混合動(dòng)力汽車模式切換控制策略

彭耀潤，王金航，徐 寅，吳 蒙，李 歡

混合動(dòng)力汽車模式切換控制策略

彭耀潤，王金航，徐 寅，吳 蒙，李 歡

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池充電能力低時(shí)，電池充電能力無法兼顧模式切換調(diào)速發(fā)電和能量回收發(fā)電，滑行能量回收過程模式切換會(huì)引起整車不平順。針對(duì)此問題，提出一種混合動(dòng)力汽車能量回收過程的模式切換控制策略。根據(jù)車輛實(shí)時(shí)信息識(shí)別模式切換類型和能量回收的狀態(tài)，模式切換類型為串聯(lián)切換并聯(lián)并且車輛處于能量回收狀態(tài)，通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩至斷油扭矩和延長模式切換的調(diào)速時(shí)間，減小調(diào)速過程發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。整車標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究的模式切換控制策略能夠保證輪端按照目標(biāo)回收扭矩進(jìn)行回收，并顯著提升了滑行能量回收過程模式切換的整車平順性。

混合動(dòng)力汽車；能量回收；模式切換；調(diào)速發(fā)電；整車平順性

混合動(dòng)力汽車因其節(jié)約能源、污染排放低等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今汽車研究與發(fā)展的熱門領(lǐng)域[1-2]?；旌蟿?dòng)力汽車行駛過程中，其能量分配策略會(huì)根據(jù)具體行駛工況將混合動(dòng)力汽車控制在不同的工作模式，然后在各個(gè)工作模式下分別控制各個(gè)動(dòng)力源的工作狀態(tài)[3]。混合動(dòng)力汽車在模式切換過程中常常伴隨離合器同步器的分離與接合，所以在模式切換過程中可能造成整車動(dòng)力輸出不足或總輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大的問題，由此引起的瞬態(tài)沖擊會(huì)對(duì)整車的行駛平順性和乘坐舒適性產(chǎn)生影響[4-6]。

混合動(dòng)力汽車在能量回收過程中，需要通過發(fā)電機(jī)發(fā)電將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下拉以完成模式切換。混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池在低溫或滿電的情況下，電池充電功率小，能量回收和調(diào)速發(fā)電產(chǎn)生的充電功率遠(yuǎn)大于電池的充電功率，如何實(shí)現(xiàn)電池低充電功率下能量回收與模式切換的協(xié)調(diào)控制，并保證電池不過充和整車平順性成為關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。本文以提高整車平順性為目標(biāo)，對(duì)模式切換過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析并制定相應(yīng)的控制策略，最后在低溫環(huán)境下進(jìn)行整車標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模式切換控制策略顯著提升了滑行能量回收過程模式切換時(shí)的整車平順性。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的混合動(dòng)力汽車為串并聯(lián)構(gòu)型的混合動(dòng)力汽車，動(dòng)力總成配置由發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2擋混動(dòng)專用變速箱等組成，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車構(gòu)型

該混動(dòng)系統(tǒng)具備純電、串聯(lián)和并聯(lián)三種模式。通過控制離合器/制動(dòng)器的接合或斷開組合形式，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)模式與并聯(lián)模式之間的切換，以及并聯(lián)模式下不同擋位之間的切換。

2 混合動(dòng)力汽車模式切換原理

混合動(dòng)力汽車目標(biāo)模式和當(dāng)前模式不一致時(shí)，整車控制器通過控制離合器/制動(dòng)器的斷開或接合，從當(dāng)前模式切換到目標(biāo)模式。在串聯(lián)模式，離合器和制動(dòng)器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速解耦。并聯(lián)模式分為并聯(lián)1擋和并聯(lián)2擋，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速耦合。在并聯(lián)1擋，制動(dòng)器接合，離合器分離，在并聯(lián)2擋，制動(dòng)器分離，離合器接合。在并聯(lián)模式1擋和2擋切換時(shí)，切換過程離合器斷開，為增程模式，并聯(lián)模式擋位切換過程為并聯(lián)模式當(dāng)前擋位-串聯(lián)模式-并聯(lián)模式目標(biāo)擋位。駕駛員需求扭矩大時(shí)，目標(biāo)模式為串聯(lián)模式，駕駛員需求扭矩小時(shí)，目標(biāo)模式為并聯(lián)1擋或并聯(lián)2擋。當(dāng)駕駛員踩大油門后松油門，整車會(huì)從驅(qū)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)槟芰炕厥諣顟B(tài)，動(dòng)力擋切換至非動(dòng)力擋，即從串聯(lián)模式切換至并聯(lián)1擋/2擋或并聯(lián)1擋切換至并聯(lián)2擋。動(dòng)力擋對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，非動(dòng)力擋對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，動(dòng)力擋切換非動(dòng)力擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需要下拉至非動(dòng)力擋對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。本文主要研究能量回收過程串聯(lián)模式切換并聯(lián)模式的模式切換控制，將串聯(lián)切換并聯(lián)的過程分為兩個(gè)階段，調(diào)速階段和離合器/制動(dòng)器接合階段。

