混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略研究

王慧晶，王 磊，高 強(qiáng)，邴 建

(北京汽車(chē)研究總院有限公司，北京，101300)

混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略包括整車(chē)控制策略及換擋控制策略兩方面內(nèi)容.

優(yōu)化的整車(chē)控制策略可合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)需求扭矩，提高整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性.混合動(dòng)力汽車(chē)轉(zhuǎn)矩分配策略主要分為4類(lèi)［1］:基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略;瞬時(shí)優(yōu)化控制策略;智能控制策略和全局最優(yōu)控制策略.文中采用工程上易于實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用較多的基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略.

以中度混合動(dòng)力為研究對(duì)象，通過(guò)建立整車(chē)正向仿真模型，對(duì)基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略和操縱換擋控制策略進(jìn)行驗(yàn)證分析.

1 正向仿真模型

在某前置后驅(qū)傳統(tǒng)汽油車(chē)基礎(chǔ)上改制混合動(dòng)力汽車(chē)，混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置由模式離合器、電機(jī)及其控制器、變速器等組成，屬于單離合器的中度混合動(dòng)力系統(tǒng)［2］，見(jiàn)圖1.其中，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、排量適中、動(dòng)力性好、安全性高;電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、低速大轉(zhuǎn)矩、有較寬范圍的恒功率特性;模式離合器采用自動(dòng)干式離合器，減小了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸和成本，可按要求實(shí)現(xiàn)不同模式的切換;變速器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能.整車(chē)控制器為系統(tǒng)核心，可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制.

圖1 混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置圖

在MATLAB/Simulink中，按照模塊化和前向仿真的建模思路搭建混合動(dòng)力汽車(chē)仿真模型平臺(tái)，包括預(yù)設(shè)置、駕駛員、控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、整車(chē)、結(jié)果顯示等模塊，見(jiàn)圖2.

圖2 混合動(dòng)力汽車(chē)仿真模型平臺(tái)

其中，預(yù)設(shè)的模型參數(shù)通過(guò)M文件儲(chǔ)存并導(dǎo)入到模型中;駕駛員模塊加載循環(huán)工況，將工況速度與仿真車(chē)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后輸出加速踏板、制動(dòng)踏板和擋位信號(hào);發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)模型采用實(shí)驗(yàn)建模法，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立查表性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型［3］;整車(chē)動(dòng)力學(xué)模塊接收動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩并作用于車(chē)輪，減去滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力并考慮加速阻力得到車(chē)輛的車(chē)速;動(dòng)力電池模型采用基于HPPC脈沖實(shí)驗(yàn)得到的PNGV模型［4］;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊以離合器、變速器、主減速器為主，為驅(qū)動(dòng)車(chē)輛扭矩輸入到動(dòng)力總成扭矩輸出的傳動(dòng)部件集合;控制模塊由stateflow實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制算法［5］.

2 整車(chē)控制策略

整車(chē)控制策略選擇基于規(guī)則的邏輯門(mén)限控制策略，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)效率曲線圖，選定整車(chē)轉(zhuǎn)矩需求、電池SOC、車(chē)速等控制變量，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判定并選擇混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起填峰削谷的作用，提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性.

混合動(dòng)力模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在預(yù)先設(shè)定的某一區(qū)域內(nèi)，如圖3所示的Te_max和Te_min之間的區(qū)域.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩低于Te_min時(shí)，增大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，抬升工作點(diǎn)到優(yōu)化工作區(qū)內(nèi)，富余的轉(zhuǎn)矩用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩在Te_max和Te_min之間時(shí)，判定電池SOC狀態(tài)，如果SOC較高，則處于純發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，如果電池SOC低于下限值，則提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，提供一定的富余轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，如果電池SOC在上下限之間，同時(shí)，需求轉(zhuǎn)矩低于最優(yōu)工作點(diǎn)，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作曲線Te_optimal上;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩大于Te_max時(shí)，優(yōu)先考慮電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行輔助，只有當(dāng)電機(jī)不能提供足夠的助力轉(zhuǎn)矩時(shí)，才進(jìn)一步增大發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出.

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化工作區(qū)域

整車(chē)控制流程圖如圖4所示，通過(guò)判斷整車(chē)信號(hào)和需求，進(jìn)行整車(chē)運(yùn)行模式切換.其中Treq為整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩; SOC為電池荷電荷態(tài);Z為制動(dòng)強(qiáng)度.

為了方便對(duì)比球面、 柱面和平面RT不穩(wěn)定性諧波幅值的演化, 我們選取特征量重力加速度g和擾動(dòng)波長(zhǎng)λ對(duì)諧波幅值和時(shí)間進(jìn)行無(wú)量綱處理. 在下列諧波幅值演化曲線圖中, 球面RT不穩(wěn)定性中的諧波幅值統(tǒng)一用實(shí)線表示, 柱面RT不穩(wěn)定性諧波幅值用短線表示, 平面RT不穩(wěn)定性諧波幅值用帶點(diǎn)的短線表示. 3種RT不穩(wěn)定性中, 如果沒(méi)有特殊說(shuō)明, 初始擾動(dòng)的幅值均為0.001λ.

