基于模糊理論的并聯混合動力汽車模式切換沖擊控制

唐傳茵，潘秉鈺，李靜紅，閆羽，潘律

（1.110819 遼寧省 沈陽市 東北大學 機械工程與自動化學院；2.310018 浙江省 杭州市 浙江理工大學；3.201306 上海市 上海電機學院）

0 引言

我國化石燃料存在分布不均以及開采難度大等問題，為實現可持續發展，汽車行業除了改善安全性、舒適性和傳動系統效率外，優化整車油耗、降低污染物排放成為關注的焦點[1]。在推進交通能源轉型的過程中，混合動力汽車技術在傳統汽車的基礎上進行設計和改進，傳統車企成立新能源研發中心開展混合動力汽車技術的研究。

混合動力汽車對多個動力源的開啟和關閉實現協調控制，能夠使車輛工作在不同模式下，但在模式切換過程中會導致發動機、電機的扭矩發生突變，產生沖擊[2]。沖擊產生的原因總體上有2 類：一類是動力源響應速度和響應時間不同造成的。由于發動機構造復雜且自身影響因素眾多，其轉矩無法跟蹤控制器設定的目標值[3]；另外一類是離合器的接合和分離引起的。

汽車在實際行駛過程中，由電機驅動向含有發動機啟動過程的模式切換時，電機所輸出扭矩除了驅動車輛行駛外，還需多余扭矩反拖發動機，此時如果對離合器不加以控制會導致結合速度過快，整車沖擊度數值會瞬間增大，進而通過車身等附件反饋至駕駛艙，降低了整車的平順性和駕駛員及乘客的乘坐舒適性[4]。基于離合器控制的動態協調控制策略的核心思想是通過運用不同理論和方法對離合器接合和分離過程進行控制，以降低模式間切換動力源不同步而產生的沖擊度[5]。

本文針對并聯混合動力汽車的模式切換沖擊進行了研究。首先根據參數匹配結果，基于AVL Cruise 平臺搭建了模型；然后為了有效抑制模式切換所產生的沖擊，針對離合器由分離到接合的模式切換過程進行了模式切換控制，設計了模糊控制器，分析了此類模式切換過程中動力傳遞的平順性。

1 混合動力汽車系統建模

并聯式結構系統區別于能量源的聯合方式，是基于汽車傳動系統的聯合，即通過機電耦合裝置與驅動軸連接，控制器根據傳感器信息，在單一或者同時使用動力源驅動車輛行駛。并聯式系統中單個動力源所需的功率一般很小，其中電系統回路除了在扭矩較小或車速較低時提供驅動車輛行駛所需能量外，還起到平衡發動機回路所受負載的作用，以使其工作在高效、低排放區。

進行混合動力汽車參數匹配，包括發動機的參數匹配、電機的參數匹配、動力電池的參數匹配、傳動系的參數匹配等。基于AVL Cruise 平臺搭建整車模型。

進行整車信號連接，包括發動機和中間離合器之間的機械連接，動力電池組和電機之間的電氣連接，以及混合動力汽車控制器和被控對象間的總線信號連接。控制策略部分在Simulink 平臺上搭建，控制器部分一般由信號輸入模塊、模式判斷模塊、能量管理策略模塊和信號輸出模塊組成。整車模型、電機模塊的信號總線連接、控制器內部結構分別如圖1—圖3 所示。

圖1 整車仿真模型Fig.1 Simulation model of vehicle

圖2 電機模塊的信號總線連接Fig.2 Signal bus connection of motor module

圖3 控制器內部結構Fig.3 Internal structure of controller

2 模式切換控制

2.1 模式切換過程評價指標

不同車企根據實驗條件及實驗成本對混合動力汽車模式切換效果所采用的評價指標不盡相同。目前，普遍采用的模式切換評價方法分成主觀評價法和客觀評價法，其中客觀評價法又分為沖擊度、模式切換時間與滑磨功評價。混合動力汽車工作模式間切換產生的沖擊度可以去除實際行駛道路不平整以及車身所帶部件噪聲等附加因素的影響，可以做到與駕駛員及乘客的感覺同步，能夠準確地反應車輛實際駕駛過程中的動力性特征，其值越小，表明混合動力汽車工作模式間的切換越平穩，駕駛員及乘客的舒適性相應也有所提升。

沖擊度的計算公式為

車輛行駛過程中動力學方程為：

式（1）—式（3）中：J——沖擊度；a——縱向加速度；v——車輛實際行駛速度；G——作用于汽車上的重力；f——滾動阻力系數；α——道路坡道角；CD——空氣阻力系數；A——迎風面積；ρ——空氣密度；δ——汽車旋轉質量換算系數，主要與飛輪的轉動慣量、車輪的轉動慣量以及傳動系的傳動比有關。

綜合式（1）—式（3），得出沖擊度為汽車驅動扭矩變化率的函數。

本文主要關注混合動力汽車在不同工作模式間切換的平順性，選擇沖擊度作為評價指標[6]。當不同工作模式間切換所產生的沖擊度J＜5 m/s3時，能夠有效提高整車的平順性能和駕駛員及乘客的乘坐舒適性；當不同工作模式間切換所產生的沖擊度5 m/s3＜J ＜10 m/s3時，駕駛員及乘客感受沖擊明顯；當車輛的沖擊度J ＞10 m/s3時，駕駛員及乘客能分辨不同的沖擊。

