并聯(lián)混合動力汽車BSG控制策略研究＊

宋大鳳 高福旺 曾小華 陳慧勇, 王印束

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450061）

主題詞：并聯(lián)混合動力汽車 皮帶傳動起動/發(fā)電一體化電機 調(diào)速控制 穩(wěn)定發(fā)電 控制策略

1 前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，發(fā)展新能源汽車成為各國政府和企業(yè)的重點方向[1-3]?；旌蟿恿ζ囈蚱渚哂泄?jié)能潛力大、對電池要求低等優(yōu)勢成為過渡時期的最佳選擇[4]。其中，并聯(lián)混合動力汽車（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV）避免了串聯(lián)構(gòu)型能量二次轉(zhuǎn)換、綜合效率較低的缺陷，且相比混聯(lián)式構(gòu)型結(jié)構(gòu)更加簡單，易于控制。

混合動力汽車由于多動力源的存在，可以發(fā)揮出更佳的動力性，在車輛起步階段合理協(xié)調(diào)各動力源可以縮短車輛起步時間，提高車輛加速品質(zhì)；同時，在行駛過程中回收制動能量可以保證電池SOC平衡，提高整車的經(jīng)濟性，這都需要合理的控制策略來協(xié)調(diào)各動力源。

國內(nèi)針對BSG起動發(fā)動機及發(fā)電開展了很多研究：合肥工業(yè)大學(xué)的徐立強[5]等人建立了BSG驅(qū)動仿真模型，并開展了起動助力、加速助力和能量回收等試驗；葉先君[6]等人對比了有無BSG參與下車輛的動力性、經(jīng)濟性；鄒小松[7]等人根據(jù)NEDC工況，利用ECU采集數(shù)據(jù)設(shè)計BSG起動、發(fā)電控制策略。

國內(nèi)針對BSG的研究著眼于部件的實車測試和基于理論工況的BSG控制研究，而沒有系統(tǒng)地提出適用于全工況的BSG控制算法。為解決該問題，本文在某配備起動發(fā)電一體機（Integrated Starter and Generator，ISG）的P2構(gòu)型并聯(lián)混合動力汽車上增加BSG，并基于BSG的功能和性能要求，開展了電機及皮帶輪的參數(shù)匹配設(shè)計，基于MATLAB/Simulink平臺建立了兩段式起動調(diào)速控制策略和穩(wěn)態(tài)發(fā)電控制策略，以期提高整車動力性能，并搭建試驗樣車開展了道路試驗驗證。

2 動力系統(tǒng)

2.1 車輛構(gòu)型

本文在某P2+CVT構(gòu)型的并聯(lián)混合動力汽車基礎(chǔ)上提出增加BSG實現(xiàn)P0+P2構(gòu)型的方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示，以實現(xiàn)快速起停和低速發(fā)電功能。原并聯(lián)混合動力汽車的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 車輛動力系統(tǒng)構(gòu)型

表1 整車參數(shù)

在該構(gòu)型中，BSG的主要功能是起動發(fā)動機輔助調(diào)速和小功率發(fā)電。BSG通過皮帶與發(fā)動機曲軸前端相連，與發(fā)動機構(gòu)成BSG-發(fā)動機起動發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)BSG起停條件使能時，電機快速響應(yīng)，通過皮帶傳動輔助發(fā)動機快速提速，加快起動調(diào)速過程，快速完成同步，使離合器更快接合，從而提高車輛動力性；當(dāng)BSG發(fā)電條件使能時，通過BSG與發(fā)動機間的目標(biāo)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩配合控制，發(fā)動機機械能經(jīng)皮帶傳遞至BSG，電機工作在發(fā)電模式為電池充電或為ISG供電，可輔助維持電池SOC穩(wěn)定，增加純電行駛里程，提高整車經(jīng)濟性。

2.2 BSG及皮帶輪參數(shù)匹配

為實現(xiàn)BSG的選型，需要匹配計算獲得電機峰值功率、額定功率、最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)，同時需要計算皮帶輪速比。皮帶輪速比主要對BSG起到減速增扭的作用，并不改變系統(tǒng)功率等級[8]，故匹配計算時可先將BSG與帶輪視為整體，即暫時按速比為1進行電機參數(shù)匹配，待計算完成后再根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩選取合適的帶輪速比。

