插電式四驅(qū)混合動力轎車控制策略研究

邱利宏+錢立軍+程偉

摘 要：根據(jù)插電式四驅(qū)混合動力轎車在各種工況下的工作模式，確定了各個動力部件的轉(zhuǎn)矩分配，以此為依據(jù)制定了此混合動力轎車基于邏輯門限值的控制策略，并在有限狀態(tài)機Stateflow中搭建了控制策略的核心狀態(tài)流圖，然后使用Cruise進行了仿真并對仿真結(jié)果進行了評價。仿真結(jié)果表明，汽車的動力性以及經(jīng)濟性都達到了設(shè)計指標(biāo)要求，在NEDC下驗證時，不論是在高電量區(qū)還是在低電量區(qū)，各動力部件均按照控制策略來工作，并且實現(xiàn)了各種工作模式的轉(zhuǎn)換，控制策略有效而可行。

關(guān)鍵詞：插電式四驅(qū)；混合動力汽車；控制策略；有限狀態(tài)機；仿真

中圖分類號：U469.72文獻標(biāo)文獻標(biāo)識碼：A文獻標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.10

插電式四驅(qū)混合動力汽車不僅和傳統(tǒng)四驅(qū)汽車一樣具備較高的操縱性、通過性和穩(wěn)定性[1]，而且在適合的條件下可以作為純電動汽車使用，兼具純電動汽車、串聯(lián)式混合動力汽車以及并聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)點，在能源日益短缺以及節(jié)能減排得到大力倡導(dǎo)的今天越來越受到市場的青睞[2]。

本文研究一款插電式四驅(qū)混合動力轎車，詳細(xì)分析了這款轎車在各種條件下的工作模式以及各個工作模式的跳轉(zhuǎn)條件，在有限狀態(tài)機Stateflow中搭建了狀態(tài)流圖，并在Matlab/Simulink中搭建了基于邏輯門限值的控制策略，然后利用Cruise仿真軟件對其動力性和經(jīng)濟性進行了仿真，最后對仿真結(jié)果進行了評價。

1 插電式四驅(qū)混合動力轎車基本結(jié)構(gòu)

本文研究的插電式四驅(qū)混合動力轎車動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。動力系統(tǒng)主要包含1個發(fā)動機和1個ISG電機，用于前軸驅(qū)動，1個主驅(qū)動電機，用于后輪驅(qū)動，動力電池經(jīng)逆變器分別與ISG電機和主驅(qū)動電機相連。變速器采用帶無級變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）的一體化兩擋變速器（變速器操縱機構(gòu)用于控制汽車的前進和倒退），發(fā)動機和ISG電機同軸，兩者之間安裝了一個液壓控制的自動離合器，ISG電機輸出端與另外一個自動離合器相連，自動離合器的輸出端連接著帶CVT的一體化變速器，然后經(jīng)前主減速器、差速器、半軸，將動力傳輸至前輪。其中，CVT控制器根據(jù)當(dāng)前車速及油門踏板開度調(diào)節(jié)CVT的目標(biāo)速比，CVT的目標(biāo)速比與車速及油門踏板開度的關(guān)系如圖2所示。

2 基于邏輯門限值的控制策略

插電式四驅(qū)混合動力汽車的整車控制原理包括判斷駕駛員意圖、電池充放電、發(fā)動機開關(guān)、能量分配、再生制動等方面的控制[3]。為了實現(xiàn)控制原理，必須建立完整的控制系統(tǒng)模型?？刂葡到y(tǒng)從功能上可以分為3部分[4]：控制信號輸入、計算和邏輯判斷、執(zhí)行信號輸出，其中計算和邏輯判斷部分為控制系統(tǒng)的核心。

本文根據(jù)發(fā)動機和動力電池的工作區(qū)間，詳細(xì)分析了不同行駛工況下各個動力部件的轉(zhuǎn)矩分配，并以此為依據(jù)制定了控制策略。

