雙電機混合動力車輛發(fā)動機起停機控制方法研究

祝 浩，徐家良 Zhu Hao，Xu Jialiang

雙電機混合動力車輛發(fā)動機起停機控制方法研究

祝 浩，徐家良
Zhu Hao，Xu Jialiang

（中國第一汽車集團公司 新能源開發(fā)院，吉林 長春 130013）

針對雙電機混聯(lián)構型混合動力的結構特點，在城市低速工況下，整車驅動模式僅在純電動模式和串聯(lián)模式間切換，為保證模式切換的快速進行，需要開發(fā)一套高效的發(fā)動機起停機控制方法，以實現(xiàn)發(fā)動機快速的起機和停機控制。將發(fā)動機起機過程分為發(fā)動機拖動和工作點調整兩個階段，將停機過程分為工作點調整和發(fā)動機降轉速兩個階段，基于整車的驅動模式請求，可在起停機各個階段之間靈活跳轉，快速實現(xiàn)發(fā)動機起機和停機控制，最后進行試驗驗證，結果表明，起停機策略能夠及時完成發(fā)動機起停機控制，支持整車驅動模式切換。

雙電機；混合動力；模式切換；起停機控制

0 引 言

進入新世紀以來，國內汽車保有量不斷攀升，導致每年需進口大量石油。電動車被證明是降低機動車石油消耗的一個較好方案，但里程焦慮問題限制了純電動汽車的推廣使用。HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合動力汽車）被證明是純電動汽車普及前一個較好的過渡方案[1-2]，其中雙電機混聯(lián)式構型被國內各大主機廠認為是實現(xiàn)HEV的一個較好方案[3-8]。

現(xiàn)有學者多聚焦于起停機條件判斷[9-10]，發(fā)動機起動過程中的基本燃燒理論[11]，以及發(fā)動機起機后串聯(lián)模式下的能量分配管理[12]，但是對于車輛從純電動模式下快速起機進入到串聯(lián)模式，以及從串聯(lián)模式下迅速停機進入純電動模式，即快速完成模式切換，同樣重要。在分析起停機過程中發(fā)動機、發(fā)電機工作過程的基礎上，對起機和停機過程進行階段劃分，在各階段中，發(fā)動機和發(fā)電機分別通過一定的操作協(xié)調配合完成起機和停機操作；另外，由于整車模式請求存在不確定性，會存在起機過程中再次停機，以及停機過程中再次起機，所以對這種情況也進行了分析和試驗。

1 雙電機混聯(lián)構型特性分析

1.1 雙電機混聯(lián)構型結構特征

圖1為雙電機混聯(lián)構型結構圖，動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、驅動電機、發(fā)電機、動力電池組、機械耦合器。發(fā)電機始終與發(fā)動機相連，主要用于起動發(fā)動機和發(fā)電；驅動電機用于驅動行駛和制動能量回收；當離合器分離時，整個系統(tǒng)為串聯(lián)構型；當離合器結合后，整個系統(tǒng)為并聯(lián)構型。

圖1 雙電機混聯(lián)構型結構圖

在圖1雙電機混聯(lián)構型中，傳統(tǒng)的變速箱被耦合器所取代，耦合器將驅動電機、發(fā)動機/發(fā)電機以及離合器連在一起，離合器位于發(fā)動機和驅動電機之間。發(fā)電機始終與發(fā)動機相連，主要用于發(fā)電，驅動電機與驅動輪相連，用于驅動行駛，在減速和制動時，驅動電機可以回收能量對動力電池進行充電。

1.2 雙電機混聯(lián)構型驅動模式分析

根據(jù)雙電機混聯(lián)構型的結構特點，整車工作模式分為以下3種。

（1）純電動模式。

圖2 純電動模式系統(tǒng)能量流圖

在純電動模式下，發(fā)動機保持停機狀態(tài)，發(fā)電機保持零扭矩狀態(tài)，離合器打開，發(fā)動機與驅動輪間無動力連接，動力電池輸出能量供驅動電機驅動車輛前進，或驅動電機回收能量向動力電池充電，能量只在驅動電機和動力電池間轉移，如圖2所示。純電動模式多發(fā)生在車輛對驅動功率需求不大并且電池電量足夠的情況下；在串聯(lián)工況下，當驅動電機進行制動能量回收時，為保證動力電池有足夠的充電功率吸收驅動電機的回收功率，此時發(fā)動機也會停機進入純電動模式。

