雙電機混合動力車輛發動機起停機控制方法研究

祝 浩，徐家良 Zhu Hao，Xu Jialiang

雙電機混合動力車輛發動機起停機控制方法研究

祝 浩，徐家良
Zhu Hao，Xu Jialiang

（中國第一汽車集團公司 新能源開發院，吉林 長春 130013）

針對雙電機混聯構型混合動力的結構特點，在城市低速工況下，整車驅動模式僅在純電動模式和串聯模式間切換，為保證模式切換的快速進行，需要開發一套高效的發動機起停機控制方法，以實現發動機快速的起機和停機控制。將發動機起機過程分為發動機拖動和工作點調整兩個階段，將停機過程分為工作點調整和發動機降轉速兩個階段，基于整車的驅動模式請求，可在起停機各個階段之間靈活跳轉，快速實現發動機起機和停機控制，最后進行試驗驗證，結果表明，起停機策略能夠及時完成發動機起停機控制，支持整車驅動模式切換。

雙電機；混合動力；模式切換；起停機控制

0 引 言

進入新世紀以來，國內汽車保有量不斷攀升，導致每年需進口大量石油。電動車被證明是降低機動車石油消耗的一個較好方案，但里程焦慮問題限制了純電動汽車的推廣使用。HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合動力汽車）被證明是純電動汽車普及前一個較好的過渡方案[1-2]，其中雙電機混聯式構型被國內各大主機廠認為是實現HEV的一個較好方案[3-8]。

現有學者多聚焦于起停機條件判斷[9-10]，發動機起動過程中的基本燃燒理論[11]，以及發動機起機后串聯模式下的能量分配管理[12]，但是對于車輛從純電動模式下快速起機進入到串聯模式，以及從串聯模式下迅速停機進入純電動模式，即快速完成模式切換，同樣重要。在分析起停機過程中發動機、發電機工作過程的基礎上，對起機和停機過程進行階段劃分，在各階段中，發動機和發電機分別通過一定的操作協調配合完成起機和停機操作；另外，由于整車模式請求存在不確定性，會存在起機過程中再次停機，以及停機過程中再次起機，所以對這種情況也進行了分析和試驗。

1 雙電機混聯構型特性分析

1.1 雙電機混聯構型結構特征

圖1為雙電機混聯構型結構圖，動力系統主要包括發動機、驅動電機、發電機、動力電池組、機械耦合器。發電機始終與發動機相連，主要用于起動發動機和發電；驅動電機用于驅動行駛和制動能量回收；當離合器分離時，整個系統為串聯構型；當離合器結合后，整個系統為并聯構型。

圖1 雙電機混聯構型結構圖

在圖1雙電機混聯構型中，傳統的變速箱被耦合器所取代，耦合器將驅動電機、發動機/發電機以及離合器連在一起，離合器位于發動機和驅動電機之間。發電機始終與發動機相連，主要用于發電，驅動電機與驅動輪相連，用于驅動行駛，在減速和制動時，驅動電機可以回收能量對動力電池進行充電。

1.2 雙電機混聯構型驅動模式分析

根據雙電機混聯構型的結構特點，整車工作模式分為以下3種。

（1）純電動模式。

圖2 純電動模式系統能量流圖

在純電動模式下，發動機保持停機狀態，發電機保持零扭矩狀態，離合器打開，發動機與驅動輪間無動力連接，動力電池輸出能量供驅動電機驅動車輛前進，或驅動電機回收能量向動力電池充電，能量只在驅動電機和動力電池間轉移，如圖2所示。純電動模式多發生在車輛對驅動功率需求不大并且電池電量足夠的情況下；在串聯工況下，當驅動電機進行制動能量回收時，為保證動力電池有足夠的充電功率吸收驅動電機的回收功率，此時發動機也會停機進入純電動模式。

（2）串聯模式。

在串聯模式下，離合器依然保持打開狀態，發動機燃燒輸出扭矩，發電機輸出負扭矩來平衡發動機扭矩，并將發動機轉速維持在期望轉速上以保證一定的發電功率輸出，此時車輛依然由驅動電機驅動。在串聯模式下，基于動力電池的充放電情況，串聯模式又可分為3種模式：串聯驅動模式、串聯發電機模式和串聯助力模式。在串聯驅動模式下，如圖3所示，發電機輸出的功率正好全部用于驅動電機驅動，動力電池沒有充放電；在串聯發電機模式下，如圖4所示，發電機輸出功率大于驅動電機的消耗功率發電機輸出功率除用于驅動電機驅動以外，還向動力電池充電；在串聯助力模式下，如圖5所示，當驅動電機的驅動功率較大時，比如高車速下急加速，此時發動機輸出功率無法滿足驅動電機的功率消耗，不足部分由動力電池輸出能量，此時發電機和動力電池共同提供能量來驅動車輛。

