并聯式混合動力汽車整車控制策略研究*

姜 煒，朱建偉，馮迎霞，李殿凱，王賢海，孔祥創

（上汽集團商用車技術中心，上海 200438）

0 引言

混合動力汽車兼具傳統汽車和純電動汽車的優勢，既無純電動汽車面臨的“里程焦慮”，又相比傳統汽車有著較好的燃油經濟性和排放性能，所以混合動力汽車一直被廣泛關注，市場前景廣闊。目前市場上的混合動力汽車主要有油電混合動力汽車和氣電混合動力汽車兩類，乘用車市場上以油電混合動力汽車居多，商用車市場上則是以氣電混合動力汽車為主。在混合動力系統構型及其相關動力部件參數確定之后，整車控制策略決定著混合動力汽車的經濟性，同時還影響著汽車的行駛平順性。

目前，實車上的整車控制策略大多是基于規則的控制策略，其核心是依據工程開發經驗和零部件的穩態效率曲線等因素制定一系列規則，從而確定發動機和電機之間的動力分配［1－2］。整車控制策略具有可靠及易實現等特點，因而被廣泛應用于實車控制當中。

混合動力汽車具有多種動力工作模式，這就涉及到不同模式之間的相互切換。在模式切換過程中，若控制不當，則很有可能造成傳動系統傳遞的扭矩突變，影響車輛的平順性［3－4］。文獻［5］分發動機啟動、調速和動力接入三個過程進行扭矩協調控制。文獻［6］針對純電動驅動模式切換至發動機驅動模式的過程，利用模糊PID算法進行離合器控制和扭矩協調控制，可有效提高模式切換過程的平順性。

本文以某并聯式混合動力汽車為研究對象，詳細分析其構型特點，在此基礎上，基于車輛經濟性和平順性等考慮，分怠速充電控制、發動機啟動控制、離合器轉速同步控制、動力模式控制和能量回收控制五個方面完成穩態模式控制和瞬態模式控制。最后，針對所提整車控制策略進行實車測試，以驗證其控制效果。

1 動力系統構型

圖1描述了研究對象的混合動力系統構型。

圖1 混合動力系統構型

該混合動力系統由發動機、電機、混合動力變速器、兩檔變速器和離合器等部件構成，其中，混合動力變速器是在傳統5檔變速器的基礎上增加充電檔（Charge檔，簡稱C檔）得到的，兩檔變速器分H檔（High檔，高檔）和L檔（Low檔，低檔）。通過控制發動機、電機、混合動力變速器檔位以及離合器的狀態，可以實現純電驅動模式、怠速充電模式、混合驅動模式等多種動力系統工作模式。

該混合動力系統在結構上兼容P2和P3兩種并聯結構［7］，使得能量流動的控制和能量消耗的優化有了更大的靈活性和可能性。能量流的控制需要各動力系統工作模式之間相互協調，涉及動力系統模式控制，包括穩態模式控制和瞬態模式控制。一個合理有效的整車控制策略既應能保證車輛的動力性及經濟性，又應滿足駕駛平順性要求。

2 整車控制策略設計

依據車輛不同的控制狀態，整車控制策略主要分為怠速充電控制、發動機啟動控制、離合器轉速同步控制、動力模式控制和能量回收控制五個方面。另外，根據駕駛員的選擇，車輛有三種不同的駕駛模式，分別為Eco模式（經濟模式）、Normal模式（正常模式）和Sport模式（運動模式）。

2.1 怠速充電控制

整車控制器上電或被喚醒之后，將進行故障檢測，檢測無故障發生后，車輛進入準備狀態。接著進行相關操作，車輛將進入高壓準備狀態，此時整車高壓上電工作完成。SOC（State of charge，表征電池電量）較低時，發動機啟動并輸出一定數值的扭矩，電機工作在發電狀態，整車進入怠速充電模式。在該模式下，控制混合動力變速器掛入C檔，兩檔變速器掛入空檔，離合器閉合。值得注意的是，怠速充電分為P／N（駐車／空檔）檔怠速充電和D（前進）檔怠速充電兩種情況。出于安全考慮，駕駛員踩下制動踏板達到一定開度后，才能進入D檔怠速充電模式。怠速充電功率可通過電池SOC查表求得，且查表值依據不同駕駛模式進行區別設置；發動機以一定的目標怠速轉速按照設定的充電功率輸出動力，帶動電機發電并存儲到電池中。