圖4 整車(chē)控制流程圖

3 換擋控制策略

換擋規(guī)律是各排擋之間換擋時(shí)刻隨控制參數(shù)變化的規(guī)律.根據(jù)駕駛員意圖并結(jié)合當(dāng)前的工況和路況，以及發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變速器的工作狀態(tài)，對(duì)踏板、電機(jī)、變速器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)擋位的平穩(wěn)切換.

換擋控制需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)協(xié)調(diào)控制.換擋時(shí)間的減小不受發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的限制，其長(zhǎng)短主要與電機(jī)的調(diào)速時(shí)間有關(guān)，而電機(jī)的調(diào)速性能明顯優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)，因此換擋時(shí)間將進(jìn)一步減小.

換擋流程如下:

(1)摘檔前的轉(zhuǎn)矩控制:控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為零，根據(jù)此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，查發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖得到發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度.使電機(jī)處于發(fā)電工況，發(fā)出負(fù)轉(zhuǎn)矩，控制變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速為零.

(2)摘檔，選擋:當(dāng)變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，摘檔;

(3)電機(jī)主動(dòng)同步過(guò)程:電機(jī)根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速.當(dāng)同步器主、從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速相等時(shí)，同步過(guò)程結(jié)束.此后，為保證順利掛檔，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;

(4)換擋:即當(dāng)同步器主、從部分轉(zhuǎn)速相等且發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)合成輸出轉(zhuǎn)矩為零時(shí)掛擋;

(5)恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩:將電機(jī)切換為驅(qū)動(dòng)工況，調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩使其滿足駕駛員給定的目標(biāo)值，完成換擋過(guò)程.

換擋規(guī)律在保證動(dòng)力性的前提下，根據(jù)各擋位的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，考慮減少換擋次數(shù)和燃油經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)原則如下:

(1)考慮動(dòng)力性和廢氣排放，各節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的升擋點(diǎn)設(shè)計(jì)在較高的車(chē)速.節(jié)氣門(mén)開(kāi)度小時(shí)，升擋點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋;

(2)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)和中等開(kāi)度時(shí)，降擋速差大，可減少換擋次數(shù)，提高變速箱的使用耐久性;

(3)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度85～90%時(shí)設(shè)置強(qiáng)制降擋，可提前進(jìn)入低檔，提高了降擋后的發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速;

(4)合理使用超速檔.大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度 (85%以上)時(shí)，為不使動(dòng)力性能變壞，不得升入超速檔;小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度 (小于25%)時(shí)，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)而使排放增加，將換擋車(chē)速設(shè)計(jì)的高些;其余中等節(jié)氣門(mén)開(kāi)度范圍，可使超速檔節(jié)省燃料的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮.

根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)帶強(qiáng)制降低擋的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，降擋速差隨油門(mén)開(kāi)度增大而增大，可實(shí)現(xiàn)干預(yù)換擋，有利于減少換擋次數(shù)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性.換擋規(guī)律如圖5，其中實(shí)線為升擋曲線，虛線為降擋曲線.

圖5 經(jīng)濟(jì)性換擋曲線

4 仿真分析

運(yùn)行市區(qū)、市郊、NEDC工況和典型中國(guó)城市工況對(duì)所建混動(dòng)模型和設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行仿真分析，所得混合動(dòng)力各工況油耗和傳統(tǒng)車(chē)NEDC油耗結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 各工況下油耗結(jié)果

可以看出，在NEDC工況下，混合動(dòng)力汽車(chē)油耗較傳統(tǒng)車(chē)油耗節(jié)約23.4%，其中市區(qū)工況節(jié)油效果較為明顯，達(dá)到了32.6%.說(shuō)明市區(qū)頻繁怠速停機(jī)和制動(dòng)能量回收的利用節(jié)油潛力較大，符合混合動(dòng)力節(jié)油機(jī)制.

電池SOC運(yùn)行變化見(jiàn)圖6，可知無(wú)論設(shè)置初始SOC高或低，最終均可穩(wěn)定在0.6處，符合整車(chē)和電池的控制和保護(hù)要求.

圖6 電池SOC運(yùn)行圖

由以上仿真結(jié)果可以看出，應(yīng)用整車(chē)控制策略和換擋控制策略后，混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)油效果明顯，SOC能穩(wěn)定在合理區(qū)域，驗(yàn)證了模型和控制策略的正確性，滿足整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的控制要求.

5 結(jié)論

在研究機(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上，搭建了整車(chē)正向仿真模型，提出了基于規(guī)則的邏輯門(mén)限整車(chē)控制策略和經(jīng)濟(jì)性換擋控制策略.

由仿真結(jié)果可知，應(yīng)用整車(chē)和換擋控制策略后驗(yàn)證了模型和控制策略的正確性，滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的控制要求.仿真減少了實(shí)車(chē)測(cè)試的成本和周期，為后續(xù)的硬件在環(huán)、臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ).

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