并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)模式切換協(xié)調(diào)控制研究綜述

張勝根，李軍

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400041）

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)模式切換協(xié)調(diào)控制研究綜述

張勝根，李軍

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400041）

混合動(dòng)力汽車逐漸成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，并已經(jīng)在市場(chǎng)上取得了突破性的進(jìn)展?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)中兩動(dòng)力源需要根據(jù)行駛路況進(jìn)行能量管理和驅(qū)動(dòng)模式的切換。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的不同，單獨(dú)按照各自的特性進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)矩控制，來(lái)達(dá)到總的需求轉(zhuǎn)矩，但這樣會(huì)導(dǎo)致整車運(yùn)行模式切換過(guò)程中動(dòng)力中斷或出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)現(xiàn)象。本文主要研究運(yùn)行模式切換過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，目的是避免電機(jī)突增負(fù)載造成的震蕩，希望在模式切換過(guò)渡過(guò)程中擁有足夠的動(dòng)力來(lái)保持整車快速、平穩(wěn)行駛。

混合動(dòng)力汽車；驅(qū)動(dòng)模式；切換；協(xié)調(diào)控制

CLC NO.:U469.7Document Code:BArticle ID:1671-7988(2015)07-139-05

引言

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車在工作過(guò)程中，存在純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、行車充電、能量回饋等多種工作模式，所以整車的狀態(tài)切換過(guò)程有多種。如從發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切換到純電動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)，從純電動(dòng)切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)，從混合驅(qū)動(dòng)切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等。不同的切換過(guò)程，其動(dòng)力學(xué)原理是基本類似的。根據(jù)駕駛員的需求或?qū)嶋H工況，整車控制器選擇在適合于當(dāng)前工況的一種模式下工作。當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，整車的工作模式也跟著變化，即整車需要進(jìn)行不同工作模式之間的狀態(tài)切換。狀態(tài)切換過(guò)程是一個(gè)短暫的動(dòng)態(tài)過(guò)程如果不對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，整車的平順性和舒適性將會(huì)受到較大影響[1-2]。

1、并聯(lián)混合動(dòng)力基本運(yùn)行模式分析

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車中由于存在兩種動(dòng)力源（發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)），其中，電機(jī)又兼有驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)的功能，并與車輛其他部件的功能進(jìn)行結(jié)合，會(huì)排列出多種運(yùn)行模式，為了清晰明了，本文根據(jù)研究目的和實(shí)際情況，及考慮到以下情形，列出了表1中整車驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)各種運(yùn)行模式。

表1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車各運(yùn)行模式

說(shuō)明:

1）由于倒車屬于特殊情況，與本文研究對(duì)象無(wú)直接關(guān)系，所以在此不做研究。

2）由于本文控制策略所基于的樣本中，車輛的助力轉(zhuǎn)向，制動(dòng)系的氣壓裝置及空調(diào)等其他動(dòng)力源仍是發(fā)動(dòng)機(jī)，在純電動(dòng)等模式并不需要發(fā)動(dòng)機(jī)參與時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速并不關(guān)閉，所以不存在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)節(jié)而以發(fā)動(dòng)機(jī)怠速環(huán)節(jié)代替。

3）電動(dòng)機(jī)起步與發(fā)動(dòng)機(jī)起步分別并入電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式中，所以，不單獨(dú)設(shè)立電動(dòng)機(jī)起步與發(fā)動(dòng)機(jī)起步模式。

以上不同模式之間在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的轉(zhuǎn)換是由整車控制策略實(shí)時(shí)決定，在運(yùn)行之初，首先判斷駕駛員是否有換擋需求或是否正在換擋，如果有則換擋優(yōu)先，直至換擋完畢，進(jìn)而判斷車輛是否處于靜止或前進(jìn)，若靜止則進(jìn)行啟動(dòng)前相應(yīng)準(zhǔn)備，如果判斷處于前進(jìn)狀態(tài)，則進(jìn)而檢測(cè)制動(dòng)踏板、加速踏板、駕駛員需求轉(zhuǎn)矩、蓄電池SOC等信號(hào)，進(jìn)入相應(yīng)工作模式。整車在實(shí)際行駛過(guò)程中，不能同一個(gè)模式一直運(yùn)行，會(huì)在不同模式間相互切換，因此，需對(duì)模式間的切換過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