（2）串聯(lián)模式。

在串聯(lián)模式下，離合器依然保持打開狀態(tài)，發(fā)動機燃燒輸出扭矩，發(fā)電機輸出負扭矩來平衡發(fā)動機扭矩，并將發(fā)動機轉速維持在期望轉速上以保證一定的發(fā)電功率輸出，此時車輛依然由驅動電機驅動。在串聯(lián)模式下，基于動力電池的充放電情況，串聯(lián)模式又可分為3種模式：串聯(lián)驅動模式、串聯(lián)發(fā)電機模式和串聯(lián)助力模式。在串聯(lián)驅動模式下，如圖3所示，發(fā)電機輸出的功率正好全部用于驅動電機驅動，動力電池沒有充放電；在串聯(lián)發(fā)電機模式下，如圖4所示，發(fā)電機輸出功率大于驅動電機的消耗功率發(fā)電機輸出功率除用于驅動電機驅動以外，還向動力電池充電；在串聯(lián)助力模式下，如圖5所示，當驅動電機的驅動功率較大時，比如高車速下急加速，此時發(fā)動機輸出功率無法滿足驅動電機的功率消耗，不足部分由動力電池輸出能量，此時發(fā)電機和動力電池共同提供能量來驅動車輛。

圖3 串聯(lián)驅動模式系統(tǒng)能量流圖

圖4 串聯(lián)發(fā)電模式系統(tǒng)能量流圖

圖5 串聯(lián)助力模式系統(tǒng)能量流圖

（3）并聯(lián)模式。

并聯(lián)模式下，離合器吸合，發(fā)電機工作在零扭矩隨轉模式，發(fā)動機輸出扭矩直接傳遞至車輪，發(fā)動機轉速和車速呈固定速比關系，類似傳統(tǒng)車上高速擋；在滑行時，驅動電機可回收能量向動力電池充電，輕微加速時，驅動電機可提供一定的助力，同時，當整車驅動功率需求較小時，為保證發(fā)動機工作在較經(jīng)濟的負荷點，發(fā)動機可邊驅動車輛邊帶動驅動電機發(fā)電，多余的能量儲存于動力電池中，如圖6所示。

2 純電與串聯(lián)模式間切換起停機需求分析

雙電機混聯(lián)構型節(jié)能的原理是：當整車驅動功率較小時或車速較低時，整車工作在串聯(lián)模式，發(fā)動機轉速與車速解耦，發(fā)動機工作點可自由工作在低油耗經(jīng)濟區(qū)，雖然能量轉換效率不如發(fā)動機直驅模式，但是通過提高了發(fā)動機燃燒效率從而彌補了能量轉換效率的損失，即實現(xiàn)了總能量利用率較高；當車速較高時，整車驅動功率適中，此時選擇工作在并聯(lián)模式，發(fā)動機輸出扭矩直接用于驅動車輛前進，由于此時車速較高，因此發(fā)動機可工作在經(jīng)濟轉速和負荷點上，此時相當于傳統(tǒng)車的高速擋。

2.1 純電到串聯(lián)模式切換起機需求分析

基于整車的驅動模式分析，純電到串聯(lián)模式切換的條件是：整車驅動功率與動力電池充電功率之和較大，使得發(fā)動機可以工作在低油耗經(jīng)濟區(qū)，或是電池可用放電功率即將不滿足整車驅動功率需求。特別是針對后一個條件，此時需要發(fā)動機迅速起機并燃燒輸出功率，以滿足整車的驅動功率需求，保證駕駛性。

因此，從純電模式切換到串聯(lián)模式對起機的需求是，發(fā)電機需要快速將發(fā)動機轉速拖至較高，盡快掠過發(fā)動機低轉速共振區(qū)，同時發(fā)動機在相位同步后快速點火燃燒輸出扭矩，發(fā)電機需要從輸出正扭矩拖動發(fā)動機迅速轉換為輸出負扭矩發(fā)電，同時盡快使發(fā)動機轉速爬升至目標轉速點以保證一定的功率輸出。

2.2 串聯(lián)到純電模式切換停機需求分析

在串聯(lián)模式下，發(fā)動機工作在經(jīng)濟區(qū)發(fā)電，根據(jù)發(fā)動機的油耗特性，此時發(fā)動機轉速與負荷皆較高。當整車有純電驅動模式請求時，發(fā)動機需要從當前工作點迅速降低轉速和負荷直至停機。為了提升停機過程中NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動、聲振粗糙度）特性，需要發(fā)動機轉速快速掠過低速共振區(qū)，因此停機過程中發(fā)電機會輸出一定的負扭矩來快速降低發(fā)動機轉速。