圖3 串聯驅動模式系統能量流圖

圖4 串聯發電模式系統能量流圖

圖5 串聯助力模式系統能量流圖

（3）并聯模式。

并聯模式下，離合器吸合，發電機工作在零扭矩隨轉模式，發動機輸出扭矩直接傳遞至車輪，發動機轉速和車速呈固定速比關系，類似傳統車上高速擋；在滑行時，驅動電機可回收能量向動力電池充電，輕微加速時，驅動電機可提供一定的助力，同時，當整車驅動功率需求較小時，為保證發動機工作在較經濟的負荷點，發動機可邊驅動車輛邊帶動驅動電機發電，多余的能量儲存于動力電池中，如圖6所示。

2 純電與串聯模式間切換起停機需求分析

雙電機混聯構型節能的原理是：當整車驅動功率較小時或車速較低時，整車工作在串聯模式，發動機轉速與車速解耦，發動機工作點可自由工作在低油耗經濟區，雖然能量轉換效率不如發動機直驅模式，但是通過提高了發動機燃燒效率從而彌補了能量轉換效率的損失，即實現了總能量利用率較高；當車速較高時，整車驅動功率適中，此時選擇工作在并聯模式，發動機輸出扭矩直接用于驅動車輛前進，由于此時車速較高，因此發動機可工作在經濟轉速和負荷點上，此時相當于傳統車的高速擋。

2.1 純電到串聯模式切換起機需求分析

基于整車的驅動模式分析，純電到串聯模式切換的條件是：整車驅動功率與動力電池充電功率之和較大，使得發動機可以工作在低油耗經濟區，或是電池可用放電功率即將不滿足整車驅動功率需求。特別是針對后一個條件，此時需要發動機迅速起機并燃燒輸出功率，以滿足整車的驅動功率需求，保證駕駛性。

因此，從純電模式切換到串聯模式對起機的需求是，發電機需要快速將發動機轉速拖至較高，盡快掠過發動機低轉速共振區，同時發動機在相位同步后快速點火燃燒輸出扭矩，發電機需要從輸出正扭矩拖動發動機迅速轉換為輸出負扭矩發電，同時盡快使發動機轉速爬升至目標轉速點以保證一定的功率輸出。

2.2 串聯到純電模式切換停機需求分析

在串聯模式下，發動機工作在經濟區發電，根據發動機的油耗特性，此時發動機轉速與負荷皆較高。當整車有純電驅動模式請求時，發動機需要從當前工作點迅速降低轉速和負荷直至停機。為了提升停機過程中NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動、聲振粗糙度）特性，需要發動機轉速快速掠過低速共振區，因此停機過程中發電機會輸出一定的負扭矩來快速降低發動機轉速。

對于發動機降負荷的方式，第1種方式是發電機先將發動機維持在當前轉速，同時發動機降扭，待發動機扭矩完全降低后再通過發電機輸出負扭矩來快速降低發動機轉速；第2種方式是發動機降低扭矩的同時，發電機增大負扭矩來壓低發動機轉速直至停機。對于第2種發動機降負荷方式，發動機降扭矩和降轉速同步進行，發動機降扭過程中轉速偏離了經濟區，降扭過程中發動機燃油經濟性相比第1種方式變差；另外，當發動機降負荷和降轉速同步進行時，由于發動機扭矩響應較慢，在降扭初期可以認為是在發動機扭矩不變的情況下降低發動機轉速，因此發電機需要提供更大的負扭矩才能壓低發動機轉速，為此發電機需輸出更大的發電機功率。整車進入純電模式多是在整車驅動功率很小或是處于能量回收階段，即驅動電機沒有功率消耗或是在能量回收，而發電機此時輸出了更大的發電機功率，所以當低溫電池可用充電功率不足時，會導致電池過充，影響電池壽命。

基于上述分析，在停機過程中，發電機先通過轉速控制模式維持當前經濟轉速，發動機同步完成降扭，此時發電機從輸出發電功率轉換為消耗正功率，當發動機扭矩完全降低后，發電機輸出負扭矩來輔助降低發動機轉速。