2.2 模式切換控制算法研究

混合動力汽車根據車載傳感器檢測實際行駛道路信息的差異，控制器可以靈活調整車輛使其實現多種運行模式的切換。為實現不同工作模式間平穩切換，降低整車沖擊度，提高駕駛員及乘客的乘坐舒適性，需要確定影響整車平順性的具體模式切換過程，并針對其模式切換過程做出相應控制。混合動力汽車驅動系統不同運行模式下動力源和中間離合器的具體工作狀態如表1 所示。

表1 驅動系統在不同運行模式下的工作狀態Tab.1 Working state of driving system in different operating modes

混合動力汽車由電系統回路驅動車輛行駛切換至含發動機回路參與的模式行駛時，由于會經過發動機啟動階段、轉速同步階段、扭矩再分配階段，使得切換過程相對復雜，控制難度大。對于發動機啟動階段，容易出現動力系統中斷或扭矩波動等現象。由于離合器由分離到接合的模式切換是造成整車沖擊度較大的關鍵性因素，本文主要針對這一類模式切換制定相應的控制策略。接下來應用模糊理論對混合動力汽車工作模式切換中離合器的接合過程進行控制。

2.3 模糊控制器設計

針對混合動力汽車模式切換過程需達到的目標，進行模糊控制器設計。模糊控制器輸入量為加速踏板變化率與離合器主動盤與從動盤轉速差的絕對值，輸出量為離合器接合位移變化量。模糊控制器輸入、輸出量如圖4 所示。

圖4 模糊控制器輸入、輸出量Fig.4 Input and output of fuzzy controller

為了使模糊控制器具有通用性以及便于模糊算法設計，將輸入量經過歸一化處理，統一映射到模糊論域[0，1]上。覆蓋模糊論域的模糊子集數量應當適量。劃分的模糊子集越多，控制精度越高，但是模糊規則數量和運算量會大幅增加。在模糊規則取得完備性滿足的時候，規則的數量不應該太多，以便使控制器的設計和應用更加便捷。其中，輸入變量加速踏板變化率Rate的隸屬函數選擇高斯型，趨向于左疏右密分布；電機端與發動機端轉速差Abs 的隸屬度函數選擇高斯型，趨向于左密右疏分布；輸出變量的隸屬度函數選擇梯形。模糊子集劃分如表2 所示。表2 中：VS——非常小，S——小，MS——中小，M——中等，MB——中大，B——大，VB——非常大。離合器接合位移變化量ΔL的觀測曲面如圖5 所示。

表2 各變量的模糊子集表Tab.2 Fuzzy subset of each variable

圖5 離合器接合位移變化量ΔL 的觀測曲面Fig.5 Observation surface of clutch engagement displacement variation ΔL

3 仿真分析

選擇UDDS 工況進行仿真分析，針對測試工況搭建邏輯門限值控制策略。邏輯門限值控制策略的核心思想是在制定控制策略前確定好整車運行的規則參數，根據部件的穩態效率圖，通過電機對發動機輔助作用，動態調節發動機的工作區間。其基本原理為：混合動力汽車車速較低或整車所需扭矩位于發動機低效區時，驅動車輛行駛所需能量由電系統回路單獨提供，當整車所需扭矩位于發動機高效區時發動機回路開始提供能量，從而實現對發動機工作區間的動態調整。模式切換過程中發動機轉矩變化、電機轉矩變化曲線分別如圖6、圖7 所示，模式切換過程中沖擊變化曲線如圖8 所示。

由圖6、圖7 可知，在23.598～24.198 s 時，混合動力汽車以純電動模式行駛；24.379～24.980 s 時，汽車進入發動機啟動模式，電機除了提供驅動車輛行駛所需扭矩外，還要提供多余扭矩帶動發動機；25.152 s 后，汽車進入混合驅動模式行駛，控制器進行扭矩再分配，發動機扭矩小幅上升至目標扭矩，由于此時電機負責扭矩補償，電機扭矩逐漸下降至目標扭矩。

圖6 發動機轉矩變化曲線Fig.6 Change of engine torque

圖7 電機轉矩變化曲線Fig.7 Change of motor torque

由圖8 可知，在23.598～24.198 s 時，混合動力汽車以純電動模式行駛，動力源只有電機，沖擊度為0；在24.379 s 時，汽車由純電動進入發動機啟動模式，由于瞬間啟動發動機，沖擊度增加；24.980 s 時發動機點火啟動，啟動瞬間沖擊度增加至4.489 m/s3；25.152～25.752 s 時，汽車進入混合驅動模式行駛，沖擊度逐漸下降至0。

圖8 模式切換過程中的沖擊度Fig.8 Jerk during mode transition

所搭建的控制策略最大沖擊度為4.489 m/s3，小于5 m/s3。以上結果表明，該控制方法能保證離合器由分離到接合模式切換過程中動力傳遞的平順性，提高了駕駛員及乘客的乘坐舒適性。

4 結語

1) 進行混合動力汽車的系統建模。基于AVL Cruise 軟件平臺搭建了仿真所需模型，并對仿真模型的總線信號、仿真環境進行連接和設置，為后續模式切換控制與能量管理策略的開發奠定了基礎。

2) 選擇沖擊度作為模式切換效果的評價指標，針對離合器由分離到接合的模式切換過程設計了模糊控制器，選擇典型道路信息對控制器控制效果進行驗證，結果表明模式切換過程中沖擊度的峰值小于沖擊度評價指標，本文所提出的控制方法可以有效地提升此類模式切換的平順性。