雙電機(jī)混合動(dòng)力車(chē)輛串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式切換控制方法

祝 浩,張?zhí)鞆?qiáng),劉元治,徐家良

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司 新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130013，中國(guó)）

目前純電動(dòng)汽車(chē)在電池續(xù)航里程、安全性和成本3方面并未取得對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)的全面優(yōu)勢(shì)，混合動(dòng)力汽車(chē)(hybrid electric vehicle, HEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)被證明是一個(gè)較好的過(guò)渡方案[1-2]。歐美廠商在發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器硬件和控制技術(shù)完全掌握的基礎(chǔ)上，傾向于采用單電機(jī)P2構(gòu)型的PHEV系統(tǒng)；日系品牌則多采用雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型，代表性的是豐田THS和本田i-MMD系統(tǒng)，二者也方便進(jìn)行HEV/PHEV的切換[2-4]。國(guó)內(nèi)自主品牌如上汽榮威、廣汽傳祺、一汽紅旗等基于自身情況，對(duì)雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型開(kāi)始有一些研究。

但是目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)多集中于研究串聯(lián)構(gòu)型下發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力電池能量分配問(wèn)題，即發(fā)動(dòng)機(jī)是工作在恒溫器模式還是功率跟隨模式。文獻(xiàn)[5]對(duì)串聯(lián)構(gòu)型混合動(dòng)力在公交工況下的系統(tǒng)效率、制動(dòng)能量回饋、怠速停機(jī)、輔助系統(tǒng)電動(dòng)化等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析和對(duì)比，證明了中低速行車(chē)工況下使用串聯(lián)構(gòu)型具備節(jié)油和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和等效燃油消耗最小優(yōu)化算法兩種優(yōu)化策略進(jìn)行了串聯(lián)模式下的能量分配的優(yōu)化，并通過(guò)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了整車(chē)的能量管理控制。文獻(xiàn)[7]針對(duì)某串聯(lián)混動(dòng)車(chē)輛，提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的在線優(yōu)化能量管理策略，并通過(guò)基于李雅普諾夫方法的實(shí)時(shí)尋優(yōu)方法實(shí)現(xiàn)了該能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性改善。

對(duì)于雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型的研究，上汽冷宏祥、葛海龍等人針對(duì)搭載上汽EUD系統(tǒng)的榮威550混動(dòng)轎車(chē)，從動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性角度，通過(guò)原理和仿真論證了該系統(tǒng)的節(jié)油優(yōu)勢(shì)[8]。張雄、張安偉等人針對(duì)廣汽G-MC系統(tǒng)，提出在串聯(lián)和并聯(lián)模式下效率最優(yōu)的控制策略，以提升該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[9]。Naritomo Higuchi、Yoshihiro Sunaga等人針對(duì)本田i-MMD系統(tǒng)，分別從提升發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)效率角度、串并聯(lián)模式下提升系統(tǒng)效率角度、整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式切換等角度，提出了兼顧整車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和部件耐久性能的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法[10-11]；

本文針對(duì)一汽某雙電機(jī)混聯(lián)系統(tǒng)，在分析構(gòu)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)模式下動(dòng)力系統(tǒng)輸出模式分析，以保證切換過(guò)程中的動(dòng)力連續(xù)性和降低切換沖擊度為目標(biāo)，提出了通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)3部件協(xié)調(diào)控制的串并聯(lián)切換策略，并通過(guò)仿真模型和實(shí)車(chē)試驗(yàn)，對(duì)該控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型分析

1.1 雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型結(jié)構(gòu)特征

圖1為雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型結(jié)構(gòu)圖,其中: HCU(hybrid control unit)為新能源整車(chē)控制系統(tǒng)，ABS(anti-lock brake system)為防抱死剎車(chē)控制系統(tǒng)，EMS(engine management system)為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，BMS(battery management system)為高壓電池控制系統(tǒng)，MCU(motor control unit)為電機(jī)控制系統(tǒng)，DCDC(direct current to direct current)為直流電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng); CAN (controller area network)為控制器局域網(wǎng)。

動(dòng)力系統(tǒng)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池組、離合器。發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪始終連接，主要用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電；驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)行駛和制動(dòng)能量回收；當(dāng)離合器分離時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)為串聯(lián)構(gòu)型；當(dāng)離合器結(jié)合后，整個(gè)系統(tǒng)為并聯(lián)構(gòu)型。

雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型節(jié)能的原理是，當(dāng)整車(chē)處于中低車(chē)速時(shí)，整車(chē)工作在串聯(lián)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車(chē)速解耦，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)發(fā)電，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升來(lái)彌補(bǔ)電能轉(zhuǎn)換效率的損失，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率。當(dāng)車(chē)速較高且整車(chē)驅(qū)動(dòng)功率適中時(shí)，整車(chē)工作在并聯(lián)模式，離合器結(jié)合，相當(dāng)于傳統(tǒng)車(chē)的高速擋，通過(guò)合理設(shè)置速比依然可獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。更多的描述，見(jiàn)文獻(xiàn)[10-11]。

圖1 雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型驅(qū)動(dòng)模式分析

由于各個(gè)部件之間的速比不同，為保證各個(gè)部件的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能夠直接比較和運(yùn)算，需要將各個(gè)部件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩根據(jù)速比關(guān)系折算至一個(gè)固定部件，即實(shí)現(xiàn)參照點(diǎn)的一致性，本文中將參照點(diǎn)選擇為發(fā)動(dòng)機(jī)，以下所有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速均指以發(fā)動(dòng)機(jī)為參照點(diǎn)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)上述雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整車(chē)可工作在如下驅(qū)動(dòng)模式中。

1.2.1 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式

在純電動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，發(fā)電機(jī)保持0轉(zhuǎn)矩，離合器打開(kāi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)能量回收，能量只在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池間轉(zhuǎn)移。

1.2.2 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式

在串聯(lián)模式下，離合器打開(kāi)，車(chē)輛依然由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作輸出轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩來(lái)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在期望轉(zhuǎn)速上以保證一定的發(fā)電功率輸出，通過(guò)電池的充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的“削峰填谷”，以維持發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)。如圖2所示。

圖2 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式系統(tǒng)能量流

串聯(lián)模式下各部件控制目標(biāo)為：

其中：TEng_Tgt為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，nEng_Tgt為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，TDrv為駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，TTm_Tgt為驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，TEng_Se和nEng_Se分別為整車(chē)能量管理模塊計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)發(fā)電功率點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值，關(guān)于串聯(lián)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電工作點(diǎn)的選擇見(jiàn)文獻(xiàn) [5-7]；JEng、JGm、JGear分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及二者之間齒輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TEng_Act為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，發(fā)電機(jī)請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩TGm_Tgt= -TEng_Act；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整過(guò)程中，TGm_Tgt= -TEng_Act+ （調(diào)速PI轉(zhuǎn)矩TCL），具體計(jì)算方法見(jiàn)章節(jié)2.3。

1.2.3 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式

并聯(lián)模式下，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速速比固定，發(fā)電機(jī)工作在0轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同完成整車(chē)的驅(qū)動(dòng)；如圖3所示。

并聯(lián)模式下，存在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)+發(fā)電、并聯(lián)助力、并聯(lián)斷油+回收3種不同的子模式，各個(gè)子模式下發(fā)駕駛員需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩三者分配關(guān)系不同，因此目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也根據(jù)并聯(lián)子工況的不同分別考慮。

并聯(lián)模式下各部件控制目標(biāo)為：

圖3 并聯(lián)模式下系統(tǒng)能量流

其中：TEng_PaMax為并聯(lián)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩上限值，TTm_PaSoc為基于當(dāng)前充電狀態(tài)（state of charge， SOC）計(jì)算的并聯(lián)模式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電負(fù)轉(zhuǎn)矩值，為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的摩擦轉(zhuǎn)矩值，TEng_Act為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩，nTm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

2 串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式切換過(guò)程分析

2.1 串聯(lián)到并聯(lián)模式切換過(guò)程分析

串聯(lián)到并聯(lián)切換的本質(zhì)，功率層面，是要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)到車(chē)輪端從電傳動(dòng)到機(jī)械傳動(dòng)的轉(zhuǎn)換；扭矩層面，是要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)保證切換過(guò)程中整車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的一致，避免切換沖擊。

因此將串聯(lián)到并聯(lián)切換過(guò)程分為如下3個(gè)階段。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較電機(jī)慢，為在接下來(lái)的動(dòng)力源切換及并聯(lián)階段盡可能的不調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩而用驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)調(diào)整整車(chē)轉(zhuǎn)矩，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段就需要將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)整至并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，為降低離合器吸合時(shí)的因離合器轉(zhuǎn)速差帶來(lái)的沖擊，需要通過(guò)發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)漠?dāng)前串聯(lián)發(fā)電轉(zhuǎn)速調(diào)整至驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

