單行星排混聯式混合動力汽車模式切換控制策略研究

【摘要】為提高整車經濟性，提出一種單行星排混聯式混合動力系統，并以重型商用牽引車為研究對象，根據動力性指標開展了整車部件關鍵參數設計，以發動機最優控制為基本原則，制定了整車頂層工作模式及子工作模式的切換規則。最后，利用Simulink編寫模式切換策略控制程序，基于Cruise建立整車經濟性仿真模型并進行聯合仿真，結果表明，采用該混合動力構型的車輛在快運工況和煤炭運輸工況下的燃油消耗量均低于傳統燃油車。

關鍵詞：行星排 混合動力汽車 模式切換 重型商用車

中圖分類號：U469.7 文獻標志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240348

Research on Mode Switching Control Strategy of Single-Planet Platoon Hybrid Electric Vehicle

Zhai Xiuli， Wang Lei， Li Chuanlong， Xu Changhe， Zhao Wei， Zhao Luyang

（Commercial Vehicle Development Institute， FAW Jiefang Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】To improve vehicle economy， this paper proposes a single planetary array hybrid system. Taking the heavy commercial tractor as the research object， the key parameters of automotive components are designed according to power performance indicators. The optimal control of the engine is taken as the basic principle， and the switching principles of the top-level working mode and sub-working mode of the vehicle are formulated. The mode switch strategy control program is written using Simulink， and the vehicle economic simulation model is established using Cruise. The results show that fuel consumption of the hybrid vehicle is lower than that of the traditional fuel vehicle in the fast transportation and coal transportation condition.

Key words： Planetary array， Hybrid electric vehicle， Mode switch， Heavy commercial vehicle

【引用格式】 翟秀麗， 王雷， 李傳龍， 等. 單行星排混聯式混合動力汽車模式切換控制策略研究[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 1-8.

ZHAI X L， WANG L， LI C L， et al. Research on Mode Switching Control Strategy of Single-Planet Platoon Hybrid Electric Vehicle[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 1-8.

1 前言

隨著法規對整車燃油消耗量的要求逐步加嚴[1]，重型傳統燃油車的燃油消耗量將不符合油耗要求，重型混合動力商用車的開發迫在眉睫。根據整車功率傳輸路徑的不同，混合動力汽車可以分為串聯式混合動力汽車、并聯式混合動力汽車和混聯式混合動力汽車[2]。其中混聯式混合動力汽車在動力性能、能量回收及適用工況方面優于串聯式和并聯式混合動力汽車。目前，針對重型單行星排式混聯構型的整車油耗計算方法研究較少。為此，本文提出一種單行星排混聯式混合動力系統，動力源包括發動機、驅動電機和發電機，利用電機和發電機實現發動機工作點轉速和扭矩雙解耦，并分析不同工作模式下部件的工作狀態，制定頂層工作模式和子工作模式的切換規則，以期提高整車的燃油經濟性。

2 單行星排混聯式混合動力系統模型

本文提出的單行星排混聯式混合動力系統如圖1所示，主要部件包括發動機、電機MG1、電機MG2、變速器、常開制動器B1、常開離合器C1、單向常開離合器C2等。發動機通過扭轉減振器與行星排的行星架輸入軸連接，電機MG1、MG2分別與行星排的太陽輪軸、齒圈軸連接，齒圈軸為行星排的動力輸出軸。電機MG1的輸出軸上設有常開制動器B1，可實現電機MG1的鎖死。電機MG2的輸出軸上設有常開離合器C1，可斷開電機MG2與齒圈軸的連接。行星架輸入軸上設有單向常開離合器C2，可實現發動機鎖死。

相較于傳統燃油車的動力系統，該混合動力系統可實現發動機轉速和扭矩的雙解耦。行星排將電機MG1與發動機耦合，電機MG1可調節發動機轉速，通過齒圈端向變速器輸入轉速。電機MG2與輸出齒圈端連接，可調節發動機扭矩，共同輸出為車輛提供行駛動力。

3 系統工作特性分析及動力匹配

混合動力汽車行駛工況可分為驅動工況和制動工況，驅動工況主要包括純電驅動模式、發動機直驅模式、行車發電模式和混合驅動模式[3]，制動工況主要包括制動能量回收模式和全制動模式。不同模式下制動器、離合器、動力元件工作的狀態如表1所示，其中信號0代表不控制、信號1代表控制。

