電動四驅(qū)混合動力車的模式切換平穩(wěn)性研究

徐 悅，郭 俊，張 雄，吳為理

Xu Yue，Guo Jun，Zhang Xiong，Wu Weili

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

針對新提出的插電式混合動力汽車的構型，文中探討了一種新的模式切換平穩(wěn)性算法。特別是由純電動模式與混動模式之間的切換是近年來研究者重點關注之一，如何保證平穩(wěn)性過渡也是整車控制的難點之一。文獻[1]提出了“新的電機轉(zhuǎn)矩算法”，確保純電模式過渡到純發(fā)動機模式車輛輸出轉(zhuǎn)矩的相等性，保證切換的平順性；文獻[2]討論了各種模式之間的切換策略；文獻[3]建立了整車控制系統(tǒng)硬件框圖，深入研究兩驅(qū)/四驅(qū)混合電動車的結構與模式切換過程；文獻[4]提出建立發(fā)動機狀態(tài)觀測器，利用ISG消除發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動；文獻[5]—文獻[8]研究結果表明在整車控制中，如何協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩分配控制是保證模式切換平穩(wěn)性的關鍵。

針對新型的插電式混合動力車的模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩波動問題進行分析研究，提出由純電動模式切換到混合動力模式的控制算法，利用AVL/Cruise和Matlab聯(lián)合仿真對該算法進行研究分析，試驗結果證明了文中算法的可靠性、有效性和簡單可行性，能確保車輛模式之間切換的平穩(wěn)性。

1 整車體系

首先定義插電式單向離合器電動四驅(qū)混合動力車的結構和動力鏈，分析這種新的整車體系下的模式切換種類和原理。

1.1 整車構型

本項目混合動力電動車基于廣汽研究院某款新能源樣車進行研發(fā)，動力參數(shù)如表 1所示。表中分別列出了發(fā)動機最大功率和最大轉(zhuǎn)矩，前后軸電機的動力參數(shù)。

表1 動力參數(shù)

整車布置如圖1所示。常規(guī)4缸發(fā)動機通過單向離合器和前軸電機同軸相連，經(jīng)過主離合器與變速箱相連，整個前軸驅(qū)動與前輪耦合，通過前軸輸出動力；后軸電機通過單級齒輪將動力輸出到后車輪上。

電池和充電機位于后排座椅后，電池采用總電壓288 V，45 Ah的磷酸鐵鋰離子電池；充電時間4 h；整車最大總質(zhì)量2145 kg。

整車構型與一般混聯(lián)式混合動力電動車相比，就是在發(fā)動機和前軸電機之間增加了一個單向離合器，這就使整車的控制策略較為復雜，離合器的打開和閉合直接影響整車模式的運行，模式種類增加了，模式切換變得較為復雜，文中就是基于這種構型來開展研究。

1.2 模式切換

增加一個單向離合器之后，其工作模式如表2所示，較之普通的混聯(lián)式車輛多了四驅(qū)純電動模式，而此模式下前后軸電機均參與驅(qū)動，提高了車輛的動力性，并且適合多種工況下的行駛條件。通過控制動力源和離合器元件的工作狀態(tài)，該混合動力系統(tǒng)可實現(xiàn)多種工作模式：1）兩驅(qū)純電動。發(fā)動機和前軸電機不工作，只有后軸電機在電池輸出功率作用下驅(qū)動后輪，單向離合器閉合；2）四驅(qū)純電動。單向離合器打開，前后軸電機均在電池作用下輸出動力；3）混動模式。單向離合器閉合，發(fā)動機和前后軸電機均參與驅(qū)動，其中前軸電機可發(fā)電或者驅(qū)動，該模式適用于加速、高速行駛工況下；4）增程式模式。單向離合器閉合，發(fā)動機輸出到前軸電機發(fā)電，后軸電機驅(qū)動。