結(jié)合功能需求確定BSG參數(shù)匹配計算的原則為：起動發(fā)動機時BSG工作于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，以減小其轉(zhuǎn)矩能力要求；BSG基速點不小于發(fā)動機起動目標(biāo)轉(zhuǎn)速；BSG最高轉(zhuǎn)速不小于發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速；BSG峰值功率滿足起動發(fā)動機的功率需求。

根據(jù)以上匹配計算原則，BSG起動發(fā)動機時，其轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

式中，Tm_bsg為BSG峰值轉(zhuǎn)矩；Ie為發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動慣量；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Tef為BSG拖動發(fā)動機起動時的阻力矩。

為提高并聯(lián)系統(tǒng)起動速度，設(shè)定BSG在0.3 s內(nèi)將發(fā)動機提速至1 200 r/min，按照恒角加速度計算得到的需求轉(zhuǎn)矩為61 N·m，即BSG的峰值扭矩不低于61 N·m。

在將帶輪傳動速比與BSG統(tǒng)一考慮的前提下，BSG轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足：最高轉(zhuǎn)速不低于發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速；額定轉(zhuǎn)速不小于發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速；根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電需求，BSG的高效區(qū)應(yīng)與發(fā)動機高效區(qū)相匹配，以提高發(fā)電效率；最高轉(zhuǎn)速與基速的比值不能過大，一般在2～4范圍內(nèi)，即當(dāng)電機處于最高轉(zhuǎn)速時，BSG額定轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于1 500 r/min。

依據(jù)上述限定條件，暫定BSG的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，結(jié)合峰值扭矩要求，計算可得BSG的峰值需求功率為13 kW。

上述匹配過程將帶輪速比考慮在電機內(nèi)部，而實際情況下帶輪速比會導(dǎo)致BSG的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工作點移動[9]，如圖2所示。隨著帶輪速比逐漸增大，BSG轉(zhuǎn)矩需求減小，但其最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速需求均有所提高。

圖2 帶輪速比對BSG轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的影響

結(jié)合當(dāng)前市場上已有產(chǎn)品，選擇的帶輪速比為1.5。BSG的參數(shù)匹配結(jié)果如表2所示。

表2 BSG參數(shù)初定

3 行駛模式

混合動力汽車是融合了機、電驅(qū)動系統(tǒng)于一體的復(fù)雜非線性動態(tài)系統(tǒng)，需實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)控制，并優(yōu)化能量傳遞路徑、提高系統(tǒng)效率。

本文所研究的并聯(lián)混合動力SUV可實現(xiàn)12種主要行駛模式，如表3所示。

表3 各模式的動力系統(tǒng)主要部件穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)

在模式切換的動態(tài)過程中，需參考前一模式的部件狀態(tài)進行過渡過程協(xié)調(diào)控制。例如，在聯(lián)合驅(qū)動模式突然松開油門踏板，車輛將立即進入滑行制動模式。此時應(yīng)首先控制發(fā)動機負(fù)荷使其迅速減小，待轉(zhuǎn)矩清空后斷開離合器，并適時關(guān)閉發(fā)動機，以保證縱向沖擊較小。同理，在BSG發(fā)電過程中若車輛進入其他無需發(fā)動機參與的驅(qū)動、制動模式，BSG-發(fā)動機系統(tǒng)仍需繼續(xù)維持穩(wěn)定發(fā)電，以確保電池SOC穩(wěn)定在合理范圍。

由此，基于Simulink/Stateflow平臺搭建車輛行駛模式仲裁控制算法，定義各行駛模式之間的切換路徑和條件。

4 起動及發(fā)電狀態(tài)控制

在并聯(lián)混合動力汽車基礎(chǔ)上增加BSG后，可實現(xiàn)發(fā)動機起動、輔助調(diào)速及小功率發(fā)電、維持低速純電動行駛等功能。因此需要建立BSG起動發(fā)動機調(diào)速控制策略以及穩(wěn)定發(fā)電控制策略。