2.1 發(fā)動機和動力電池的工作區(qū)間

2.1.1 發(fā)動機工作區(qū)間

根據(jù)發(fā)動機的萬有特性圖，將其工作區(qū)域劃分為3部分（圖3）：Te-max為發(fā)動機外特性曲線，即為最大轉(zhuǎn)矩曲線；Te-high為發(fā)動機燃油經(jīng)濟區(qū)高轉(zhuǎn)矩曲線；Te-low 為發(fā)動機燃油經(jīng)濟區(qū)低轉(zhuǎn)矩曲線。曲線Te-high與Te-low之間為發(fā)動機最佳燃油經(jīng)濟性工作區(qū)，Te-low以下為發(fā)動機的低負(fù)荷區(qū)，Te-high以上為發(fā)動機高負(fù)荷區(qū)。

2.1.2 動力電池工作區(qū)間

為了提高動力電池的充放電效率，延長使用壽命，需要合理設(shè)置動力電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）的工作范圍。電池 SOC的工作區(qū)間應(yīng)為內(nèi)阻相對較低的區(qū)域，以減少電池的充放電損失。根據(jù)混合動力汽車所選擇的磷酸鐵鋰動力電池在不同放電倍率下充放電時SOC與電阻的關(guān)系以及SOC與電壓的關(guān)系，可以初步確定電池的工作區(qū)間，如圖4所示。圖中各區(qū)域的劃分簡潔明了，在此不作過多闡述。

2.2 穩(wěn)態(tài)工作模式分析

根據(jù)一般情況下汽車的行駛特點，可以將汽車的穩(wěn)態(tài)工作模式分為啟停模式、驅(qū)動模式以及制動模式三大類。結(jié)合不同工況下的行駛特點，可以確定汽車動力部件的工作模式及轉(zhuǎn)矩分配。

2.2.1 啟停模式

（1）汽車剛剛起步時，車速比較低，一般情況下，汽車需求轉(zhuǎn)矩小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下后驅(qū)電機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩。此時，如果動力電池電量高于最佳工作區(qū)域所允許的最低值，汽車僅使用由磷酸鐵鋰動力電池提供能量的后驅(qū)電機的動力，充分利用電動機啟動時低速轉(zhuǎn)矩恒定的特點，發(fā)動機處于停機狀態(tài)[5]。此時為純電動模式（CD模式），即：

若 SOClow

則

。

式中，ior為后主減速比。

（2）若汽車需求轉(zhuǎn)矩小于后驅(qū)電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速下可提供最大轉(zhuǎn)矩，動力電池 SOC處于低電量區(qū)，發(fā)動機帶動ISG 電機為動力電池供電，再由磷酸鐵鋰動力電池給后驅(qū)電機提供能量驅(qū)動車輛行駛。此時為串聯(lián)驅(qū)動模式（CS模式）[6]，即：

若SOC

則

。

2.2.2 驅(qū)動模式

（1）若汽車需求轉(zhuǎn)矩小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，且動力電池 SOC 值在正常工作范圍內(nèi)，車輛由發(fā)動機單獨驅(qū)動。此時為純發(fā)動機模式，即：

若SOC>SOClow且 Treq

則

。

式中，if為前橋速比。，即為前主減速比與CVT目標(biāo)速比的乘積。

（2）若動力電池電量低于目標(biāo)值，需求轉(zhuǎn)矩大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下后驅(qū)電機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩，則發(fā)動機工作在最佳燃油經(jīng)濟區(qū)上限，富余的轉(zhuǎn)矩用于帶動ISG電機發(fā)電。此時為發(fā)動機驅(qū)動并充電模式，即：

若SOCTmmaxior，

則

。

（3）若汽車需求轉(zhuǎn)矩大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機工作轉(zhuǎn)矩上限，小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機和 ISG 電機能夠提供的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，同時動力電池電量充足，發(fā)動機和 ISG 電機同時提供前輪所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。此時為 ISG 輔助前輪驅(qū)動模式（并聯(lián)CD模式）[7]，即：