2.2 發動機啟動控制

對發動機啟動過程的控制稱為發動機啟動控制，發動機啟動分為兩種情況，一是原地啟動發動機，二是行車啟動發動機。

原地啟動發動機是指車輛在靜止狀態下啟動發動機，進入該模式后，控制混合動力變速器掛入C檔，離合器閉合，并請求電機輸出合適扭矩啟動發動機。電機接到扭矩請求信號后，輸出扭矩快速拖拽發動機至啟動轉速，發動機點火啟動。

在純電行駛過程中，當需求扭矩超過設定限值時，會觸發發動機啟動請求，進入行車啟動發動機模式。進入該模式后，控制混合動力變速器進入合適檔位，兩檔變速器保持原狀態，控制離合器緩慢閉合，利用滑摩扭矩啟動發動機，此啟動方式稱為slip start（滑摩啟動）。為了減少啟動過程中發動機扭矩給傳動鏈帶來的沖擊，需要注意控制發動機噴油時刻。行車啟動發動機過程中，如果車速較高，車輛自身的慣性會拖動發動機啟動，反之，電動機需要進行扭矩補償，通過加速踏板開度補償的方式實現。

2.3 離合器轉速同步控制

車輛行駛過程中，從離合器分離到發動機轉速與變速箱輸入軸轉速同步后離合器鎖死的過程定義為離合器轉速同步控制。離合器轉速同步控制分為兩種情況：①發動機處于啟動狀態，車輛由靜止狀態開始起步，混合動力變速器掛入一檔，兩檔變速器掛入L檔，離合器處于分離狀態，直至車速上升至接近1檔穩定車速時，開始控制離合器滑摩直至轉速同步閉合，完成離合器轉速同步控制；②車輛行進過程中，通過slip start方式啟動發動機后，也會進入離合器轉速同步控制，在這種情況下，混合動力變速器保持在合適檔位，兩檔變速器保持原有檔位，控制發動機扭矩使發動機轉速盡快達到同步點，同時控制離合器閉合扭矩，以免發動機轉速發生突變，最終離合器同步閉合，完成離合器轉速同步控制過程。

2.4 動力模式控制

（1）純電動模式。當電量較高、車速較低或駕駛員需求扭矩較低時，車輛將工作在純電動模式，這樣不僅有利于降低能耗，還可減少排放。在純電行駛過程中，基于電機需求扭矩與駕駛模式獲得兩檔變速器的升檔車速和降檔車速。實際車速到達對應車速時，進行相應的升檔或降檔操作。

（2）Creep模式。駕駛員不需要操作加速踏板和制動踏板，車輛便以較低的穩定車速行駛，此模式稱為Creep模式（蠕行模式）。Creep模式可細分為發動機Creep模式和電機Creep模式兩種，通過PI控制方式進行Creep扭矩計算，即根據制動踏板開度查表得到Creep的目標車速，根據目標車速和實際車速的差值進行查表得到PI控制的P項扭矩系數和I項扭矩系數，計算方法如公式（1）所示：

其中：TC為車輛蠕行時的需求扭矩；TP為比例項扭矩；TI（t）為t時刻積分項扭矩；P為比例項扭矩系數；Δv為目標車速與實際車速的差值；I為積分項扭矩系數；λ為計算步長；TI（t－1）為t－1時刻積分項扭矩。