在串聯(lián)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩為

d=l/d（1）

式中，l為輪端扭矩；d為驅(qū)動(dòng)電機(jī)至輪端的速比。

整車處于能量回收狀態(tài)時(shí)，d為負(fù)扭矩，能量回收產(chǎn)生的電池充電功率為

式中，d為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；d為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的電池充電功率為

式中，g為發(fā)電機(jī)扭矩；g為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；g為發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率；e為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；e為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；e為發(fā)動(dòng)機(jī)至發(fā)電機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)效率。

串聯(lián)模式，能量回收和發(fā)動(dòng)機(jī)工作發(fā)電產(chǎn)生的電池充電功率為

在串聯(lián)模式切換并聯(lián)模式的調(diào)速階段，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下拉至并聯(lián)1擋或并聯(lián)2擋對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在調(diào)速階段，離合器/制動(dòng)器斷開，還屬于串聯(lián)模式，能量回收產(chǎn)生的電池充電功率為

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速是通過提高發(fā)電機(jī)扭矩將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下拉，根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式有

f=gg（7）

式中，f為換算到發(fā)動(dòng)機(jī)端的發(fā)電機(jī)扭矩；g為發(fā)電機(jī)扭矩；g為發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)的速比。

由式（6）和式（7）可知發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速過程需要的發(fā)電機(jī)扭矩為

式中，e為發(fā)動(dòng)機(jī)及與發(fā)動(dòng)機(jī)相連部件組成的整個(gè)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速過程產(chǎn)生的電池充電功率為

輪端能量回收和調(diào)速產(chǎn)生的電池充電功率為

可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速階段產(chǎn)生的功率由輪端回收功率、發(fā)動(dòng)機(jī)工作和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速產(chǎn)生的功率三部分組成。

離合器/制動(dòng)器接合階段產(chǎn)生的電池充電功率為

在并聯(lián)模式，離合器完全接合，使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電池充電功率表由能量回收功率和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率組成：

式中，ed為發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)效率。

由上述分析可知，在調(diào)速過程，調(diào)速會(huì)產(chǎn)生更多的發(fā)電功率。低溫下電池充電功率小，若輪端回收和發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)成的功率大于或接近電池充電功率，此時(shí)模式切換調(diào)速會(huì)增加更多的充電功率。以往策略為保證模式切換成功且電池不過充，通過減小輪端回收扭矩，轉(zhuǎn)讓部分功率用于調(diào)速，但會(huì)造成輪端回收扭矩不線性，整車平順性差，因此，有必要制定合適的模式切換控制策略，提升模式切換過程的整車平順性。

3 混合動(dòng)力汽車模式切換控制策略

由式（10）可知，模式切換調(diào)速階段影響電池充電功率的能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速，減小上述各方面的功率，均可以減小對(duì)電池的充電功率。本文從減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速速度兩方面著手，設(shè)計(jì)模式切換過程的控制策略。檢測到輪端扭矩為負(fù)值時(shí)，判斷為整車處于能量回收狀態(tài)，設(shè)計(jì)的能量回收過程模式切換控制策略如圖2所示。

圖2 能量回收過程模式切換控制

在調(diào)速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制和離合器/制動(dòng)器油壓控制同時(shí)進(jìn)行。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比例、積分和微分（Proportional Integral Derivative, PID）閉環(huán)控制計(jì)算發(fā)電機(jī)目標(biāo)扭矩，控制發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速按照目標(biāo)轉(zhuǎn)速逐漸過渡至目標(biāo)擋位對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制

輪端扭矩為負(fù)值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)扭矩從當(dāng)前扭矩快速按一定斜率減小至發(fā)動(dòng)機(jī)斷油扭矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)徹底斷油。

