一種混合動(dòng)力總成及其模式切換策略的研究

郝 成，宋文超，陳 賽，張 怡

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

1 引言

本太陽(yáng)能主流乘用車以太陽(yáng)能電池為插電電源，在日常應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)以太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電能作為主要的能源動(dòng)力。既繼承了電動(dòng)車輛作為“綠色汽車”的節(jié)約能源和超低排放的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了電動(dòng)車輛的續(xù)駛里程不足的缺點(diǎn)[1]。然而，該車在加速行駛引入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，存在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、離合器接合等動(dòng)態(tài)過(guò)程，控制不當(dāng)容易引起傳動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的突變，從而造成汽車輸出主軸轉(zhuǎn)速驟降，帶來(lái)整車沖擊問(wèn)題，影響整車運(yùn)行的平順性[2]。針對(duì)整車沖擊問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]提出了基于電機(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。采用基于斜率限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突變?cè)斐傻臎_擊。文獻(xiàn)[4]則提出了一種“轉(zhuǎn)矩分配+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償+補(bǔ)償系數(shù)修正”的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[5]則利用功率流動(dòng)態(tài)分配模型，根據(jù)駕駛員的期望狀態(tài)與車輛的實(shí)際狀態(tài)，提出了駕駛性能的指標(biāo)函數(shù)，以此來(lái)提升汽車的駕駛性能。在文獻(xiàn)[6]中，針對(duì)從純電動(dòng)切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，提出“發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配”協(xié)調(diào)切換控制策略。應(yīng)用極大值原理，將二次型最優(yōu)控制算法運(yùn)用到控制策略中，并設(shè)計(jì)了狀態(tài)切換控制器，以保證動(dòng)力傳遞的平穩(wěn)性。文獻(xiàn)[7]通過(guò)各工作模式切換過(guò)程中機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)控制策略以及發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的動(dòng)力協(xié)調(diào)控制算法，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車各模式切換的平穩(wěn)控制。

針對(duì)本太陽(yáng)能主流乘用車模式切換的整車沖擊問(wèn)題，提出了一種PID+Bang-Bang 控制的的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差跟蹤控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差按某一斜坡函數(shù)減小直至為零，通過(guò)PID+Bang-Bang 控制算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速差的跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)證明，此控制方法能夠有效保證模式切換時(shí)的整車平穩(wěn)性。

2 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)及模式切換過(guò)程分析

2.1 太陽(yáng)能主流乘用車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)一體化混合動(dòng)力總成使用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩套獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)動(dòng)力在一根軸上混合，所采用的電機(jī)能工作在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)，完成啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和發(fā)電工作，總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。在太陽(yáng)能應(yīng)用的背景下即使采用單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)這種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其節(jié)能減排的指標(biāo)也可以輕易超過(guò)市場(chǎng)上流行的最好的混合動(dòng)力車型。

圖1 全自動(dòng)一體化混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fully Automatic Integrated Hybrid Powertrain Structure

2.2 模式切換過(guò)程分析

本太陽(yáng)能主流乘用車總成智能控制器根據(jù)駕駛員加速踏板的開(kāi)度等信息來(lái)確定車輛需求轉(zhuǎn)矩，加速運(yùn)行情況下，智能控制器檢測(cè)到油門踏板控制信號(hào)持續(xù)增加，當(dāng)電機(jī)的工作狀態(tài)無(wú)法滿足整車的轉(zhuǎn)矩需求，控制器即發(fā)出模式切換指令引入發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。此時(shí)離合器接通發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，電機(jī)提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同提供驅(qū)動(dòng)功率。但離合器接合過(guò)程中，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩及發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的差異，會(huì)造成主軸轉(zhuǎn)速突變，進(jìn)而影響整車的動(dòng)力性和平順性。

3 動(dòng)力總成原理及模式切換控制策略

3.1 動(dòng)力總成及工作原理

全自動(dòng)一體化混合動(dòng)力總成采用單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。其發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可以將動(dòng)力傳遞至車輪，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式，即發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)既可以單獨(dú)傳遞動(dòng)力，也可以同時(shí)傳遞[8]。

圖2 全自動(dòng)一體化混合動(dòng)力總成機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Fully Automatic Integrated Hybrid Powertrain

3.1.1 離合器及其原理

發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的動(dòng)力傳輸采用電動(dòng)摩擦離合器，如上圖所示，軸內(nèi)彈簧彈力作用于帶有外花鍵的從動(dòng)盤(pán)軸，使從動(dòng)盤(pán)和摩擦片壓緊，接通發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)軸動(dòng)力傳遞。離合器接合過(guò)程中，可以通過(guò)從動(dòng)盤(pán)上的電動(dòng)推桿推動(dòng)撥叉，控制離合器壓力的大小，撥叉帶有應(yīng)變片，用來(lái)檢測(cè)撥叉彈力大小。離合器壓力可以表示為：

式中：Fs—軸內(nèi)彈簧彈力；Fb—撥叉彈力。

3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的選取

本太陽(yáng)能主流乘用車以太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電能為主要能源動(dòng)力，故發(fā)動(dòng)機(jī)功率只需滿足定速巡航即可，可選擇小功率發(fā)動(dòng)機(jī)，并且不需要低速運(yùn)行，可選擇較少的缸數(shù)。同時(shí)采用同步磁阻電機(jī)，其制造不需要消耗稀有金屬和稀土資源，以太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電能為主要能源及一體化的設(shè)計(jì)克服了同步磁阻電機(jī)體積重量較大不利于節(jié)能的缺點(diǎn)。