以某6×4重型商用牽引車為例，根據動力性目標進行混合動力系統部件的關鍵參數匹配設計[4]，車型的基本參數及整車部件關鍵參數如表2、表3所示。

4 整車控制策略

本文采用發動機最優控制策略，利用發電機與驅動電機協調控制發動機的轉速與扭矩工作點，將發動機工作點控制在最佳燃油消耗曲線上，使整車的燃油經濟性最優[5]。

4.1 工作模式劃分

整車頂層工作模式可分為停車模式、制動模式和驅動模式。按照整車駕駛需求和部件狀態可進一步細分，停車模式可分為停車充電模式和全停車模式，制動模式可分為機械制動模式和制動能量回收模式，驅動模式可分為純電驅動模式、發動機直驅模式、行車發電模式和混合驅動模式。

4.2 頂層工作模式切換

基于駕駛員操作狀態、當前擋位和車速制定停車模式、制動模式及驅動模式的切換規則，主要控制邏輯為：

a. 車速降為0，且擋位為空擋或踩下離合器踏板時，車輛由制動模式切換為停車模式。

b. 松開制動踏板并踩下加速踏板時，車輛由制動模式切換為驅動模式。

c. 松開加速踏板并踩下制動踏板時，車輛由驅動模式切換為制動模式。

d. 車速不為0，且踩下加速踏板、未踩制動踏板時，車輛由停車模式切換為驅動模式。

4.3 子工作模式切換

4.3.1 停車模式切換

根據電池荷電狀態（State Of Charge，SOC）制定停車充電模式和全停車模式的切換規則：當電池SOC低于設定值時，進入停車充電模式；當電池SOC較高時，進入全停車模式。

4.3.2 制動模式切換

根據電池SOC制定機械制動模式和制動能量回收模式的切換規則：當電池SOC較高時，進入機械制動模式；當電池SOC低于設定值時，進入制動能量回收模式。

4.3.3 驅動模式切換

根據駕駛員需求扭矩、行星排齒圈端轉速或車速、電池SOC制定驅動模式各子模式的切換規則，如圖2所示。

純電驅動模式下驅動部件為電機MG2，發動機不參與工作，適用于低需求扭矩、低車速的工況，其進入條件為駕駛員在齒圈端的需求扭矩小于當前轉速下電機MG2的最大轉矩，齒圈轉速小于一定值且電池SOC大于0.6。直驅模式下驅動部件為發動機，適用于高速工況，其進入條件為駕駛員在齒圈端的需求扭矩及轉速按照行星排扭矩比例計算后，使發動機轉速、扭矩工作點在最佳燃油消耗區，且電池SOC充足。行車發電模式下驅動部件為發動機，與直驅模式下齒圈轉速和駕駛員在齒圈端的需求扭矩要求一致，不同的是電池SOC小于一定值。其余條件下均采用混合驅動模式，根據當前電池SOC狀態，混合驅動模式可分為放電、電量保持及充電3種狀態。其中SOC決定發動機、電機MG1和電機MG2的工作狀態，3個部件協調工作。

綜上，頂層工作模式與子工作模式的切換規則如圖3所示。

4.4 動力分配策略設計

4.4.1 整車需求功率計算

整車需求功率主要包括駕駛員需求功率和電池充電功率[6]。

駕駛員需求功率主要取決于整車動力性需求，體現為實時的加速踏板開度信號，如圖4所示。

其中一維表格為混合動力系統的齒圈端最大輸出扭矩能力，如圖5所示，根據發動機、電機MG1和電機MG2的最大能力確定。

電池充電功率是為滿足電池電量平衡而額外輸出的功率，根據當前電池SOC確定，其計算模型如圖6所示。考慮發動機功率與燃油經濟性的關系確定發動機的最小輸出功率。當駕駛員需求功率與電池充電功率之和小于發動機最小輸出功率時，控制發動機以最小輸出功率工作，提高系統經濟性能。

4.4.2 純電驅動模式

純電驅動模式下，單向常開離合器C2斷開，發動機不提供動力，常開制動器B1斷開，電機MG1工作，常開離合器C1接合，電機MG2為整車提供驅動力，行星架鎖死，齒圈為主動件，太陽輪隨轉。此模式下發動機停機、電機MG1隨轉、電機MG2驅動。

在Simulink中，電機MG2與電機MG1的控制程序如圖7所示。

4.4.3 直驅模式

發動機直驅模式下，單向常開離合器C2閉合，發動機為整車動力源，常開制動器B1閉合，電機MG1不工作，常開離合器C1接合，電機MG2不輸出轉矩，行星架為主動件，太陽輪鎖死，齒圈輸出動力至變速器為整車提供動力。此模式下發動機驅動、電機MG1停機、電機MG2空轉，控制程序如圖8所示。