對于發(fā)動機降負荷的方式，第1種方式是發(fā)電機先將發(fā)動機維持在當前轉速，同時發(fā)動機降扭，待發(fā)動機扭矩完全降低后再通過發(fā)電機輸出負扭矩來快速降低發(fā)動機轉速；第2種方式是發(fā)動機降低扭矩的同時，發(fā)電機增大負扭矩來壓低發(fā)動機轉速直至停機。對于第2種發(fā)動機降負荷方式，發(fā)動機降扭矩和降轉速同步進行，發(fā)動機降扭過程中轉速偏離了經(jīng)濟區(qū)，降扭過程中發(fā)動機燃油經(jīng)濟性相比第1種方式變差；另外，當發(fā)動機降負荷和降轉速同步進行時，由于發(fā)動機扭矩響應較慢，在降扭初期可以認為是在發(fā)動機扭矩不變的情況下降低發(fā)動機轉速，因此發(fā)電機需要提供更大的負扭矩才能壓低發(fā)動機轉速，為此發(fā)電機需輸出更大的發(fā)電機功率。整車進入純電模式多是在整車驅動功率很小或是處于能量回收階段，即驅動電機沒有功率消耗或是在能量回收，而發(fā)電機此時輸出了更大的發(fā)電機功率，所以當?shù)蜏仉姵乜捎贸潆姽β什蛔銜r，會導致電池過充，影響電池壽命。

基于上述分析，在停機過程中，發(fā)電機先通過轉速控制模式維持當前經(jīng)濟轉速，發(fā)動機同步完成降扭，此時發(fā)電機從輸出發(fā)電功率轉換為消耗正功率，當發(fā)動機扭矩完全降低后，發(fā)電機輸出負扭矩來輔助降低發(fā)動機轉速。

2.3 純電與串聯(lián)模式切換中起停機意圖改變需求分析

在實車環(huán)境下，由于整車所處工況的不確定性，整車的驅動模式請求也存在不確定性，因此在發(fā)動機起停機過程中，存在因為整車驅動模式請求發(fā)生改變導致再次返回到起停機操作之前狀態(tài)的可能，即發(fā)動機起停機過程中存在起停機意圖改變需求。

當起停機過程中發(fā)生起停機意圖改變需求，應立即停止當前的起停機操作并迅速完成新的起停機控制，以滿足整車的功率需求。

3 建模與實車功能驗證

3.1 軟件建模實現(xiàn)

根據(jù)上述分析，起停機控制模塊在整個軟件策略中的作用是，整車驅動模式管理模塊根據(jù)車輛當前的狀態(tài)判斷車輛的目標驅動模式，并向起停機控制模塊發(fā)出起停機控制請求，起停機控制模塊接收到起停機請求后，通過控制發(fā)動機和發(fā)電機完成發(fā)動機起停機操作，待起停機完成后整車驅動模式分別進入純電動模式或串聯(lián)模式，如圖7所示。

（1）起機過程。

對于起機過程，根據(jù)上述的需求分析，將起機過程分為2個階段：發(fā)電機拖機階段和發(fā)動機工作點調整階段。

在發(fā)電機拖機階段，發(fā)電機輸出正扭矩來將發(fā)動機轉速拖至一定的轉速值，此轉速值應大于發(fā)動機的怠速轉速。發(fā)電機拖動發(fā)動機轉速升高的目的是使發(fā)動機盡快完成相位同步，同時盡快掠過低速發(fā)動機共振區(qū)，因此發(fā)電機拖動發(fā)動機正扭矩的計算可通過發(fā)動機轉速查表獲取，同時為避免拖動發(fā)動機消耗功率過大，拖動階段發(fā)電機功率消耗應該小于設定限值。

在發(fā)電機拖機階段，當發(fā)動機上報相位已至同步狀態(tài)后，意味著發(fā)動機已經(jīng)可以進行噴油燃燒，HCU（Hybrid vehicle Control Unit，新能源整車控制器）隨后向發(fā)動機發(fā)送請求扭矩值，此請求扭矩值等于串聯(lián)模式下發(fā)動機目標扭矩值，在HCU向發(fā)動機請求扭矩的同時，HCU將發(fā)電機的拖機扭矩置零；發(fā)動機在響應HCU請求扭矩后，發(fā)動機轉速上升，待發(fā)動機轉速超過HCU請求扭矩的轉速一定值后，認為發(fā)動機已經(jīng)點火成功，發(fā)電機拖機階段結束，進入到發(fā)動機工作點調整階段。