若SOClow

Temax

則

。

（4）若汽車需求轉(zhuǎn)矩大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機和ISG 電機所能提供的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，同時動力電池電量充足，發(fā)動機、ISG 電機及后驅(qū)電機均參與工作。此時為全混合四驅(qū)模式，即：

若SOClow（Temax+TISG max）if

則

。

2.2.3 制動模式

當(dāng)汽車進入制動模式時，需求轉(zhuǎn)矩小于0。根據(jù)制動強度的不同，可以分為再生制動、聯(lián)合制動以及機械制動3種模式[8]。

（1）若駕駛員制動需求轉(zhuǎn)矩小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下后驅(qū)電機以及ISG電機所能提供的最大再生制動轉(zhuǎn)矩之和，SOC小于允許的最大值并且非緊急制動時（加速踏板的變化率小于設(shè)定值），ISG電機和后驅(qū)電機均作為發(fā)電機使用，提供再生制動力矩。ISG電機和后驅(qū)電機所提供的再生制動轉(zhuǎn)矩的大小按照前后軸的軸荷大小的比例進行分配。此時為再生制動模式，即：

若SOC

且a

（a為制動踏板行程的變化率；ac為制動踏板行程變化率的設(shè)定值，在本文中取值為3）

則

。

（2）若駕駛員制動需求轉(zhuǎn)矩大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下后驅(qū)電機以及ISG所能提供的最大再生制動轉(zhuǎn)矩之和，SOC小于允許的最大值并且非緊急制動時，此時進入聯(lián)合制動模式，后驅(qū)電機以及ISG電機提供當(dāng)前轉(zhuǎn)速下各自最大的再生制動轉(zhuǎn)矩，額外轉(zhuǎn)矩由機械制動進行補充，即：

若SOCTm maxior+TISG maxif

且a

則

。

式中，Tb為機械制動力矩。

（3）若駕駛員踩制動踏板或松油門時車速很低，此時再生制動效果不明顯，或者出現(xiàn)緊急情況制動時，只允許機械制動，即：

若v

則

。

2.3 控制策略的建模

根據(jù)前面所陳述的四驅(qū)混合動力汽車具體的工作模式可知，本文所研究的四驅(qū)混合動力轎車具備純電動、串聯(lián)驅(qū)動、純發(fā)動機、發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電、ISG 輔助前輪驅(qū)動、四輪驅(qū)動、再生制動、聯(lián)合制動和機械制動等9種D擋穩(wěn)態(tài)工作運行模式[9]。D擋運行模式判別圖如圖5所示。

根據(jù)上一節(jié)內(nèi)容，可以在Simulink里搭建基于邏輯門限值的控制策略，可以用Simulink中基于有限狀態(tài)機的Stateflow的子模塊搭建各種工作模式相互跳轉(zhuǎn)的控制策略核心部件，其中，最主要的驅(qū)動模式下的狀態(tài)流圖如圖6所示。

3 仿真結(jié)果及其評價

本文研究的插電式四驅(qū)混合動力轎車整車及動力部件的基本參數(shù)見表1。

3.1 仿真結(jié)果

將搭建好的控制策略編譯成DLL文件之后，導(dǎo)入到搭建好整車模型的Cruise仿真軟件里面運行仿真，仿真結(jié)果以及設(shè)計指標(biāo)見表2。由表2可知，仿真結(jié)果得到的插電式四驅(qū)混合動力轎車的動力性和經(jīng)濟性都是滿足要求的，因此，可以初步判定動力部件的選型以及控制策略的建模是合理的。

3.2 仿真結(jié)果評價

本文選取NEDC循環(huán)工況對汽車各個動力部件的工作情況進行仿真結(jié)果的評價，進而驗證控制策略的合理性[10]。根據(jù)動力電池高電量和低電量兩種情況，分別取SOC初值為90%和20%進行仿真，可以得到圖7和圖8所示的兩組仿真結(jié)果。

