四輪驅動混合動力汽車模式切換協(xié)調控制

李天景，王琨，陸從相，劉鴻遠，林兆擎

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院汽車與交通學院，江蘇 鹽城 224005；2.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009)

混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle,HEV)既具有純電動汽車高效率和低排放的優(yōu)點，又兼具傳統(tǒng)內燃機車在動力性和續(xù)駛里程方面的優(yōu)勢，從而成為解決當前節(jié)能環(huán)保問題的切實可行方案[1-3]。但是其在工作模式切換過程中伴隨著動力源輸出轉速和轉矩的突變，易導致整車動力輸出不平穩(wěn)，使駕駛性能變差。在保證混合動力汽車節(jié)能減排的基礎上，通過模式切換協(xié)調控制有效提高駕駛性能，具有重要的研究意義[4-5]。

對于上述問題，豐田公司采用行星齒輪機構的動力耦合裝置，結合雙電機，直接測量發(fā)動機實際轉矩，較好地解決了不同動力源間的動態(tài)協(xié)調控制問題[6-7]。江蘇大學左言言等、重慶大學羅松[8-9]提出了“發(fā)動機動態(tài)轉矩估計+電動機轉矩補償”的模式切換動態(tài)協(xié)調控制策略。CANOVA等[10]采用基于模型的控制方法，通過電動機快速響應補償發(fā)動機慢響應，提高了整車駕駛性能。同濟大學趙治國等[11]設計了基于混雜系統(tǒng)的無擾動模式切換控制策略。清華大學戴一凡等[12]針對單電機強混合動力系統(tǒng)，提出了“發(fā)動機起動過程轉矩協(xié)調控制/發(fā)動機退出過程轉矩補償控制”的動態(tài)協(xié)調控制策略，取得了較好的控制效果。重慶交通大學李軍等[13]依據驅動輪滑模變結構控制算法，制定出目標驅動轉矩控制策略。

本研究中的四輪驅動混合動力汽車采用了前后軸雙電機的結構，針對該混合動力車輛結構特點，以純電動向混合驅動模式切換過程為研究對象，開發(fā)模式切換協(xié)調控制策略，主動控制離合器接合壓力使得電機能夠實現(xiàn)定轉矩補償，并有效控制發(fā)動機轉速波動。最后通過臺架和實車試驗對設計的協(xié)調控制策略進行驗證。

1 四輪驅動混合動力系統(tǒng)

1.1 基本結構

四輪驅動混合動力汽車動力總成系統(tǒng)基本結構見圖1，其中，發(fā)動機、前驅電機、CVT變速器、離合器、主減速器采用同軸布置方式連接，用于驅動車輛前軸，后軸則布置有后驅電機和主減速器，形成前軸發(fā)動機和前驅電機驅動，后軸電機驅動的四輪驅動混合動力系統(tǒng)。四輪驅動混合動力汽車主要部件選型見表1。

1—前軸；2—前主減速器；3—自動變速器；4—前離合器；5—前驅電機；6—后離合器；7—整車控制器；8—發(fā)動機；9—電池包；10—后驅電機；11—后主減速器；12—后軸。

表1 混合動力汽車主要部件參數(shù)

1.2 工作原理

車輛行駛過程中前驅電機和后驅電機均可以驅動車輛，同時也可以作為發(fā)電機發(fā)電和回收制動能量。車輛通過前后離合器的接合與斷開以及發(fā)動機、電機的不同工作狀態(tài)實現(xiàn)整車在多種工作模式下運行。車輛工作模式見表2。

表2 四輪驅動混合動力汽車工作模式

2 發(fā)動機起動過程轉矩協(xié)調控制

2.1 車輛動力學分析

在不同的驅動模式下，四輪驅動混合動力汽車不同動力源間轉速、轉矩關系為

(1)

式中：Twheel為車輪處的總驅動轉矩；Te為發(fā)動機輸出轉矩；TISG為前驅電機輸出轉矩；icvt為自動變速器速比；i0F為前主減速器速比；Tm為后驅電機輸出轉矩；i0R為后主減速器速比；wwheel為車輪轉速；we為發(fā)動機轉速；wISG為前驅電機轉速；wm為后驅電機轉速。

當車輛處于純電動行駛模式時，發(fā)動機不參與工作，前離合器處于接合狀態(tài)，后離合器斷開，后驅電機單獨驅動車輛，ISG電機保持恒定轉速狀態(tài)，以維持CVT油路潤滑。若車輛需要切換至混合驅動模式，此時前后離合器均處于接合狀態(tài)，在模式切換過程中，需提供額外轉矩供發(fā)動機起動。