在此階段，離合器未結(jié)合，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)從串聯(lián)工作點(diǎn)調(diào)整至并聯(lián)工作點(diǎn)，但是整車(chē)依然處于串聯(lián)模式，依然由驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成整車(chē)驅(qū)動(dòng)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)為：

若發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速與目標(biāo)值偏差小于門(mén)限，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整結(jié)束，進(jìn)入到離合器吸合階段；此偏差門(mén)限根據(jù)試驗(yàn)取得，主要考慮離合器吸合階段的整車(chē)沖擊度以及動(dòng)力源交替階段的動(dòng)力連續(xù)性。

2.1.2 離合器吸合階段

在離合器吸合階段，在向離合器發(fā)送吸合請(qǐng)求并且離合器在執(zhí)行吸合過(guò)程中時(shí)，發(fā)電機(jī)依然要將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持至與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致的狀態(tài)下，以保證離合器結(jié)合過(guò)程中無(wú)沖擊。整車(chē)依然由驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)，因此離合器吸合階段各部件的控制目標(biāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段一致，即式(3)。

在離合器吸合過(guò)程中，如果離合器兩端的轉(zhuǎn)速差不能控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，則會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛出現(xiàn)頓挫或前沖感，為此采用沖擊度對(duì)離合器吸合過(guò)程控制平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其沖擊度為

其中：ωV為離合器輸出軸角速度，rW為車(chē)輪半徑，i0為離合器到主減速器傳動(dòng)比，ig為主減速器傳動(dòng)比。

雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段發(fā)電機(jī)已經(jīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差控制的比較小，但為了進(jìn)一步降低離合器吸合的沖擊度，離合器控制油壓也采用逐步加載的方式，油壓加載速度需要結(jié)合整車(chē)表現(xiàn)標(biāo)定得到。

相較發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段，離合器吸合階段只是多了離合器控制，將離合器吸合階段單獨(dú)分列出來(lái)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段只關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，有利于模塊功能復(fù)用。

2.1.3 動(dòng)力源切換階段

在動(dòng)力源切換階段實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率從電傳動(dòng)到機(jī)械傳動(dòng)的切換。發(fā)電機(jī)逐步減小發(fā)電轉(zhuǎn)矩，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩向離合器釋放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步減少與發(fā)電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩同步調(diào)整量大小相等，因此可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三者對(duì)外輸出總轉(zhuǎn)矩不變，保證驅(qū)動(dòng)力的連續(xù)性。

此階段各部件的控制目標(biāo)如下：

其中：ΔTStp為發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩同步調(diào)整步長(zhǎng),此步長(zhǎng)值的設(shè)定需要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和精度，以及整車(chē)對(duì)動(dòng)力源切換階段的耗時(shí)要求，本文設(shè)置為50 Nm/s；分別為為發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩上一個(gè)計(jì)算周期輸出值。

當(dāng)切換過(guò)程第一階段結(jié)束，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)等于并聯(lián)階段轉(zhuǎn)矩，即此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)二者各自都能滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，所以在動(dòng)力源切換階段，不用考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)差異對(duì)整車(chē)動(dòng)力性的影響；同時(shí)，由于切換過(guò)程中不存在動(dòng)力中斷，對(duì)切換總時(shí)長(zhǎng)要求不高，電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間對(duì)切換過(guò)程的影響可以忽略。

待發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)降低至0轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩已降低至并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩后，此階段結(jié)束，整車(chē)進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式；

2.2 并聯(lián)到串聯(lián)模式切換過(guò)程分析

根據(jù)前面的分析，并聯(lián)到串聯(lián)切換是串聯(lián)到并聯(lián)切換的逆過(guò)程，因此將并聯(lián)到串聯(lián)的切換過(guò)程分為如下3個(gè)階段。

2.2.1 動(dòng)力源切換階段

由于在離合器斷開(kāi)后就實(shí)現(xiàn)了電傳動(dòng)，因此在斷開(kāi)離合器前，就要實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)向電傳動(dòng)的切換，通過(guò)發(fā)電機(jī)增大發(fā)電負(fù)轉(zhuǎn)矩來(lái)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)將發(fā)電機(jī)吸收的轉(zhuǎn)矩以同等幅度轉(zhuǎn)移至驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，由此在總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變的情況下實(shí)現(xiàn)了從發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。此后發(fā)動(dòng)機(jī)全部功率被發(fā)電機(jī)吸收，離合器兩端沒(méi)有轉(zhuǎn)矩傳遞。

在此階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)為：

待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩完全被發(fā)電機(jī)吸收，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩后，動(dòng)力源切換階段結(jié)束。