本文所搭建的控制策略主要是基于轉(zhuǎn)矩分配的能量管理策略，從理論上講，汽車運行所需要的最大轉(zhuǎn)矩是出現(xiàn)在每一個加速段的終點或者每一個減速段的終點（減速段取絕對值）。在NEDC循環(huán)工況下的每一個加速段，由于汽車在加速，車輛起步之后（起步時需求的瞬時轉(zhuǎn)矩也比較大，但是后驅(qū)電機可以完成單獨啟動），如果不考慮車輪滾動半徑的影響，隨著車速的增加，汽車的滾動阻力基本保持不變，空氣阻力以與速度平方成正比的關(guān)系不斷增大，而在同一個加速段，汽車的加速度是基本保持不變的，所以汽車的需求轉(zhuǎn)矩隨著車速的升高而增大。在汽車剛起步后的一段時間之內(nèi)，由于那一段加速度比較大，所以需求轉(zhuǎn)矩也比較大，但是后驅(qū)電機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩范圍可以滿足汽車行駛的轉(zhuǎn)矩需求。因此，汽車在這一段內(nèi)主要依靠后驅(qū)電機驅(qū)動。當(dāng)SOC值比較高的時候，汽車處于后驅(qū)電機單獨驅(qū)動的純電動模式，當(dāng)SOC值達到動力電池的工作下限（本文取20%）的時候，汽車主要處于串聯(lián)驅(qū)動模式，發(fā)動機工作在高效區(qū)，帶動ISG電機發(fā)電給后驅(qū)電機供電，富余的能量以電能的形式存儲于動力電池之中。

當(dāng)汽車的速度上升到一定的數(shù)值之后，汽車行駛的需求轉(zhuǎn)矩可能會超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速下后驅(qū)電機的最大轉(zhuǎn)矩（后驅(qū)電機基速是2 500 r/min，所以當(dāng)速度達到35 km/h左右時就進入了恒功率區(qū)），特別是NEDC工況的EUDC（European Urban Driving Cycle）循環(huán)下的那幾個加速段，汽車的速度非常高，后驅(qū)電機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速的最大轉(zhuǎn)矩可能已經(jīng)無法滿足汽車運行的轉(zhuǎn)矩需求。經(jīng)過計算，在前4個ECE（Economic Commission for Europe）循環(huán)下，后驅(qū)電機的轉(zhuǎn)矩范圍可以滿足汽車行駛的轉(zhuǎn)矩需求。如果電池電量充足，則由后驅(qū)電機單獨驅(qū)動，如果電池電量不足，則發(fā)動機工作在最佳燃油消耗區(qū)上限，發(fā)動機帶動ISG電機發(fā)電，一部分用于提供后驅(qū)電機所需的電能，富余的能量用于給動力電池充電。EUDC循環(huán)的第3個加速段，汽車需要由發(fā)動機單獨驅(qū)動，在最后一個加速段，需要ISG電機與發(fā)動機共同驅(qū)動。

在每一個NEDC工況的勻速段，汽車的需求轉(zhuǎn)矩主要是用來克服空氣阻力和滾動阻力，此時沒有加速阻力。經(jīng)過計算，本文所選擇的后驅(qū)電機的轉(zhuǎn)矩范圍滿足整個NEDC循環(huán)下勻速段汽車行駛的轉(zhuǎn)矩需求。因此，在所有的勻速段，如果動力電池電量充足，汽車即處于后驅(qū)電機單獨驅(qū)動的純電動模式；如果動力電池的電量達到最佳工作區(qū)域的最低值，汽車即處于串聯(lián)驅(qū)動模式。

對于NEDC工況下的每一個減速段，經(jīng)過計算，如果不是緊急制動，除了在最后一個減速段需要機械制動之外，后驅(qū)電機與ISG電機在當(dāng)前的轉(zhuǎn)速下所能提供的最大再生制動轉(zhuǎn)矩之和足以滿足汽車的制動轉(zhuǎn)矩需求。因此除去最后一個減速段之外，如果SOC低于最大值，車速高于設(shè)定的低值以及非緊急制動的情況下，汽車在減速段處于再生制動模式。當(dāng)車速低于設(shè)定的低值或者SOC過高或者緊急制動時，汽車處于機械制動模式。