因此，一體化的發(fā)動(dòng)機(jī)——電動(dòng)/發(fā)電機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)部分2 缸750ml，電動(dòng)機(jī)部分設(shè)計(jì)為額定功率6kW，峰值功率12kW 的同步磁阻電機(jī)，可使車輛達(dá)到主流乘用車所需要的基本性能指標(biāo)。

3.2 模式切換控制策略

動(dòng)力系統(tǒng)從電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)切換至聯(lián)合驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，所需時(shí)間很短，我們可以看作切換時(shí)的汽車加速度不變，即電機(jī)、主軸轉(zhuǎn)速期望值恒定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧憧焖偕仙僚c電機(jī)轉(zhuǎn)速相同。智能控制器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，按需要的特性控制離合器摩擦力的大小。針對(duì)動(dòng)力切換時(shí)主軸轉(zhuǎn)速突變及整車沖擊問(wèn)題，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差按照某斜坡函數(shù)逐漸減小直至為零，以此實(shí)現(xiàn)模式切換時(shí)的整車平穩(wěn)運(yùn)行。斜坡函數(shù)可以表示為：

式中：Δn—電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差；c—轉(zhuǎn)速差初始值；k—系數(shù)。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差按期望值變化，采用“PID+Bang-Bang 控制”的控制方法對(duì)轉(zhuǎn)速差進(jìn)行跟蹤控制。轉(zhuǎn)速差控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。其中，e（k）表示電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差期望值和實(shí)際值的偏差。

圖3 電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差控制系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow Chart of Motor and Engine Speed Difference Control System

3.2.1 Bang-Bang 控制

Bang-Bang 控制是一種時(shí)間最優(yōu)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。采用Bang-Bang 控制，控制器輸出只有兩種狀態(tài)，即最大和最小兩個(gè)極限位置，當(dāng)轉(zhuǎn)速差偏差大于某一閾值時(shí)，輸出量取最大，反之取最小[9]。Bang-Bang 控制表達(dá)式為：

3.2.2 PID 控制

模式切換過(guò)程中，采用Bang-Bang 控制可以實(shí)現(xiàn)切換時(shí)間上的最優(yōu)，然而由于其只存在最大和最小兩種輸出狀態(tài)，無(wú)法滿足轉(zhuǎn)速精度上的控制，故引入PID 控制。PID 控制具有良好的適應(yīng)性和靈活性，能夠在切換過(guò)程中獲得很好的控制效果[10]。當(dāng)|e（k）|≤ε時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入PID 控制環(huán)節(jié)，使其控制精度大大提升。其控制方程表示為：

式中：u（t）—控制器輸出；e（t）—轉(zhuǎn)速差期望值和實(shí)際值的偏差；KP—比例系數(shù)；TI—積分系數(shù)；TD—微分系數(shù)。

4 仿真與結(jié)果分析

針對(duì)提出的混合動(dòng)力總成，通過(guò)Matlab/Simulink 建立單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換仿真模型，動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型主要參數(shù)，如表1 所示。

表1 太陽(yáng)能主流乘用車主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Solar Mainstream Passenger Cars

動(dòng)力模式切換前，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)智能控制器發(fā)出模式切換指令，引入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按需要的特性快速上升至與電機(jī)相同轉(zhuǎn)速，通過(guò)試驗(yàn)，斜坡函數(shù)系數(shù)取值為-176 效果最佳，發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，如圖4 所示。從圖中可以看出，動(dòng)力切換時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為265rad/s 保持不變，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到同速所需時(shí)間為1.2s。

圖4 切換時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.4 Engine and Motor Speed when Switching

在離合器接合過(guò)程中，電機(jī)不僅需要驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行，還需提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)力，故離合器接合初始階段主軸轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生驟降。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)切換時(shí)動(dòng)態(tài)差異而造成的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，同樣會(huì)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響。太陽(yáng)能主流乘用車有無(wú)模式切換控制策略的仿真結(jié)果對(duì)比，如圖5、圖6 所示。

圖5 切換過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速誤差Fig.5 Spindle Speed Error During Switching

圖6 切換過(guò)程中整車沖擊度Fig.6 Overall Vehicle Impact During Switching

由圖5、圖6 可知，使用模式切換控制策略的最大主軸轉(zhuǎn)速誤差為18rad/s，完成切換所需時(shí)間為1.2s，整車沖擊度最大絕對(duì)值為8，小于德國(guó)的沖擊度限制值10。而未使用模式切換控制策略調(diào)的最大主軸轉(zhuǎn)速誤差為27rad/s，完成切換所需時(shí)間為1.5s，整車沖擊度最大絕對(duì)值為13.5，大于所要求的限制值。對(duì)比兩種控制效果可知，使用所提模式切換控制策略能夠有效地減小動(dòng)力切換時(shí)主軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)，同時(shí)切換所需時(shí)間及整車沖擊度也得到明顯改善，達(dá)到了太陽(yáng)能主流乘用車動(dòng)力平穩(wěn)切換的目的。

5 結(jié)論

（1）所提出的一種針對(duì)太陽(yáng)能主流乘用車的全自動(dòng)一體化混合動(dòng)力總成，其動(dòng)力性能能夠達(dá)到傳統(tǒng)主流乘用車的要求。

（2）針對(duì)混合動(dòng)力汽車加速運(yùn)行情況下，引入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而造成的整車沖擊問(wèn)題，提出的一種基于“PID+Bang-Bang 控制”的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差跟蹤控制策略，能夠有效地實(shí)現(xiàn)乘用車動(dòng)力模式切換時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行，可行性通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。