2、混合動(dòng)力汽車模式切換過(guò)程協(xié)調(diào)控制問(wèn)題

混合動(dòng)力汽車的控制系統(tǒng)，具有分層次的控制結(jié)構(gòu)。上層（組織級(jí)）控制模塊，在監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)和道路情況、識(shí)別和判斷駕駛員意愿的基礎(chǔ)上，決策動(dòng)力系統(tǒng)工作模式、根據(jù)功率需求進(jìn)行動(dòng)力源的功率分配；中層（協(xié)調(diào)級(jí)）控制模塊在需要進(jìn)行工作模式切換時(shí)，負(fù)責(zé)多動(dòng)力源與傳動(dòng)系統(tǒng)零部件之間的動(dòng)態(tài)扭矩和轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制；下層（執(zhí)行級(jí)）控制模塊，負(fù)責(zé)混合動(dòng)力系統(tǒng)各部件（柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)等）以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力（扭矩）控制。

在混合動(dòng)力汽車的控制領(lǐng)域，對(duì)屬于上層（組織級(jí)）控制功能的能量管理策略方面，可查詢到大量的學(xué)術(shù)論文，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于能量管理策略的多方面研究，一些研究成果已運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品中。發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)屬于混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部件，二者的控制問(wèn)題屬于混合動(dòng)力系統(tǒng)的執(zhí)行級(jí)的控制范疇，其控制理論與技術(shù)方面的研究已比較成熟。

相對(duì)而言，針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)調(diào)級(jí)的動(dòng)態(tài)控制理論、算法和技術(shù)方面的研究，還比較薄弱。對(duì)于采用AMT變速箱的單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制涉及到模式切換扭矩協(xié)調(diào)的問(wèn)題，其協(xié)調(diào)控制內(nèi)容更為復(fù)雜。對(duì)該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制方法的研究，既有學(xué)術(shù)價(jià)值，也有工程應(yīng)用價(jià)值。

3、動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題的提出

在混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式切換過(guò)程中，為了使車輛行駛平穩(wěn)，系統(tǒng)輸出扭矩必須保持穩(wěn)定，不能出現(xiàn)扭矩突變。但是發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)與電動(dòng)機(jī)相比較慢。因此當(dāng)工作模式切換發(fā)生時(shí)，需要協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換部件（發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)）的輸出扭矩，兩者之間的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制是研究的首要目標(biāo)。以動(dòng)力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的扭矩為控制參數(shù)，通過(guò)扭矩估計(jì)和扭矩動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)模式切換過(guò)程的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制。

4、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外最早將混合動(dòng)力汽車推入市場(chǎng)的是日本的豐田公司。1997年，第一款量產(chǎn)混合動(dòng)力車PRUIS由豐田推入日本市場(chǎng)，當(dāng)年售出18000輛[3]。豐田公司的混合動(dòng)力系統(tǒng)采用獨(dú)特的行星齒輪結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了模式切換過(guò)程中的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問(wèn)題。如圖1.2所示，動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)和減速齒輪等組成[4]。動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)為行星齒輪機(jī)構(gòu)，太陽(yáng)輪、齒圈和行星架分別與發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，同時(shí)齒圈還與減速齒輪嚙合。由于齒輪機(jī)構(gòu)為二自由度的機(jī)構(gòu)，因此只要行星架、太陽(yáng)輪和齒輪中任意兩個(gè)的轉(zhuǎn)速或者扭矩確定，那么第三個(gè)的轉(zhuǎn)速和扭矩也就固定下來(lái)，這是豐田PRUIS系統(tǒng)可以解決模式切換過(guò)程中動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵所在[5]。

豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)很好地解決了動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，其最核心的技術(shù)是利用了精心設(shè)計(jì)的動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的反饋，從而保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｈ欢渌愋筒痪邆鋭?dòng)力分配機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)是不可能用類似的方法獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的，必須探索新的方法解決動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。因此，豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)解決動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題的方法具有特殊性，而不具有普遍性。對(duì)于本文所研究的具有普遍意義的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，豐田混合動(dòng)力的控制方法并不能直接適用，但是，該方法中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩反饋和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制等具體方法卻為本文的研究工作提供了很有價(jià)值的參考。