綜上所述，從理論上分析，本文所研究的插電式四驅(qū)混合動力轎車在NEDC工況下可能出現(xiàn)6種工作模式，分別為后驅(qū)電機單獨驅(qū)動的純電動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、串聯(lián)驅(qū)動模式、ISG輔助前輪驅(qū)動模式、再生制動模式以及機械制動模式，不會出現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電模式、四輪驅(qū)動模式以及聯(lián)合制動模式。

分析圖7的仿真結(jié)果，由圖7（a）可知，汽車在前四個ECE循環(huán)下，電荷在不斷減少，可知汽車應(yīng)該是處于后驅(qū)電機單獨驅(qū)動的純電動模式，而到了最后一個EUDC循環(huán)，有一段 SOC仍然在減小，從前面的理論分析可知，這一段汽車處于ISG輔助前輪驅(qū)動模式，ISG電機消耗電能。在SOC整體降低的大背景下，在某些時間段，SOC出現(xiàn)了上升，這是再生制動的結(jié)果。再分析圖7（b）、（c）、（d）可知，發(fā)動機、ISG電機以及后驅(qū)電機的工作點正好與SOC變化所反映出來的整車的工作模式相對應(yīng)。后驅(qū)電機與ISG電機驅(qū)動的時候，轉(zhuǎn)矩為正值，再生制動時，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，發(fā)動機、ISG電機、后驅(qū)電機所提供的轉(zhuǎn)矩之和正好是汽車需求的轉(zhuǎn)矩。由此可知，動力電池電量高時，不管是從理論上還是仿真結(jié)果上看，汽車各動力部件都按照既定的控制策略來工作，汽車出現(xiàn)了純電動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、ISG輔助前輪驅(qū)動模式、機械制動以及再生制動模式，這與理論分析是相吻合的，因此控制策略是合理的。

分析圖8的仿真結(jié)果，由圖8（a）可知，動力電池SOC在前一段處于上升階段，因為設(shè)定的SOC低值為20%，所以取初值為20%的時候，汽車在前一段處于串聯(lián)驅(qū)動模式。緊接著電池的SOC值開始下降，可知汽車又出現(xiàn)了ISG輔助前輪驅(qū)動模式，這個結(jié)果與理論分析吻合。電池SOC在不斷變化的過程中，有些時間段出現(xiàn)SOC小幅度升高的現(xiàn)象，這是再生制動的結(jié)果。再結(jié)合圖8（b）、（c）、（d）動力部件的工作情況也可以體現(xiàn)出與電池SOC變化反映出的工作模式相對應(yīng)的結(jié)果。汽車在SOC初值比較低的一個NEDC循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)了串聯(lián)驅(qū)動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、ISG輔助前輪驅(qū)動模式、再生制動模式以及機械制動模式，這與理論分析也是吻合的。

綜合以上的理論分析與仿真結(jié)果分析可知，本文制定的控制策略是有效的、合理的。

4 結(jié)論

本文介紹了某款在研插電式四驅(qū)混合動力轎車的基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了其在各種工況下的工作模式以及各個工作模式之間的相互跳轉(zhuǎn)，并且以此為依據(jù)搭建了基于邏輯門限值的控制策略。采用Simulink/Stateflow搭建控制策略的核心狀態(tài)流圖，并詳細(xì)標(biāo)明了各種狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)條件。然后使用Cruise軟件對此混合動力轎車的動力性能及經(jīng)濟性能進行了仿真。最后根據(jù)仿真得到的各主要動力部件的工作狀態(tài)以及能量消耗，從理論上以及實際上對仿真結(jié)果進行了評價。仿真結(jié)果表明，本文研究的插電式四驅(qū)混合動力轎車不僅達到了動力性和經(jīng)濟性等各項指標(biāo)的要求，而且在NEDC工況下仿真，主要動力部件是按照制定的控制策略來工作的，并且實現(xiàn)了各種工作模式的轉(zhuǎn)換。因此，制定的控制策略是有效的、可行的。

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