（3）發動機單獨驅動模式。當車速較高時，發動機配合變速箱驅動車輛，將獲得較好的燃油經濟性。在該模式下，與傳統車輛的控制方式無異。

（4）聯合驅動模式。當車輛處于爬坡或急加速等大功率需求工況時，在電池放電功率允許的范圍內，電機會輸出扭矩，協助發動機驅動車輛。

（5）行車充電模式。發動機輸出的扭矩一部分通過混合動力變速器驅動車輛行駛，另一部分通過兩檔變速器帶動電機發電。此時，發動機輸出扭矩Te為：

其中：Treq為需求扭矩；Tch為折算到發動機端的發電扭矩。

2.5 能量回收控制

根據制動踏板開度的大小，制動控制可分為滑行制動控制和剎車制動控制。

（1）滑行制動控制。從節約能量和保持駕駛感覺的角度出發，本文提出滑行制動控制模式。駕駛員個體的差異會導致對同一滑行制動強度的感受程度不同，因此滑行制動能量回收等級設為高、中、低三個等級，駕駛員可以依據自己的駕駛習慣和駕駛感覺，設置滑行制動能量回收等級。值得注意的是，自適應巡航系統（Adaptive Cruise Control，ACC）開啟的時候，不進行制動能量回收。

（2）剎車制動控制。駕駛員踩下制動踏板時，利用電機對制動能量進行回收，原本部分以熱能方式消耗掉的能量被轉化為電能，待車輛后續使用［8］。研究對象裝備的制動系統可實現再生制動力與機械制動力解耦，這將很大程度地提高能量回收率。另外，車輛裝備了電子穩定系統（Electronic Stability Program，ESP），剎車制動時如果ESP系統介入，那么再生制動目標扭矩根據ESP目標制動扭矩計算得到。否則，根據車速、電池充電能力、制動踏板開度等因素，計算再生制動扭矩。再生扭矩計算流程見圖2。

圖2 再生扭矩計算流程

3 實車測試與結果分析

為了驗證本文所提控制策略的可行性和有效性，進行實車試驗，主要考察怠速充電、Creep模式和離合器轉速同步控制模式等典型工作模式，試驗樣車如圖3所示。

圖3 試驗車輛

3.1 試驗步驟

（1）在MATLAB／Simulink環境中搭建整車控制策略 模型，并 通 過 MATLAB 的 RTW（Real-time Workshop，實時工作間）自動生成應用層代碼。

（2）使用專業工具將應用層代碼與底層代碼集成起來，生成a2l文件和hex文件，a2l文件描述了控制器內部變量存儲地址等信息用于標定和測量，hex文件則是程序編譯后的可執行文件。

（3）使用INCA軟件進行程序刷寫，與INCA配套使用的測試設備如圖4所示，將其與車輛的OBD（On board diagnostics，車載診斷系統）接口連接，即可進行程序刷寫。

（4）在INCA軟件中選擇需要測量的變量，進行相關操作，即可開始監測和存儲。

圖4 測試設備

3.2 試驗結果分析

3.2.1 怠速充電模式

怠速充電模式的試驗結果如圖5所示，混合動力變速器掛入C檔，離合器閉合，電機輸出正扭矩拖動發動機至啟動轉速，發動機點火啟動。隨后車輛進入怠速充電模式，發動機以恒定目標轉速（約1 100r／min）輸出扭矩，電機則以負的恒扭矩（約－30Nm）發電。從測試結果來看，怠速充電模式的控制效果符合預期要求。

圖5 怠速充電模式試驗結果

3.2.2 Creep模式

電機Creep模式的試驗結果如圖6所示。車輛以6.5km／h左右的車速穩定行駛，控制效果良好，符合預期要求。

圖6 電機Creep模式試驗結果

3.2.3 離合器轉速同步控制模式

圖7為離合器轉速同步控制模式的試驗結果。圖7中，離合器狀態取值為1時表示分離狀態；取3時表示滑摩狀態；取4時表示閉合狀態。在離合器閉合期間，車速無明顯波動，發動機轉速變化平緩，控制效果良好，滿足期望要求。

圖7 離合器轉速同步控制模式試驗結果

4 總結

本文詳細分析了某并聯式混合動力系統構型特點，著重考慮車輛行駛平順性，制定了整車控制策略，包括穩態工作模式控制和瞬態工作模式控制，主要分為怠速充電控制、發動機啟動控制、離合器轉速同步控制、動力模式控制和能量回收控制五個方面。最后，針對一些典型工作模式如怠速充電模式、Creep模式和離合器轉速同步控制模式進行了實車測試。測試結果表明，控制效果良好，滿足預期要求。