在混合動(dòng)力汽車模式切換控制方面，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué) Kerem Koprubasi 等[6]將混合動(dòng)力汽車的模式切換視為混雜系統(tǒng)的切換控制問(wèn)題，將混合動(dòng)力汽車的工作模式劃分為不同子域并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器，進(jìn)行了從純電動(dòng)切換至混合驅(qū)動(dòng)的仿真分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于混雜系統(tǒng)的切換控制能有效減小模式切換過(guò)程對(duì)車輛產(chǎn)生的沖擊。

Kazunari Moriya等[7-8]針對(duì)豐田普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)，利用行星齒輪兩自由度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有轉(zhuǎn)矩成比例的特點(diǎn)，通過(guò)可測(cè)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，很好地解決了模式切換之間的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。

R.beck 等[9]對(duì)一種雙電機(jī)單離合器的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車從純電動(dòng)切換至混合驅(qū)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡問(wèn)題進(jìn)行了研究，建立了并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)該模式切換過(guò)程提出了模型預(yù)測(cè)控制的方法。仿真結(jié)果表明該控制方法能有效保證模式切換過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡。

Sangjoon Kim 等[10]針對(duì)一種并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，為了提高 EV/HEV 之間模式切換性能，提出了三種離合器接合壓力控制方法，制定了模式切換過(guò)程中的協(xié)調(diào)控制規(guī)則，根據(jù)仿真結(jié)果確定了在不同驅(qū)動(dòng)條件下的最優(yōu)離合器壓力控制方法。

Anthony Smith,Yongsheng He 等[11-12]對(duì)單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車純電動(dòng)行進(jìn)中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，提出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩與離合器恒定壓力控制相結(jié)合的閉環(huán)控制策略，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)證明了控制策略的有效性。

美國(guó)西南研究院對(duì)除豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)以外的混合動(dòng)力系統(tǒng)(并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng))中的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。A.Nedungadi 等人[13]針對(duì)等速工況下狀態(tài)切換對(duì)混合動(dòng)力汽車駕駛性能的影響進(jìn)行了研究，圖2是切換過(guò)程時(shí)的車速軌跡曲線，汽車車速在 40 s 時(shí)加速至40 mph，并保持 80 s，然后在 20 s 內(nèi)減至 0。將車速保持在 40 mph，進(jìn)行人工干預(yù)的切換過(guò)程:A) 第 45 s 時(shí)從充電狀態(tài)切換至發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同工作的狀態(tài)；B) 第 65 s 從共同工作狀態(tài)切換至純電動(dòng)狀態(tài)；C) 第 95 s 從純電動(dòng)狀態(tài)切換至共同工作狀態(tài)。

研究結(jié)果表明，如果車速變化幅度不超過(guò) 2 mph，駕駛員是感覺不到狀態(tài)切換的。圖 2是切換過(guò)程中差速器前轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的曲線，40 s 以前由于汽車處于加速過(guò)程中，為克服飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量使得轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)(駕駛員模型的增益也未優(yōu)化)。A、B、C 三處分別是上述三個(gè)切換過(guò)程造成的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同工作的狀態(tài)切換至純電動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩變化幅度最小，而從純電動(dòng)狀態(tài)切換至發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同工作的狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩變化幅度最大。雖然短時(shí)間較大幅度的轉(zhuǎn)矩變化并沒(méi)有導(dǎo)致速度的大幅度變化，但美國(guó)通用汽車公司的 Hubbard 等人[14]指出，汽車駕駛舒適性要求汽車在加速或者由于振動(dòng)沖擊造成的車速的加速度變化不能超過(guò) 0.3 m/s2，而且，較大幅度的轉(zhuǎn)矩變化也會(huì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)部件造成沖擊和振動(dòng)，因此，圖2(a)和圖2(b)的狀態(tài)切換的控制仍需進(jìn)一步優(yōu)化。A. Nedungadi 等人的研究工作雖然已經(jīng)涉及了對(duì)其他類型混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題的研究，但只是描述了當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)的車速變化和差速器前的轉(zhuǎn)矩變化的過(guò)程，指出了動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的所要達(dá)到的目標(biāo)，并沒(méi)有透露具體的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制方法以及控制方法改進(jìn)的方向。因此，A.Nedungadi 等人的研究工作對(duì)本文中如何開發(fā)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法并沒(méi)有直接的參考價(jià)值。但是，研究工作中所采用的試驗(yàn)方法和提出的車速波動(dòng)幅度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及 Hubbard 等人指出的加速度的變化指標(biāo)都為本文在對(duì)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)提供了參考。