在發(fā)動機工作點調整階段，HCU向發(fā)動機請求的扭矩依然等于串聯(lián)模式下發(fā)動機目標扭矩值，發(fā)電機進行轉速控制，輸出一定的負扭矩將發(fā)動機轉速維持在串聯(lián)模式下發(fā)動機目標轉速值上。

待發(fā)動機轉速和扭矩與串聯(lián)模式下發(fā)動機目標轉速、扭矩的偏差小于一定的限值后，認為發(fā)動機起機過程結束，整車進入到串聯(lián)驅動模式。

（2）停機過程。

對于停機過程，根據(jù)上述需求分析，將停機過程分為兩個階段，發(fā)動機工作點調整階段和發(fā)電機輔助停機階段。

在發(fā)動機工作點調整階段，HCU向發(fā)動機請求的扭矩從當前值逐步降低至零，在發(fā)動機降扭的過程中，發(fā)電機通過調整自身扭矩將發(fā)動機轉速維持在停機過程初始時的轉速，當發(fā)動機扭矩降低到零后，發(fā)動機工作點調整階段結束，進入到停機第2階段，即發(fā)電機輔助停機階段。

在發(fā)電機輔助停機階段，其控制需求是快速將發(fā)動機轉速降低至零以掠過低速共振區(qū)，同時保證此階段發(fā)電機輸出發(fā)電機功率不超過動力電池允許的充電功率限值，此階段發(fā)電機輔助停機負扭矩通過發(fā)動機轉速查表得到，從進入此階段開始，HCU向發(fā)動機發(fā)出斷油請求，以保證發(fā)動機不再燃燒。發(fā)電機輸出負扭矩逐步增大，待發(fā)動機轉速接近零時，為避免反轉，HCU將發(fā)電機的輔助停機扭矩設置為零。

待發(fā)動機轉速等于零后，認為發(fā)動機停機過程結束，整車進入到純電動驅動模式。

對于起機過程和停機過程的發(fā)動機工作點調整階段，都是HCU向發(fā)動機請求一定的扭矩值，同時HCU通過發(fā)電機輸出扭矩對發(fā)動機轉速進行控制，因此可以將起機和停機過程中的發(fā)動機工作點調整階段合并為一個階段，通過不同的發(fā)動機轉速、扭矩目標值來區(qū)分。

（3）起停機過程中的起停機意圖改變操作。

當發(fā)動機起機過程處于發(fā)電機拖機階段時，如果整車驅動模式模塊發(fā)出了停機請求，由于此時發(fā)動機可能并未燃燒，或是雖然燃燒但是扭矩并不大，因此可直接進入到停機過程發(fā)電機輔助停機階段。

當發(fā)動機起機過程處于發(fā)動機工作點調整階段時，如果此時有停機請求，則將發(fā)動機目標扭矩設置為零，將發(fā)動機目標轉速設置為當前值，待發(fā)動機降扭完成后，進入到發(fā)電機輔助停機階段。

當發(fā)動機停機過程處于發(fā)動機工作點調整階段時，如果此時有起機請求，則將發(fā)動機目標扭矩設置為串聯(lián)目標扭矩，將發(fā)動機目標轉速設置為串聯(lián)目標轉速，待發(fā)動機實際扭矩轉速在目標值附近后，起機過程結束。

當發(fā)動機停機過程處于發(fā)電機輔助停機階段時，如果此時有起機請求，則立即進入起機過程發(fā)電機拖動階段，待發(fā)動機點火燃燒成功后進入到起機過程發(fā)動機工作點調整階段，待發(fā)動機實際扭矩轉速在目標值附近后，起機過程結束。

起停機過程流程圖如圖8所示。

3.2 實車驗證

在某款雙電機混合動力車上進行起停機算法驗證，試驗車主要動力部件參數(shù)見表1。

圖8 起停機控制程序流程圖

表1 試驗車主要部件參數(shù)

起停機過程中所用到的整車驅動模式請求和起停機控制階段數(shù)值定義見表2。

表2 起停機相關模式參數(shù)定義

由于發(fā)動機和發(fā)電機通過齒輪連接，二者轉速呈固定速比關系，同時發(fā)動機轉速在低速下精度較差，為清晰表達起停機過程中的發(fā)動機轉速變化，以下各圖中均以發(fā)電機轉速來表示發(fā)動機轉速。