2.2 發(fā)動機起動轉矩確定

發(fā)動機起動轉矩需要使發(fā)動機在較短的時間內飛輪從靜止達到預定轉速，以保證發(fā)動機正常起動。發(fā)動機起動轉矩以發(fā)動機靜態(tài)轉動阻力矩為基準，同時考慮離合器接合壓力和電機轉速，其參考函數(shù)計算公式如下：

(2)

式中：Tes為發(fā)動機靜態(tài)阻力轉矩；J為飛輪轉動慣量；t為飛輪從靜止達到預定轉速的時間；Ts為發(fā)動機起動轉矩；p為離合器接合壓力；n為ISG電機轉速。

2.3 離合器接合壓力控制

后離合器在模式切換過程中起到傳遞發(fā)動機起動轉矩的作用，離合器在接合過程中轉矩傳遞關系可以表示為

Tc=zμcAcpcsgn(Δc)。

(3)

式中：Tc為離合器傳遞轉矩；z為離合器摩擦片數(shù)；μc為摩擦片間動摩擦因數(shù)；Ac為摩擦片有效面積；pc為離合器壓力；Δc為離合器主從動端轉速差；sgn為符號函數(shù)，當離合器正向接合時函數(shù)值取1，當時離合器斷開時函數(shù)值取0，當時離合器反向接合時函數(shù)值取-1。

本研究的控制思路為后離合器在發(fā)動機點火輸出轉矩之前僅傳遞發(fā)動機起動所需轉矩，點火輸出轉矩后，離合器處于完全接合狀態(tài)，即發(fā)動機點火輸出轉矩之前

Tc=Tes。

(4)

在給定離合器結構參數(shù)值均確定的情況下，離合器傳遞轉矩可以通過控制離合器接合壓力實現(xiàn)，將式(2)、式(4)代入式(3)可得離合器接合壓力為

(5)

離合器接合壓力、ISG電機轉速以及發(fā)動機起動轉矩的關系見圖2。

2.4 電機補償轉矩

鑒于電機轉矩響應快、精度高的特點，發(fā)動機起動轉矩由電機提供。四輪混合動力汽車前后軸均有電機，其中前驅電機通過后離合器與發(fā)動機連接，后驅電機則單獨驅動后軸。本研究從降低控制難度的角度出發(fā)，選定后驅電機為發(fā)動機提供補償轉矩，結合式(1)、式(2)，模式切換過程中，在保證車輛正常行駛輸出轉矩的情況下，后驅電機提供的額外補償轉矩為

(6)

式中：Tms為后驅電機提供的額外補償轉矩。

2.5 發(fā)動機轉速控制

模式切換要求在盡量短的時間內完成從純電動到混合驅動的切換，一方面發(fā)動機的起動轉矩能夠使發(fā)動機盡快達到起動轉速，另一方面發(fā)動機的轉速應盡快達到穩(wěn)定值。

而發(fā)動機往往具有非線性、多工況、時變時滯等特點，發(fā)動機起動過程實際轉速與目標轉速示意見圖3。由圖3可看出，發(fā)動機在起動時的實際轉速波動較大，不能滿足模式切換中轉速快速跟隨的要求。

圖3 發(fā)動機起動轉速示意

比例-積分-微分(PID)控制在不需要確切了解被控對象數(shù)學模型的基礎上，根據經驗調節(jié)控制其參數(shù)即可取得良好的效果，結構簡單，穩(wěn)定性好?；诖?，采用PID控制方法對發(fā)動機轉速進行控制，控制系統(tǒng)結構圖見圖4。

圖4 發(fā)動機轉速PID控制結構

發(fā)動機轉速PID控制器依據發(fā)動機電控節(jié)氣門開度與轉速、轉矩之間的關系建立，以前驅電機轉速和發(fā)動機實際轉速誤差為輸入，發(fā)動機轉速為輸出。圖中Kp，Ki，Kd分別為比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)參數(shù)，其參數(shù)值與發(fā)動機參數(shù)相關，可以通過對發(fā)動機實際轉速響應特性的分析，實現(xiàn)對上述參數(shù)的整定，以達到最優(yōu)控制效果?？刂埔剡壿嬯P系見圖5。

圖5 控制要素邏輯關系示意

3 臺架試驗

基于上述設計的模式切換控制策略，利用dSPACE MicroAutoBox構建了四輪驅動混合動力汽車模式切換快速控制原型(Rapid Control System，RCP)，并進行了臺架試驗。試驗臺架布置見圖6。