2.2.2 離合器分離階段

在離合器分離過(guò)程中，由于分離過(guò)程需要一定的時(shí)間，在此期間，為避免因?yàn)殡x合器兩端轉(zhuǎn)速不一致所導(dǎo)致沖擊，發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制至于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同。在這個(gè)過(guò)程中，整車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩全部由驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行。

此階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)為：

2.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移階段

待離合器分離后，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)與傳動(dòng)系斷開(kāi)，處于電傳動(dòng)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)工作點(diǎn)為串聯(lián)目標(biāo)工作點(diǎn)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立完成整車(chē)的驅(qū)動(dòng)，此階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)與串聯(lián)工況一致；待發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整至串聯(lián)目標(biāo)工作點(diǎn)附近后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整階段結(jié)束，整車(chē)進(jìn)入串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。

2.3 發(fā)電機(jī)調(diào)速過(guò)程分析

在串并聯(lián)切換過(guò)程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移階段，涉及到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，如果單純的以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差作為控制目標(biāo)，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩偏離較大，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率在調(diào)速過(guò)程中偏差較大，不利于整車(chē)的能量控制。同時(shí)為提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制速度，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的負(fù)值作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的前饋轉(zhuǎn)矩。調(diào)速過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算方式如下：

其中：ΔnEng為調(diào)速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差，ΔnThd為轉(zhuǎn)速差控制和轉(zhuǎn)速變化率控制進(jìn)行切換的轉(zhuǎn)速差門(mén)限，Ki為轉(zhuǎn)速閉環(huán)積分系數(shù)，Kp為轉(zhuǎn)速閉環(huán)比例系數(shù)；(dnEng/dt)Tgt為與實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差有關(guān)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差較大時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率進(jìn)行控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能以一定的速度變化；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差較小時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差進(jìn)行控制，以將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精確控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速上。

3 軟件建模與仿真分析

3.1 控制策略建模

根據(jù)上述分析，串并聯(lián)切換控制模塊在整個(gè)軟件策略中的位置是：整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式管理模塊根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前的狀態(tài)，來(lái)判斷車(chē)輛的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)模式，并向串并聯(lián)切換控制模塊發(fā)出串并聯(lián)切換請(qǐng)求；串并聯(lián)切換控制模塊接收到切換請(qǐng)求后，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率在電傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)之間的切換；待串并聯(lián)切換完成后，整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式分別進(jìn)入并聯(lián)模式或串聯(lián)模式：如圖4所示。圖5是基于上述切換過(guò)程分析得到的串聯(lián)與并聯(lián)間切換時(shí)的控制邏輯示意圖。

圖4 整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式切換軟件架構(gòu)

3.2 串并聯(lián)切換過(guò)程仿真分析

在Matlab/simulink平臺(tái)上搭建了雙電機(jī)混聯(lián)式混合動(dòng)力的仿真模型，如圖6所示。

車(chē)輛模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型均采用基于基本力學(xué)定律的基本動(dòng)力學(xué)模型，本文直接參照了文獻(xiàn)[12]章節(jié)4.3的相關(guān)研究結(jié)果。試驗(yàn)車(chē)整車(chē)及關(guān)鍵零部件參數(shù)如表1所示。起停機(jī)過(guò)程中所用到的整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式請(qǐng)求和起停機(jī)控制階段數(shù)值定義如表2所示。

表1 整車(chē)及主要部件參數(shù)

圖5 串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式切換控制流程

圖6 控制系統(tǒng)仿真模型

表2 驅(qū)動(dòng)模式參數(shù)定義

圖7是在串聯(lián)穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行并聯(lián)切換仿真結(jié)果。當(dāng)發(fā)出并聯(lián)切換請(qǐng)求后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低至并聯(lián)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)發(fā)電機(jī)快速增加發(fā)電轉(zhuǎn)矩以降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，待發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整到位后，離合器吸合，隨后發(fā)電機(jī)降低發(fā)電轉(zhuǎn)矩以釋放發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)降低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩至并聯(lián)轉(zhuǎn)矩，待二者轉(zhuǎn)矩調(diào)整到位后，切換完畢，整個(gè)切換過(guò)程歷時(shí)1.2 s。

圖8是在并聯(lián)穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行串聯(lián)切換仿真結(jié)果。當(dāng)發(fā)出串聯(lián)切換請(qǐng)求后，發(fā)電機(jī)快速增加發(fā)電轉(zhuǎn)矩以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等步長(zhǎng)增加轉(zhuǎn)矩以保證整車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的一致，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在此階段不進(jìn)行調(diào)整。待完成動(dòng)力源切換后，離合器分離，離合器分離后發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)切換至串聯(lián)工作點(diǎn)，待發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整到位后，切換完畢，整個(gè)切換過(guò)程歷時(shí)1.47 s。