表2 新型混合動力系統(tǒng)工作模式

上述 4種模式中模式切換平穩(wěn)性研究的難點是實現(xiàn)模式3和模式2之間的平穩(wěn)切換，這也是本文研究的控制算法的目標。

整車控制根據(jù)車速、節(jié)氣門開度等進行模式切換，在每個模式切換時都是有條件的，例如純電動要進入混動模式，首先要發(fā)動機啟動，這時的轉(zhuǎn)移條件是“有空擋或者混動或者串聯(lián)式請求”。根據(jù)可充電混合動力電動汽車的特點，整車方案中設置了轉(zhuǎn)換開關（有“EV”開關），當“EV”開關被按下時，汽車將采用四驅(qū)純電動模式工作，直到SOC下降到下限時，切換到混動模式；不按下“EV”開關，且SOC較高時，汽車用兩驅(qū)純電動工作。文中研究的是“EV”開關被按下時，由四驅(qū)純電動模式切換到混動模式時的控制算法。

2 純電動模式混動模式算法

由純電動切換到混動模式，要啟動發(fā)動機，需要增大電機轉(zhuǎn)矩，其值為

發(fā)動機提供動力后由于滯后性，電機沒有退出工作，而是補償發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足，若發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩為Te，與目標值差為

為確保需求轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，用電機補償，電機實際輸出轉(zhuǎn)矩TG，與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關系為

所以電機轉(zhuǎn)矩為：TG=Td_req- Te，式中Te_req和TG_req為發(fā)動機和前軸電機目標轉(zhuǎn)矩。由混動模式進入四驅(qū)電動模式切換中，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩T'e，前后電機輸出轉(zhuǎn)矩 T'G,T'm分別為

需求轉(zhuǎn)矩：T'req=T'e+T'G+T 'm

同時：T'req=Treq+∫kreqdt

因此：km=kreq-ke-kG，其中ke，kG，km和kreq是發(fā)動機、前后軸電機和實際需求轉(zhuǎn)矩變化率。

3 控制過程仿真分析

利用AVL/Cruise軟件建立車輛動力學模型，利用Matlab/Simulink建立整車控制策略及協(xié)調(diào)控制模型見圖2所示。

仿真結果如圖3～圖5所示，采用UDC試驗路況，由圖可知，當發(fā)動機啟動后，在轉(zhuǎn)矩下降要停機前，ISG適當補充轉(zhuǎn)矩以滿足整車需要。而在此過程中ERAD補充的轉(zhuǎn)矩最大，這也是保證整車模式切換中動力連貫性的要求，確保平穩(wěn)過渡，在發(fā)動機啟動過程中ISG和EARD均有助力，ISG確保發(fā)動機啟動，ERAD確保動力不會中斷。

該控制策略不僅可以利用電機響應迅速的特點對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進行補償，而且對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化率進行控制，能夠得到更為精確的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，可以取得較好控制效果。當汽車由混合驅(qū)動向純電動切換時，由于滯后性，轉(zhuǎn)矩易波動，需要限制其轉(zhuǎn)矩變化率，減少發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，增大電機轉(zhuǎn)矩，當發(fā)動機轉(zhuǎn)矩達到某一較小值時，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速至停機，單向離合器退出工作，電機驅(qū)動。

由純電進入混動，電機提供足夠啟動轉(zhuǎn)矩，在離合器閉合之前適當減小電機轉(zhuǎn)矩，確保過渡過程轉(zhuǎn)矩波動不大。

4 結 論

1）深入研究了兩驅(qū)/四驅(qū)混合動力車系統(tǒng)結構、驅(qū)動模式和動力切換過程；

2）基于電動四驅(qū)混合動力汽車提出了有純電動和混動模式互相之間切換的算法，并進行混合動力車試驗樣車測試；

3）利用AVL/Cruise和Matlab聯(lián)合仿真平臺建立該種樣車的動力學模型，進行仿真測試，得出本算法的可靠性、有效性和簡單可行性，能確保車輛模式之間切換的平穩(wěn)性。

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