4.4.4 行車發電模式

行車發電模式下，單向常開離合器C2閉合，發動機為整車動力源，常開制動器B1斷開，電機MG1發電，常開離合器C1接合，電機MG2不工作，行星架為主動件，太陽輪隨轉。此模式下發動機驅動、電機MG1發電、電機MG2空轉，控制程序如圖9所示。

在行車發電模式下，發動機的轉速與扭矩工作點可調，故控制發動機的工作點在最優工作曲線上。在MATLAB中利用griddata插值函數計算發動機在不同功率下的最佳工作點，發動機的最佳燃油消耗曲線如圖10所示[7]。

4.4.5 混合驅動模式

混合驅動模式下，單向常開離合器C2閉合，發動機工作，常開制動器B1斷開，電機MG1工作，常開離合器C1接合，電機MG2工作。

在該模式下需協調控制發動機、發電機和驅動電機，實現發動機最優控制。主要控制原則是根據整車需求功率和發動機最佳燃油消耗曲線選擇當前的工作點，利用電機MG1實現發動機轉速的調節，利用電機MG2實現發動機扭矩的調節，進而實現發動機工作點的雙解耦[8]，如圖11所示。

圖12所示為電機MG1與電機MG2的控制程序。電機MG1的期望轉矩是PID控制的輸出量，PID的輸入量是發動機的需求轉速與當前轉速的差值。電機MG2的期望轉矩根據整車需求扭矩與發動機提供扭矩的差值計算。

4.4.6 制動能量回收模式

制動能量回收模式下，單向常開離合器C2閉合，發動機處于怠速狀態，常開制動器B1斷開，電機MG1空轉，常開離合器C1接合，電機MG2發電。此模式下發動機怠速、電機MG1空轉、電機MG2發電，實現制動能量回收，控制程序如圖13所示。

5 聯合仿真結果分析

5.1 Cruise與Simulink的信號配置

基于各部件選型及整車參數，在Cruise中建立單行星排式混合動力整車模型。選擇發動機、電機、行星排、輪胎、電池、主減速器等模塊，將整車基本參數及動力部件參數輸入相應模塊中，并在模塊間進行機械連接及數據控制信號連接，整車的控制策略在Simulink中編譯后集成在MATLAB動態鏈接庫（Dynamic Linkable Library，DLL）模塊中，搭建完成的整車模型如圖14所示。其中，采用MATLAB DLL模塊將Simulink控制信號與整車部件連接，實現Simulink與Cruise的交互[9-10]。

5.2 整車經濟性仿真結果

牽引車的常用運輸場景包括冷鏈、快遞和煤炭運輸等，仿真路況包含快運路譜和煤炭運輸路譜，在循環工況運行（Cycle Run）任務中添加路譜，設置駕駛員駕駛行為，求解百公里油耗及電耗，結果如表4所示。快運工況循環時間為20 000 s，行駛距離為364 km，百公里綜合油耗為22.19 L，傳統燃油車百公里油耗為24.80 L。煤炭運輸工況循環時間為20 000 s，行駛距離為233 km，百公里綜合油耗為33.47 L，傳統燃油車百公里油耗為39.72 L。

5.3 仿真結果分析

以快運工況為例，分析整車車速對路譜速度的跟隨情況，以驗證上述整車模式切換控制規則的合理性，并詳細分析典型驅動模式中純電驅動模式與混合驅動模式下各部件狀態，以檢驗整車控制策略程序編寫的準確性。

5.3.1 車速跟隨分析

圖15所示為快運工況下車速與路譜速度的仿真對比結果，車速仿真結果與路譜速度基本保持一致，誤差較小，驗證了控制策略的合理性。

5.3.2 純電驅動模式分析

如圖16所示，截取快運工況的一部分起步路譜，車速由0提高至20 km/h，對混合動力系統的純電驅動模式進行策略分析。其中，模式1～模式5分別為純電驅動模式、混合驅動模式、制動能量回收模式、全制動模式、停車發電模式。在第860 s前，整車處于停車發電工作模式。第860 s至第940 s，整車開始起步運行，電池SOC充足，駕駛員需求功率較小，進入純電驅動模式。電機MG2作為驅動元件，轉速、轉矩與車速耦合，兩者曲線的整體趨勢一致。由于在第920 s左右變速器升擋，電機MG2轉速迅速下降、轉矩迅速上升，發動機不工作，因Cruise仿真模型中發動機與行星架之間無減振器，發動機的轉速與扭矩不為0。電機MG1處于隨轉狀態，按照行星排轉速與扭矩之間的關系，電機MG1的轉速和轉矩與電機MG2的轉速和轉矩成一定比例。

