[8]劉東陽，重度混合動力汽車驅(qū)動模式切換中的動力源轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制[D]，重慶：重慶大學(xué)，2012，57-61.