2.3 純電與串聯模式切換中起停機意圖改變需求分析

在實車環境下，由于整車所處工況的不確定性，整車的驅動模式請求也存在不確定性，因此在發動機起停機過程中，存在因為整車驅動模式請求發生改變導致再次返回到起停機操作之前狀態的可能，即發動機起停機過程中存在起停機意圖改變需求。

當起停機過程中發生起停機意圖改變需求，應立即停止當前的起停機操作并迅速完成新的起停機控制，以滿足整車的功率需求。

3 建模與實車功能驗證

3.1 軟件建模實現

根據上述分析，起停機控制模塊在整個軟件策略中的作用是，整車驅動模式管理模塊根據車輛當前的狀態判斷車輛的目標驅動模式，并向起停機控制模塊發出起停機控制請求，起停機控制模塊接收到起停機請求后，通過控制發動機和發電機完成發動機起停機操作，待起停機完成后整車驅動模式分別進入純電動模式或串聯模式，如圖7所示。

（1）起機過程。

對于起機過程，根據上述的需求分析，將起機過程分為2個階段：發電機拖機階段和發動機工作點調整階段。

在發電機拖機階段，發電機輸出正扭矩來將發動機轉速拖至一定的轉速值，此轉速值應大于發動機的怠速轉速。發電機拖動發動機轉速升高的目的是使發動機盡快完成相位同步，同時盡快掠過低速發動機共振區，因此發電機拖動發動機正扭矩的計算可通過發動機轉速查表獲取，同時為避免拖動發動機消耗功率過大，拖動階段發電機功率消耗應該小于設定限值。

在發電機拖機階段，當發動機上報相位已至同步狀態后，意味著發動機已經可以進行噴油燃燒，HCU（Hybrid vehicle Control Unit，新能源整車控制器）隨后向發動機發送請求扭矩值，此請求扭矩值等于串聯模式下發動機目標扭矩值，在HCU向發動機請求扭矩的同時，HCU將發電機的拖機扭矩置零；發動機在響應HCU請求扭矩后，發動機轉速上升，待發動機轉速超過HCU請求扭矩的轉速一定值后，認為發動機已經點火成功，發電機拖機階段結束，進入到發動機工作點調整階段。

在發動機工作點調整階段，HCU向發動機請求的扭矩依然等于串聯模式下發動機目標扭矩值，發電機進行轉速控制，輸出一定的負扭矩將發動機轉速維持在串聯模式下發動機目標轉速值上。

待發動機轉速和扭矩與串聯模式下發動機目標轉速、扭矩的偏差小于一定的限值后，認為發動機起機過程結束，整車進入到串聯驅動模式。

（2）停機過程。

對于停機過程，根據上述需求分析，將停機過程分為兩個階段，發動機工作點調整階段和發電機輔助停機階段。

在發動機工作點調整階段，HCU向發動機請求的扭矩從當前值逐步降低至零，在發動機降扭的過程中，發電機通過調整自身扭矩將發動機轉速維持在停機過程初始時的轉速，當發動機扭矩降低到零后，發動機工作點調整階段結束，進入到停機第2階段，即發電機輔助停機階段。

在發電機輔助停機階段，其控制需求是快速將發動機轉速降低至零以掠過低速共振區，同時保證此階段發電機輸出發電機功率不超過動力電池允許的充電功率限值，此階段發電機輔助停機負扭矩通過發動機轉速查表得到，從進入此階段開始，HCU向發動機發出斷油請求，以保證發動機不再燃燒。發電機輸出負扭矩逐步增大，待發動機轉速接近零時，為避免反轉，HCU將發電機的輔助停機扭矩設置為零。

待發動機轉速等于零后，認為發動機停機過程結束，整車進入到純電動驅動模式。

對于起機過程和停機過程的發動機工作點調整階段，都是HCU向發動機請求一定的扭矩值，同時HCU通過發電機輸出扭矩對發動機轉速進行控制，因此可以將起機和停機過程中的發動機工作點調整階段合并為一個階段，通過不同的發動機轉速、扭矩目標值來區分。

（3）起停機過程中的起停機意圖改變操作。

當發動機起機過程處于發電機拖機階段時，如果整車驅動模式模塊發出了停機請求，由于此時發動機可能并未燃燒，或是雖然燃燒但是扭矩并不大，因此可直接進入到停機過程發電機輔助停機階段。

當發動機起機過程處于發動機工作點調整階段時，如果此時有停機請求，則將發動機目標扭矩設置為零，將發動機目標轉速設置為當前值，待發動機降扭完成后，進入到發電機輔助停機階段。