請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)的方式為快扭方式，快扭能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)的速度，快速減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，避免發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)不及時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率減小過慢。在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩減小至斷油扭矩后，請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)的方式為慢扭方式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，無需發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩快速響應(yīng)。

3.離合器/制動(dòng)器壓力控制

目標(biāo)擋位離合器/制動(dòng)器的油壓預(yù)充至半接合點(diǎn)，不傳遞扭矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)擋位對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)速差小于一定閥值時(shí)，進(jìn)入離合器/制動(dòng)器接合階段。

離合器/制動(dòng)器接合階段，控制離合器/制動(dòng)器油壓快速上升，快速接合離合器/制動(dòng)器。

在離合器/制動(dòng)器接合階段的時(shí)間大于一定時(shí)間閥值時(shí)，判斷為模式切換完成，進(jìn)入并聯(lián)模式。

在并聯(lián)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)扭矩從斷油扭矩快速變化至0 Nm，然后按一定斜率逐漸恢復(fù)至發(fā)動(dòng)機(jī)原始目標(biāo)扭矩。

4 整車標(biāo)定驗(yàn)證

根據(jù)上述混合動(dòng)力汽車模式切換控制策略進(jìn)行軟件編寫，并進(jìn)行模式切換控制優(yōu)化前和優(yōu)化后（本研究的模式切換控制策略）的整車標(biāo)定試驗(yàn)，優(yōu)化前和優(yōu)化后的整車試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

模式切換控制優(yōu)化前，松油門后輪端按目標(biāo)扭矩進(jìn)行能量回收，在模式切換時(shí)，調(diào)速發(fā)電產(chǎn)生一定的電池充電功率，為保護(hù)電池不進(jìn)行過充，減小輪端回收扭矩。輪端回收扭矩在模式切換調(diào)速階段時(shí)減小至0 Nm，模式切換調(diào)速完成后逐漸恢復(fù)到目標(biāo)回收扭矩，滑行過程整車加速度變化幅度達(dá)0.9 m/s2，平順性差。

模式切換控制優(yōu)化后，松油門后輪端按目標(biāo)扭矩進(jìn)行能量回收，在調(diào)速開始時(shí)檢測到輪端扭矩為負(fù)值，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩從當(dāng)前扭矩減小至斷油扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)間有所延長，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)方式為快扭，模式切換過程輪端始終保持按目標(biāo)扭矩進(jìn)行回收，滑行過程整車減速度無變化，整車平順。

圖3 優(yōu)化前整車試驗(yàn)結(jié)果

圖4 優(yōu)化后整車試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

分析了混合動(dòng)力汽車模式切換過程的原理，提出了能量回收過程的模式切換控制策略，包括發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制和離合器/制動(dòng)器油壓控制的控制策略，調(diào)速階段通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩至斷油扭矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，并延長模式切換的調(diào)速時(shí)間，減小調(diào)速過程的發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。整車試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究的模式切換控制策略能夠在動(dòng)力電池充電功率無法兼容能量回收功率和模式切換調(diào)速發(fā)電的情況下，能夠確保輪端按照設(shè)計(jì)的目標(biāo)回收扭矩進(jìn)行回收，顯著提升了滑行能量回收過程模式切換的整車平順性。

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A Mode Switching Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle

PENG Yaorun, WANG Jinhang, XU Yin, WU Meng, LI Huan

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

When the charging capacity of the power battery of the hybrid electric vehicle is low, the charging capacity of the battery cannot take into account the mode switching speed regulation power generation and energy recovery power generation, and the mode switching during the coasting energy recovery process will cause the vehicle irregularity. To solve this problem, a mode switching control strategy for energy recovery process of hybrid electric vehicle is proposed. According to the real-time information of the vehicle, the mode switching type and the state of energy recovery are identified. The mode switching type is series switching parallel and the vehicle is in the state of energy recovery. By reducing the engine torque to the oil cut-off torque and the speed regulation time of mode switching is extended to reduce the power generation of the generator during the speed regulation process. The results of vehicle calibration test show that the mode switching control method in this study can ensure that the wheel end can recover according to the target recovery torque, and significantly improve the vehicle ride comfort of mode switching during the coasting energy recovery process.

Hybrid electric vehicle; Energy recovery; Mode switching; Speed regulation power generation; Vehicle ride comfort

U468.7

A

1671-7988(2023)18-47-05

彭耀潤（1985－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎嚳刂?，E-mail:pyr1211@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.010