童毅等[15-16]針對(duì)離合器結(jié)合變速器在擋的情況，提出了基于模型匹配控制的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制方法，開發(fā)出雙驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)。采用“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”控制算法對(duì)典型的模式切換問(wèn)題完成了理論分析、算法開發(fā)、仿真研究和臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法有效地減小了輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。其動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法基本算法示意圖如圖3所示。

張娜等[17]提出基于電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的混合動(dòng)力汽車模式切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，減小了混合動(dòng)力汽車模式切換過(guò)程中的沖擊，提高了混合動(dòng)力汽車的平順性。

錢立軍等[18]采用自適應(yīng)模糊 PID 算法，建立了駕駛員模型。使用基于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最優(yōu)的能量管理控制策略，簡(jiǎn)述了驅(qū)動(dòng)模式判別條件及轉(zhuǎn)矩分配方法。提出 1 種“發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+離合器模糊 PID控制+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩查表+雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制”轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法，簡(jiǎn)述了模式切換步驟。在 dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)上對(duì)控制策略進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真。仿真結(jié)果表明，該控制策略在能量管理方面控制效果良好，動(dòng)力部件的輸出與控制策略完全吻合且平均車速誤差下降 37.1%。引入轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)之后，整車最大沖擊度下降 47.5%。

倪成群等[19]對(duì)一種單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力切換進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了從純電動(dòng)模式到純發(fā)動(dòng)機(jī)模式和混合驅(qū)動(dòng)模式的切換過(guò)程，在離合器結(jié)合之前和結(jié)合過(guò)程中，采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模糊比例積分微分閉環(huán)控制跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在離合器結(jié)合后，利用電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

朱軍等[20]對(duì)轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行了研究，判斷運(yùn)行模式在確定當(dāng)前需求轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)矩限制且可用轉(zhuǎn)矩滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩需求的情況下，將電動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩確定為電動(dòng)機(jī)最終目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)控制器收到信號(hào)后采用當(dāng)前混合動(dòng)力模式的第1、2轉(zhuǎn)矩變化率逐步提升電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩至目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，這種控制方法避免了模式切換時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)矩階躍式升高或降低。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)目前相關(guān)研究具有以下特點(diǎn):

1) 從協(xié)調(diào)控制策略看，多數(shù)研究利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制的方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制。

2) 從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩參數(shù)實(shí)時(shí)獲取方式看，目前主要有以下方法:①發(fā)動(dòng)機(jī)直接提供實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù);②根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的MAP圖標(biāo)定法;③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、平均值模型等模型估計(jì)法；④曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)離子電流等信號(hào)檢測(cè)分析法。方法①對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有要求，通用性差;方法②簡(jiǎn)單易行，但精度和適應(yīng)性較差；方法③中平均值模型在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)大負(fù)荷情況下估計(jì)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大偏差，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計(jì)精度較好但適應(yīng)性不佳，如果通過(guò)在線的實(shí)時(shí)訓(xùn)練來(lái)更新網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，所需要的硬件資源將會(huì)很高;方法比較復(fù)雜，對(duì)硬件要求較高。方法④使用電子信號(hào)檢測(cè)實(shí)時(shí)參數(shù)，由于電子信號(hào)較好的瞬時(shí)性，能夠獲得精確度高的目標(biāo)檢測(cè)量，但缸內(nèi)離子電流對(duì)檢測(cè)設(shè)備的要求較高，試驗(yàn)成本會(huì)大大增加。

3) 從車輛動(dòng)力學(xué)建模工具看，很多研究采用了Matlab/Simulink軟件，其中很多對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行了簡(jiǎn)化，例如，文獻(xiàn)[19]對(duì)蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)做了相應(yīng)簡(jiǎn)化。也有采用了AVL/Cruis、AMESim軟件建模仿真的，采用這類軟件可以大大簡(jiǎn)化建模工作。

4) 從試驗(yàn)方法來(lái)看，絕大多數(shù)研究采用了離線仿真的方法，少數(shù)采用了硬件在環(huán)仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，極少數(shù)進(jìn)行了整車試驗(yàn)。

5、混合動(dòng)力切換協(xié)調(diào)控制關(guān)鍵技術(shù)