圖6 臺架試驗布置方案

圖6中，發(fā)動機、ISG電機、自動變速器以及前后離合器并行布置，形成前軸的動力輸出，后驅電機通過轉矩耦合裝置與自動變速器輸出軸并聯(lián)，使得四輪驅動混合動力汽車的驅動形式在試驗臺架上得到實現(xiàn)，同時，在轉矩耦合裝置輸出端設置測功機實現(xiàn)對車輛運行工況的監(jiān)測。RCP作為控制單元，與發(fā)動機、ISG電機、自動變速器以及前后離合器實現(xiàn)信號連接，并能夠對上述部件實現(xiàn)主動控制，以達到模式切換協(xié)調控制的效果。臺架試驗實物見圖7。

圖7 臺架試驗實物圖

臺架試驗選擇車輛加速行駛工況，在邏輯門限值能量管理策略的控制下，車輛在某一時刻由純電動模式切換至混合驅動模式，該過程試驗結果見圖8。

圖8a中階梯狀曲線為車輛驅動模式示意，第一階段為純電動，第二階段為模式切換階段，第三階段為混合驅動階段。由圖中可以看出，四輪驅動混合動力汽車加速行駛過程中，處于純電動模式時，后驅電機單獨提供動力，發(fā)動機轉速為0，ISG電機轉速恒定以維持CVT油壓；后離合器此時斷開，接合壓力為0，如圖8b所示。在某一時刻進行模式切換后，后離合器接合壓力增加，后驅電機提供補償轉矩，通過后離合器傳遞至發(fā)動機，帶動發(fā)動機轉動，當轉速達到特定轉速(600 r/min)時發(fā)動機點火，此時對發(fā)動機轉速進行PID閉環(huán)控制，防止出現(xiàn)較大轉速波動，并在很短時間內實現(xiàn)與ISG電機的同步，如圖8b、圖8c；當發(fā)動機與ISG電機實現(xiàn)轉速同步后，后離合器壓緊，此時接合壓力最大。圖8a中混合驅動模式中ISG電機轉速與發(fā)動機轉速存在一定轉速差，這是由于在信號采集過程中所用傳感器不同，實際情況則是在離合器完全結合情況下，兩者轉速相同。在切換過程中，車輛速度未出現(xiàn)較大波動，加速曲線較為平滑，沖擊度小，如圖8c所示，表明模式切換過程中未出現(xiàn)較大的轉矩波動。

圖8 臺架試驗結果

4 實車試驗

為進一步驗證設計的控制策略，在臺架試驗的基礎上，進行了實車試驗，以四輪驅動混合動力汽車為試驗載體，選擇某段直行路面，以駕駛員正常駕駛為試驗工況，測試過程中重點分析模式切換過程中各部件參數(shù)。實車試驗見圖9。

圖9 實車轉鼓試驗圖

實車轉鼓試驗結果見圖10。由圖10可以看出，當車速為35 km/h時，車輛由純電動模式切換至混合驅動模式，初始時刻ISG電機轉速略有下降，這是由于離合器由斷開進入接合狀態(tài)，離合器接合壓力由0切換至定壓力，傳遞起動轉矩至發(fā)動機，帶動發(fā)動機轉速提升。發(fā)動機點火后，其轉速會有波動，并會高于ISG轉速，此時在PID控制器作用下，轉速迅速與ISG電機同步，隨后后離合器完全接合，發(fā)動機輸出轉矩，完成模式切換，該過程中發(fā)動機起動轉矩完全由后驅電機提供。圖10c中，模式切換過程中后驅電機轉矩下降，這是由于輪邊需求轉矩減小的緣故，此時后驅電機仍提供發(fā)動機補償轉矩。實車試驗中，車速曲線較為平滑，表明行駛過程中未出現(xiàn)動力沖擊，如圖10b所示，進一步驗證了控制策略的有效性。

圖10 實車轉鼓試驗結果

5 結束語

針對四輪驅動混合動力汽車，制定了從純電動模式切換至混合驅動模式的模式切換協(xié)調控制策略，搭建了試驗臺架及實車轉鼓試驗平臺，對該控制策略進行了測試。臺架試驗和實車試驗表明，模式切換協(xié)調控制策略能夠確保純電動向混合驅動切換的正常進行，切換過程中車速維持正常，未出現(xiàn)動力沖擊。模式切換過程中實現(xiàn)了對離合器接合壓力的控制，合理地確定了發(fā)動機起動轉矩，同時，發(fā)動機轉速在PID控制下，未出現(xiàn)較大波動，迅速完成與ISG電機的轉速同步。