當發動機停機過程處于發動機工作點調整階段時，如果此時有起機請求，則將發動機目標扭矩設置為串聯目標扭矩，將發動機目標轉速設置為串聯目標轉速，待發動機實際扭矩轉速在目標值附近后，起機過程結束。

當發動機停機過程處于發電機輔助停機階段時，如果此時有起機請求，則立即進入起機過程發電機拖動階段，待發動機點火燃燒成功后進入到起機過程發動機工作點調整階段，待發動機實際扭矩轉速在目標值附近后，起機過程結束。

起停機過程流程圖如圖8所示。

3.2 實車驗證

在某款雙電機混合動力車上進行起停機算法驗證，試驗車主要動力部件參數見表1。

圖8 起停機控制程序流程圖

表1 試驗車主要部件參數

起停機過程中所用到的整車驅動模式請求和起停機控制階段數值定義見表2。

表2 起停機相關模式參數定義

由于發動機和發電機通過齒輪連接，二者轉速呈固定速比關系，同時發動機轉速在低速下精度較差，為清晰表達起停機過程中的發動機轉速變化，以下各圖中均以發電機轉速來表示發動機轉速。

圖9為一個完整的起機過程中數據采集結果，在純電動運行模式下，當整車驅動模式模塊發出串聯運行模式請求后，發動機起停機模塊先后經歷發電機拖機階段和發動機工作點調整階段，最后整車進入串聯運行模式。在此過程中，發電機先輸出正扭矩拖動發動機，待發動機達到相位同步狀態后，HCU向發動機請求扭矩，在發動機輸出扭矩使得轉速開始上升后，發電機開始輸出負扭矩，最后將發動機轉速穩定在一個設定轉速上。

圖9 完整起機過程

圖10為一個完整的停機過程中數據采集結果，在串聯運行模式下，當整車驅動模式模塊發出純電動運行模式請求后，發動機起停機模塊先后經歷發動機工作點調整階段和發電機輔助停機階段，最后整車進入串聯運行模式。在發動機降扭的同時，發電機為了將發動機轉速維持在當前轉速上，發電機扭矩會逐漸變大，在發動機扭矩降到零后，進入發電機輔助停機階段，在此階段，發電機開始逐步輸出負扭矩，直至將發動機轉速壓低至一定值。

圖10 完整停機過程

圖11為在起機過程第1階段中再次進入停機過程的數據。由于在起機過程發電機拖動階段發動機轉速并不高，發動機扭矩也不大，當此時有停機請求時，直接進入停機過程發電機輔助停機階段，發電機從輸出正扭矩拖動發動機迅速變為輸出負扭矩壓低發動機轉速，發動機轉速從當前轉速迅速降低。

圖11 起機第1階段再次停機過程

圖12為在起機過程第2階段中再次進入停機過程的數據。在起機過程第2階段，發動機扭矩已經較大，發動機轉速已經沖高至一定值，當此時有停機請求時，發動機快速降扭，而發電機從輸出負扭矩迅速變為輸出正扭矩來維持發動機轉速，待發動機扭矩降低至零后，進入到停機過程第2階段，隨后完成整個停機過程。

圖13為在停機過程第1階段中再次進入起機過程的數據。在停機過程第1階段，發動機降扭，發電機將發動機轉速維持在當前值，當再次發出起機請求后，由于發動機已經完成相位同步，此時只需要再次增加扭矩即可，發電機在此過程中依然進行轉速控制。當發動機負荷升至目標值附近后，再次進入到串聯驅動模式。

圖14為在停機過程第2階段中再次進入起機過程的數據。在停機第2階段，發動機扭矩已經完全降低，發動機轉速也已經降低到一定值，當此時再次發出起機請求后，發電機需要先將發動機轉速拖高至一定值，即進入到起機第1階段，隨后進入到起機第2階段，完成整個起機過程。

圖12 起機第2階段再次停機過程

圖13 停機第1階段再次起機過程

圖14 停機第2階段再次起機過程

4 總 結

在分析雙電機混聯構型結構特點的基礎上，根據整車的控制需求，將發動機起機過程分為發電機拖機和發動機工作點調整2個階段，將發動機停機過程分為發動機工作點調整和發電機輔助停機2個階段，并進行了控制模型搭建，最后進行了試驗驗證；結果表明，所提出的起停機控制方法能夠快速地進行發動機起機和停機控制，并且針對起停機過程中起停機意圖改變需求也能給予很好的支持。

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2020-07-02

U464.235

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.011

1002-4581（2020）05-0043-07