圖9為一個完整的起機過程中數(shù)據(jù)采集結果，在純電動運行模式下，當整車驅動模式模塊發(fā)出串聯(lián)運行模式請求后，發(fā)動機起停機模塊先后經(jīng)歷發(fā)電機拖機階段和發(fā)動機工作點調整階段，最后整車進入串聯(lián)運行模式。在此過程中，發(fā)電機先輸出正扭矩拖動發(fā)動機，待發(fā)動機達到相位同步狀態(tài)后，HCU向發(fā)動機請求扭矩，在發(fā)動機輸出扭矩使得轉速開始上升后，發(fā)電機開始輸出負扭矩，最后將發(fā)動機轉速穩(wěn)定在一個設定轉速上。

圖9 完整起機過程

圖10為一個完整的停機過程中數(shù)據(jù)采集結果，在串聯(lián)運行模式下，當整車驅動模式模塊發(fā)出純電動運行模式請求后，發(fā)動機起停機模塊先后經(jīng)歷發(fā)動機工作點調整階段和發(fā)電機輔助停機階段，最后整車進入串聯(lián)運行模式。在發(fā)動機降扭的同時，發(fā)電機為了將發(fā)動機轉速維持在當前轉速上，發(fā)電機扭矩會逐漸變大，在發(fā)動機扭矩降到零后，進入發(fā)電機輔助停機階段，在此階段，發(fā)電機開始逐步輸出負扭矩，直至將發(fā)動機轉速壓低至一定值。

圖10 完整停機過程

圖11為在起機過程第1階段中再次進入停機過程的數(shù)據(jù)。由于在起機過程發(fā)電機拖動階段發(fā)動機轉速并不高，發(fā)動機扭矩也不大，當此時有停機請求時，直接進入停機過程發(fā)電機輔助停機階段，發(fā)電機從輸出正扭矩拖動發(fā)動機迅速變?yōu)檩敵鲐撆ぞ貕旱桶l(fā)動機轉速，發(fā)動機轉速從當前轉速迅速降低。

圖11 起機第1階段再次停機過程

圖12為在起機過程第2階段中再次進入停機過程的數(shù)據(jù)。在起機過程第2階段，發(fā)動機扭矩已經(jīng)較大，發(fā)動機轉速已經(jīng)沖高至一定值，當此時有停機請求時，發(fā)動機快速降扭，而發(fā)電機從輸出負扭矩迅速變?yōu)檩敵稣ぞ貋砭S持發(fā)動機轉速，待發(fā)動機扭矩降低至零后，進入到停機過程第2階段，隨后完成整個停機過程。

圖13為在停機過程第1階段中再次進入起機過程的數(shù)據(jù)。在停機過程第1階段，發(fā)動機降扭，發(fā)電機將發(fā)動機轉速維持在當前值，當再次發(fā)出起機請求后，由于發(fā)動機已經(jīng)完成相位同步，此時只需要再次增加扭矩即可，發(fā)電機在此過程中依然進行轉速控制。當發(fā)動機負荷升至目標值附近后，再次進入到串聯(lián)驅動模式。

圖14為在停機過程第2階段中再次進入起機過程的數(shù)據(jù)。在停機第2階段，發(fā)動機扭矩已經(jīng)完全降低，發(fā)動機轉速也已經(jīng)降低到一定值，當此時再次發(fā)出起機請求后，發(fā)電機需要先將發(fā)動機轉速拖高至一定值，即進入到起機第1階段，隨后進入到起機第2階段，完成整個起機過程。

圖12 起機第2階段再次停機過程

圖13 停機第1階段再次起機過程

圖14 停機第2階段再次起機過程

4 總 結

在分析雙電機混聯(lián)構型結構特點的基礎上，根據(jù)整車的控制需求，將發(fā)動機起機過程分為發(fā)電機拖機和發(fā)動機工作點調整2個階段，將發(fā)動機停機過程分為發(fā)動機工作點調整和發(fā)電機輔助停機2個階段，并進行了控制模型搭建，最后進行了試驗驗證；結果表明，所提出的起停機控制方法能夠快速地進行發(fā)動機起機和停機控制，并且針對起停機過程中起停機意圖改變需求也能給予很好的支持。

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2020-07-02

U464.235

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.011

1002-4581（2020）05-0043-07