5.3.3 混合驅動模式分析

如圖17所示，截取快運工況的一段路譜，速度由60 km/h提高到76 km/h，整車由制動能量回收模式進入混合驅動模式。發動機基本始終穩定工作在1 100 r/min、2 000 N·m左右，對照發動機燃油MAP曲線，此工作點具有較小的燃油消耗量，符合發動機最優控制的整車策略。當前工作擋位為4擋，電機MG2的轉速與車速呈正相關。電機MG2提供的轉矩由整車需求扭矩決定，補充動力需求不足的部分。電機MG1在混動工作狀態中，工作點由發動機和電機MG2的轉速及轉矩按照行星排特性確定。

6 結束語

本文針對單行星排混聯式混合動力系統，根據整車動力性指標進行了部件關鍵參數的匹配，重點研究了整車模式切換控制策略，包括頂層工作模式及各子工作模式的切換規則，利用MATLAB/Simulink編寫整車控制邏輯程序，與Cruise聯合仿真分析整車經濟性能，結果表明，采用該混合動力構型的車輛在快運工況和煤炭運輸工況下的燃油消耗量均低于傳統燃油車。

參考文獻

[1]" "鄒偉， 柯元志， 彭澤峰， 等. 面向2025和2030年混合動力汽車節油技術研究[J]. 汽車文摘， 2023（7）： 1-8.

ZOU W， KE Y Z， PENG Z F， et al. Research on Fuel-Saving Technology for Hybrid Vehicles Towards 2025 and 2030[J]. Automotive Digest， 2023（7）： 1-8.

[2]" "宋大鳳， 高福旺， 曾小華， 等. 并聯混合動力汽車BSG控制策略研究[J]. 汽車技術， 2019（7）： 48-52.

SONG D F， GAO F W， ZENG X H， et al. Research on BSG Control Strategy for Parallel Hybrid Electric Vehicle[J]. Automobile Technology， 2019（7）： 48-52.

[3]" "曾小華. 商用車混合動力系統關鍵技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2019.

ZENG X H. Key Technologies for Hybrid Power Systems in Commercial Vehicles[M]. Beijing： Mechanical Industry Press， 2019.

[4]" "張艷輝， 張偉軍， 鄧陽慶， 等. 基于典型用戶使用工況的重型載貨汽車動力傳動系統匹配研究[J]. 汽車技術， 2016（4）： 9-12.

ZHANG Y H， ZHANG W J， DENG Y Q， et al. Research on Power Transmission System Matching of Heavy Duty Truck Based on Typical User Operating Conditions[J]. Automobile Technology， 2016（4）： 9-12.

[5]" "季亞偉. 插電式混合動力汽車能量管理策略設計優化[D]. 重慶： 重慶大學， 2022.

JI Y W. Design and Optimization of Plug-in Hybrid Vehicle Energy Management Strategy[D]. Chongqing： Chongqing University， 2022.

[6]" "馬玉坤. 混合動力客車動力耦合機構優化設計及能量管理策略研究[D]. 青島： 青島理工大學， 2022.

MA Y K. Optimization Design of Power Coupling Mechanism and Energy Management Strategy for Hybrid Bus[D]. Qingdao： Qingdao University of Technology， 2022.

[7]" "薛天揚， 彭增雄. 雙模式功率分流混合動力車輛功率優化與仿真[J]. 機械設計與制造， 2014（7）： 8-11.

XUE T Y， PENG Z X. Power Optimization and Simulation of Hybrid Electric Vehicle with Dual Mode Power Distribution[J]. Machinery Design amp; Manufacture， 2014（7）： 8-11.

[8]" "王菲. 單行星排混聯式混合動力汽車能量管理策略研究[D]. 秦皇島： 燕山大學， 2020.

WANG F. Research on Energy Management Strategy of Single-Planet Hybrid Hybrid Electric Vehicle[D]. Qinhuangdao： Yanshan University， 2020.

[9]" "孫彥興， 徐世福. 基于Cruise的商用車整車性能分析設計及應用[J]. 重型汽車， 2023（4）： 34-35.

SUN Y X， XU S F. Performance Analysis Design and Application of Commercial Vehicle Based on Cruise[J]. Heavy Duty Vehicles， 2023（4）： 34-35.

[10] 曾海軍， 陶湘廳. 基于AVL CRUISE的純電動商用車動力系統匹配設計及性能仿真分析[J]. 專用汽車， 2024（4）： 11-16.

ZENG H J， TAO X T. Power System Matching Design and Performance Simulation Analysis of Pure Electric Commercial Vehicle Based on AVL CRUISE[J]. Special Purpose Vehicles， 2024（4）： 11-16.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年10月12日。