4.1 起動發(fā)動機調(diào)速控制策略

當(dāng)行駛車速較高、駕駛員需求轉(zhuǎn)矩較大或電池SOC較低時，需要發(fā)動機工作，以維持電量平衡。由于BSG相比傳統(tǒng)起動機功率更大，可受控調(diào)速，所以可縮短發(fā)動機起動時間，輔助發(fā)動機調(diào)速，使離合器主、從動盤快速完成同步，確保發(fā)動機動力盡快輸出，進而改善車輛動力性。

依據(jù)發(fā)動機工作狀態(tài)不同，BSG起動發(fā)動機控制主要可劃分為提速和調(diào)速兩個控制階段：發(fā)動機靜止至點火成功為轉(zhuǎn)速控制階段，其控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速約為發(fā)動機穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速；發(fā)動機點火成功、可自行維持怠速至提速到穩(wěn)態(tài)發(fā)電或離合器接合的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)矩控制階段，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)速誤差的PID控制計算獲得，此階段發(fā)動機處于轉(zhuǎn)速控制模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為設(shè)定的穩(wěn)態(tài)發(fā)電轉(zhuǎn)速或ISG實時反饋轉(zhuǎn)速。

由此，BSG可迅速響應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速需求，確保車輛快速進入發(fā)電狀態(tài)或離合器主、從動盤快速完成同步，從而完成起動控制任務(wù)。

4.2 穩(wěn)定發(fā)電控制策略

當(dāng)駕駛員在停車狀態(tài)下需要較長時間使用電器或為電池充電時，混合動力控制單元（Hybrid Control Unit，HCU）可控制車輛工作在停車充電模式，其間發(fā)動機機械能可經(jīng)皮帶傳遞至BSG后轉(zhuǎn)化為電能。同時，當(dāng)車輛在其他無需發(fā)動機參與驅(qū)動的工作模式下行駛時，可通過斷開離合器來繼續(xù)維持BSG-發(fā)動機系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)電功能，以便實現(xiàn)長距離低速串聯(lián)純電動行駛或確保電池SOC穩(wěn)定。

由此需要在BSG起動發(fā)動機后，控制發(fā)動機穩(wěn)定輸出動力，同時控制BSG工作在發(fā)電狀態(tài)。而當(dāng)車輛由于駕駛員的不同操作在停車充電、恒速蠕行、純電動、滑行制動、再生制動等行駛模式間切換時，進入新的行駛模式后判斷前一時刻發(fā)動機是否處于起動狀態(tài)、電池SOC是否低于其最小閾值（30%），滿足相應(yīng)條件則繼續(xù)維持BSG-發(fā)動機系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)電功能，直至電池SOC達(dá)到設(shè)計充電閾值（85%）或駕駛員的動力需求較大、發(fā)動機開始參與驅(qū)動為止。

由此，BSG即可快速進入發(fā)電控制狀態(tài)，且在行駛模式不斷切換過程中，仍能繼續(xù)維持穩(wěn)定發(fā)電功能，提高了系統(tǒng)魯棒性。

4.3 整車控制策略

基于以上分析，建立了整車控制策略的Simulink控制算法模型，策略整體架構(gòu)主要包括信號輸入、信號處理、能量管理（主函數(shù)）和信號輸出模塊。其中，能量管理主函數(shù)模塊為實現(xiàn)車輛狀態(tài)識別、動力及傳動部件控制的主要部分，其又可細(xì)分為駕駛員需求解析、故障診斷、系統(tǒng)約束、上下電邏輯、模式仲裁、轉(zhuǎn)矩分配、附件控制7個主要部分，其中系統(tǒng)約束子模塊依據(jù)車輛部件的工作狀態(tài)及故障診斷結(jié)果，對系統(tǒng)動力輸出進行一定比例的降額功率限制或關(guān)閉處理，實現(xiàn)容錯控制，確保車輛安全運行。