為了解決協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，需要研究并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)切換時(shí)的系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)理，確定相應(yīng)的控制策略，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，并推導(dǎo)系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷依據(jù)。目前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1) 并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力切換的瞬態(tài)特性與整車動(dòng)力學(xué)建模。研究發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電動(dòng)機(jī)、離合器等總成在不同使用工況下的特性，分別建立其反映動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)力學(xué)模型。建立轉(zhuǎn)矩模型觀測(cè)器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)變化特性模型；研究電池特性和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性；分析離合器接合特性;研究并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車各動(dòng)力源動(dòng)力輸出的相互關(guān)系，建立整車動(dòng)力學(xué)模型，研究發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)聯(lián)合作用的耦合規(guī)律。

2) 基于模型預(yù)測(cè)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制。分析駕駛意圖，動(dòng)力切換穩(wěn)定時(shí)間和行駛工況信息等因素對(duì)動(dòng)力切換的瞬態(tài)穩(wěn)定性的影響，利用動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性控制參數(shù)補(bǔ)償汽車行駛中不確定因素引起的頻繁切換，保證汽車動(dòng)力切換的穩(wěn)定。

3) 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的試驗(yàn)研究。仿真研究得出的結(jié)論距整車實(shí)驗(yàn)有一定差距，通過(guò)搭建硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)際系統(tǒng)，進(jìn)行并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換控制的硬件在環(huán)仿真研究，能夠協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的控制策略和性能指標(biāo)，從而可以驗(yàn)證和修正典型狀態(tài)切換的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法，而臺(tái)架試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)是該項(xiàng)研究真正實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。

4) 并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力切換時(shí)的瞬態(tài)穩(wěn)定性。為了決策出最佳的動(dòng)力模式切換，既要考慮當(dāng)前行駛工況所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力模式(屬于離散變量)，也要考慮當(dāng)前模式下動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的連續(xù)變量狀態(tài)值(如汽車車速，安全車距等)。一旦準(zhǔn)備切換到新的工作模式，又必須考慮工作模式切換所造成的連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。建立汽車不同動(dòng)力模式切換的統(tǒng)一混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。明確各狀態(tài)的邊界和約束條件，建立動(dòng)力切換系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)的李雅普諾夫函數(shù)。

6、結(jié)論

建立合理準(zhǔn)確的部件模型和整車動(dòng)力學(xué)模型可正確反映部件的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)特性，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為試驗(yàn)研究積累基礎(chǔ)。試驗(yàn)研究初期利用軟件離線仿真可以初步測(cè)試控制策略的效果，利用硬件在環(huán)仿真可以方便地對(duì)控制器的功能進(jìn)行檢驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)從零部件到整車的各種試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程易于操控，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下整車試驗(yàn)?zāi)軌蚪o動(dòng)力系統(tǒng)施加真實(shí)的道路負(fù)載，準(zhǔn)確反映動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際性能。動(dòng)力切換的協(xié)調(diào)控制能夠防止混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力切換時(shí)可能發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩突變問(wèn)題，提高動(dòng)力傳遞的平順性。分析動(dòng)力切換控制過(guò)程的穩(wěn)定性，確保協(xié)調(diào)控制方法具有很好的自適應(yīng)性和容錯(cuò)能力，才能為協(xié)調(diào)控制策略的真正應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Reviewe of parallel hybrid electric vehicle drive mode switches coordination control study

Zheng Shenggen, Li Jun
( School of electrical and mechanical and automotive engineering Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074 )

Hybrid electric vehicles are becoming the trend of the development of the automotive industry, and have achieved a breakthrough in the market. In hybrid system, the two sources of power need to switch energy management and drive mode according to the driving traffic. Owing to the different dynamic response characteristics of the engine and the motor, using the target torque to control the total demand torque according to their respective characteristics, this may lead to the power interruption and the torque oscillation in the process of vehicle running mode switching. This paper studies the dynamic coordination control of the output torque of the engine and the motor in the process of operation mode switch, the purpose is to avoid electrical shock caused by the exploding load, hoping to keep the vehicle running smoothly and fast comfort in the process of mode switching transition.

hybrid electric vehicles; drive mode; switch; coordination control

U469.7

B

1671-7988(2015)07-139-05

張勝根，就讀于重慶交通大學(xué),機(jī)電與汽車工程學(xué)院。