圖7 串聯(lián)到并聯(lián)切換過(guò)程仿真結(jié)果

圖8 并聯(lián)到串聯(lián)切換過(guò)程仿真結(jié)果

從圖7、8可知：本文串并聯(lián)切換方法可順利地將整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式在串、并聯(lián)之間切換，切換過(guò)程迅速，切換過(guò)程動(dòng)力連續(xù)，證明切換控制算法可用于實(shí)車(chē)試驗(yàn)。

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

4.1 實(shí)車(chē)道路驗(yàn)證

在混動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試，又在一汽農(nóng)安試驗(yàn)場(chǎng)綜合性能路進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證， 見(jiàn)圖9、圖10。

整車(chē)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)，環(huán)境溫度21℃左右，試驗(yàn)中車(chē)輛先以串聯(lián)模式加速至80 km/h左右，隨后駕駛員降低油門(mén)維持當(dāng)前車(chē)速，則車(chē)輛進(jìn)入并聯(lián)模式；在并聯(lián)模式下，駕駛員再重踩油門(mén)加速，則車(chē)輛會(huì)再次進(jìn)入串聯(lián)模式，記錄并分析以上串并聯(lián)切換過(guò)程。

試驗(yàn)過(guò)程中，整車(chē)控制器相關(guān)參數(shù)通過(guò)CANape標(biāo)定工具直接采集，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器相關(guān)參數(shù)由各自控制器通過(guò)CAN總線發(fā)送。

圖11是一個(gè)行車(chē)過(guò)程中串聯(lián)到并聯(lián)切換過(guò)程數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

圖12是一個(gè)行車(chē)過(guò)程中并聯(lián)到串聯(lián)切換過(guò)程數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

圖9 一汽雙電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

圖10 一汽雙電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)樣車(chē)

圖11 實(shí)車(chē)串聯(lián)到并聯(lián)切換過(guò)程

圖12 實(shí)車(chē)并聯(lián)到串聯(lián)切換過(guò)程

從圖11可知: 從發(fā)出并聯(lián)切換請(qǐng)求到最后完成并聯(lián)切換，耗時(shí)1.76 s，其中發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整耗時(shí)1.1 s，離合器結(jié)合耗時(shí)0.3 s，動(dòng)力源切換耗時(shí)0.36 s。整個(gè)切換過(guò)程中沖擊度小于7 m/s3，并且切換過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)動(dòng)力中斷的問(wèn)題，后續(xù)可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)一步降低離合器結(jié)合前的轉(zhuǎn)速差，使得切換過(guò)程中的沖擊度進(jìn)一步降低。

從圖12可知: 在并聯(lián)工況下，當(dāng)重踩油門(mén)后進(jìn)行串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式切換，全過(guò)程耗時(shí)2.57 s，其中動(dòng)力源切換耗時(shí)0.46 s，離合器分離耗時(shí)0.22 s，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移耗時(shí)1.89 s，切換過(guò)程中沖擊度小于5 m/s3，切換過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)動(dòng)力中斷的情況。在離合器打開(kāi)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速降低以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速增加；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，由于存在并聯(lián)轉(zhuǎn)矩上限，所以司機(jī)重踩油門(mén)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩快速增加至并聯(lián)上限轉(zhuǎn)矩值，待離合器分離后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩快速增加至串聯(lián)轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié) 論

在分析雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，建立了雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型混合動(dòng)力的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)串并聯(lián)行駛切換過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，將串聯(lián)到并聯(lián)行駛切換過(guò)程劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移、離合器結(jié)合、動(dòng)力源切換3個(gè)階段，將并聯(lián)到串聯(lián)行駛切換過(guò)程劃分為動(dòng)力源切換、離合器打開(kāi)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移3個(gè)階段，保證了切換過(guò)程的順利進(jìn)行。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移階段，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率和轉(zhuǎn)速差分段控制的方法，可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整速度和整車(chē)能量平衡；

在動(dòng)力源切換階段，通過(guò)發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的同步協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)之間切換過(guò)程中，整車(chē)驅(qū)動(dòng)力的連續(xù)性，保證了駕駛性。

后續(xù)工作需要繼續(xù)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整算法和離合器吸合過(guò)程，在保證切換沖擊度的前提下繼續(xù)縮短切換過(guò)程。