5 實車測試

5.1 試驗樣車搭建

基于某配備ISG的P2構(gòu)型并聯(lián)混合動力汽車，參考圖1所示的動力系統(tǒng)構(gòu)型，改裝獲得試驗樣車，如圖3所示。

圖3 試驗樣車動力系統(tǒng)布置

基于搭建的控制算法，配合CAN通訊接口，通過自動代碼生成工具編譯下載到德國TTControl公司的TTC200車載控制器作為HCU，并將其掛載到試驗樣車的整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)中，與TCU、MCU、EMS及BMS等子控制器共同組成整車控制網(wǎng)絡(luò)，同時對車輛行駛模式進行標(biāo)定，結(jié)果如表4所示。

表4 各模式標(biāo)定結(jié)果

5.2 起動調(diào)速控制實車測試

基于搭建的試驗樣車，在急加速工況下進行起動調(diào)速測試，各主要部件狀態(tài)結(jié)果如圖4所示。圖4中，離合器狀態(tài)0、1和2分別表示斷開、滑磨和接合。

測試期間，車輛從模式1經(jīng)模式4加速達(dá)到一定車速和駕駛員需求轉(zhuǎn)矩后進入模式5，BSG在轉(zhuǎn)速控制模式下迅速將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高至起動目標(biāo)轉(zhuǎn)速，屬起動調(diào)速第一階段；而后發(fā)動機點火成功，離合器接合，發(fā)動機開始跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速（ISG實時轉(zhuǎn)速），BSG進入轉(zhuǎn)矩控制模式進行輔助調(diào)速，轉(zhuǎn)速進一步升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速差減小到設(shè)定閾值以下，離合器開始滑磨，屬起動調(diào)速第二階段；在完成轉(zhuǎn)速同步、離合器接合后整車進入模式8，發(fā)動機開始參與驅(qū)動車輛行駛。

圖4 起動調(diào)速控制測試結(jié)果

由上述測試結(jié)果可見，起動調(diào)速控制響應(yīng)分為明顯的兩個階段，控制效果良好?；贐SG的快速響應(yīng)，發(fā)動機起動時間較短，且實車測試時起動振動和噪聲均較小，有助于改善車輛的動力性。

5.3 穩(wěn)定發(fā)電控制實車測試

當(dāng)SOC未達(dá)到充電閾值上限（85%）開始測試，車輛可在靜止?fàn)顟B(tài)下進入模式2，起動發(fā)動機經(jīng)BSG為蓄電池充電。駕駛員通過擋位與踏板操作進入驅(qū)動的相關(guān)行駛模式，則在發(fā)動機參與驅(qū)動前，算法將控制BSG-發(fā)動機系統(tǒng)維持穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。如5所示為樣車各主要部件狀態(tài)結(jié)果。

由圖5可知，雖然車輛行駛模式不斷變化，但BSG工作轉(zhuǎn)矩基本維持在負(fù)值范圍（轉(zhuǎn)矩波動由皮帶傳動引起），將機械能轉(zhuǎn)化為電能供給車載電器或為電池充電，其間電池電流時有負(fù)值充電狀態(tài)。測試期間電池SOC稍有降低是由于加速行駛期間CVT油泵、ISG等耗電功率較大所致。

由此可見，在停車充電模式下機械能經(jīng)皮帶輪傳遞，蓄電池充電電流約為3 A。當(dāng)車輛在多個驅(qū)動行駛模式間切換時，由ISG實現(xiàn)驅(qū)動功能、BSG-發(fā)動機系統(tǒng)可以維持發(fā)電狀態(tài)，有助于改善車輛的SOC維持能力。

圖5 穩(wěn)定發(fā)電控制測試結(jié)果

6 結(jié)束語

本文基于P2+CVT的并聯(lián)混合動力汽車，提出增加BSG實現(xiàn)P0+P2的混合動力構(gòu)型方案，并依據(jù)參數(shù)匹配原則計算獲得了BSG及皮帶輪主要參數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)構(gòu)型特點定義了車輛行駛模式，依據(jù)系統(tǒng)功能需求搭建了起動調(diào)速控制策略、穩(wěn)定發(fā)電控制策略和整車控制策略，基于試驗樣車進行了實車測試，結(jié)果表明配備BSG的測試樣車具備快速起動調(diào)速功能，且在行駛模式不斷切換的過程中BSG-發(fā)動機系統(tǒng)可維持穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。