單行星排混聯(lián)式混合動力汽車模式切換控制策略研究

【摘要】為提高整車經(jīng)濟(jì)性，提出一種單行星排混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，并以重型商用牽引車為研究對象，根據(jù)動力性指標(biāo)開展了整車部件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，以發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制為基本原則，制定了整車頂層工作模式及子工作模式的切換規(guī)則。最后，利用Simulink編寫模式切換策略控制程序，基于Cruise建立整車經(jīng)濟(jì)性仿真模型并進(jìn)行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明，采用該混合動力構(gòu)型的車輛在快運(yùn)工況和煤炭運(yùn)輸工況下的燃油消耗量均低于傳統(tǒng)燃油車。

關(guān)鍵詞：行星排 混合動力汽車 模式切換 重型商用車

中圖分類號：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240348

Research on Mode Switching Control Strategy of Single-Planet Platoon Hybrid Electric Vehicle

Zhai Xiuli， Wang Lei， Li Chuanlong， Xu Changhe， Zhao Wei， Zhao Luyang

（Commercial Vehicle Development Institute， FAW Jiefang Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】To improve vehicle economy， this paper proposes a single planetary array hybrid system. Taking the heavy commercial tractor as the research object， the key parameters of automotive components are designed according to power performance indicators. The optimal control of the engine is taken as the basic principle， and the switching principles of the top-level working mode and sub-working mode of the vehicle are formulated. The mode switch strategy control program is written using Simulink， and the vehicle economic simulation model is established using Cruise. The results show that fuel consumption of the hybrid vehicle is lower than that of the traditional fuel vehicle in the fast transportation and coal transportation condition.

Key words： Planetary array， Hybrid electric vehicle， Mode switch， Heavy commercial vehicle

【引用格式】 翟秀麗， 王雷， 李傳龍， 等. 單行星排混聯(lián)式混合動力汽車模式切換控制策略研究[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 1-8.

ZHAI X L， WANG L， LI C L， et al. Research on Mode Switching Control Strategy of Single-Planet Platoon Hybrid Electric Vehicle[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 1-8.

1 前言

隨著法規(guī)對整車燃油消耗量的要求逐步加嚴(yán)[1]，重型傳統(tǒng)燃油車的燃油消耗量將不符合油耗要求，重型混合動力商用車的開發(fā)迫在眉睫。根據(jù)整車功率傳輸路徑的不同，混合動力汽車可以分為串聯(lián)式混合動力汽車、并聯(lián)式混合動力汽車和混聯(lián)式混合動力汽車[2]。其中混聯(lián)式混合動力汽車在動力性能、能量回收及適用工況方面優(yōu)于串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車。目前，針對重型單行星排式混聯(lián)構(gòu)型的整車油耗計(jì)算方法研究較少。為此，本文提出一種單行星排混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，動力源包括發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)，利用電機(jī)和發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速和扭矩雙解耦，并分析不同工作模式下部件的工作狀態(tài)，制定頂層工作模式和子工作模式的切換規(guī)則，以期提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 單行星排混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)模型

本文提出的單行星排混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)如圖1所示，主要部件包括發(fā)動機(jī)、電機(jī)MG1、電機(jī)MG2、變速器、常開制動器B1、常開離合器C1、單向常開離合器C2等。發(fā)動機(jī)通過扭轉(zhuǎn)減振器與行星排的行星架輸入軸連接，電機(jī)MG1、MG2分別與行星排的太陽輪軸、齒圈軸連接，齒圈軸為行星排的動力輸出軸。電機(jī)MG1的輸出軸上設(shè)有常開制動器B1，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)MG1的鎖死。電機(jī)MG2的輸出軸上設(shè)有常開離合器C1，可斷開電機(jī)MG2與齒圈軸的連接。行星架輸入軸上設(shè)有單向常開離合器C2，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)鎖死。

相較于傳統(tǒng)燃油車的動力系統(tǒng)，該混合動力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的雙解耦。行星排將電機(jī)MG1與發(fā)動機(jī)耦合，電機(jī)MG1可調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，通過齒圈端向變速器輸入轉(zhuǎn)速。電機(jī)MG2與輸出齒圈端連接，可調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)扭矩，共同輸出為車輛提供行駛動力。

3 系統(tǒng)工作特性分析及動力匹配

混合動力汽車行駛工況可分為驅(qū)動工況和制動工況，驅(qū)動工況主要包括純電驅(qū)動模式、發(fā)動機(jī)直驅(qū)模式、行車發(fā)電模式和混合驅(qū)動模式[3]，制動工況主要包括制動能量回收模式和全制動模式。不同模式下制動器、離合器、動力元件工作的狀態(tài)如表1所示，其中信號0代表不控制、信號1代表控制。

以某6×4重型商用牽引車為例，根據(jù)動力性目標(biāo)進(jìn)行混合動力系統(tǒng)部件的關(guān)鍵參數(shù)匹配設(shè)計(jì)[4]，車型的基本參數(shù)及整車部件關(guān)鍵參數(shù)如表2、表3所示。

4 整車控制策略

本文采用發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制策略，利用發(fā)電機(jī)與驅(qū)動電機(jī)協(xié)調(diào)控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩工作點(diǎn)，將發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)控制在最佳燃油消耗曲線上，使整車的燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)[5]。

4.1 工作模式劃分

整車頂層工作模式可分為停車模式、制動模式和驅(qū)動模式。按照整車駕駛需求和部件狀態(tài)可進(jìn)一步細(xì)分，停車模式可分為停車充電模式和全停車模式，制動模式可分為機(jī)械制動模式和制動能量回收模式，驅(qū)動模式可分為純電驅(qū)動模式、發(fā)動機(jī)直驅(qū)模式、行車發(fā)電模式和混合驅(qū)動模式。

4.2 頂層工作模式切換

基于駕駛員操作狀態(tài)、當(dāng)前擋位和車速制定停車模式、制動模式及驅(qū)動模式的切換規(guī)則，主要控制邏輯為：

a. 車速降為0，且擋位為空擋或踩下離合器踏板時，車輛由制動模式切換為停車模式。

b. 松開制動踏板并踩下加速踏板時，車輛由制動模式切換為驅(qū)動模式。

c. 松開加速踏板并踩下制動踏板時，車輛由驅(qū)動模式切換為制動模式。

d. 車速不為0，且踩下加速踏板、未踩制動踏板時，車輛由停車模式切換為驅(qū)動模式。

4.3 子工作模式切換

4.3.1 停車模式切換

根據(jù)電池荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）制定停車充電模式和全停車模式的切換規(guī)則：當(dāng)電池SOC低于設(shè)定值時，進(jìn)入停車充電模式；當(dāng)電池SOC較高時，進(jìn)入全停車模式。

4.3.2 制動模式切換

根據(jù)電池SOC制定機(jī)械制動模式和制動能量回收模式的切換規(guī)則：當(dāng)電池SOC較高時，進(jìn)入機(jī)械制動模式；當(dāng)電池SOC低于設(shè)定值時，進(jìn)入制動能量回收模式。

4.3.3 驅(qū)動模式切換

根據(jù)駕駛員需求扭矩、行星排齒圈端轉(zhuǎn)速或車速、電池SOC制定驅(qū)動模式各子模式的切換規(guī)則，如圖2所示。

純電驅(qū)動模式下驅(qū)動部件為電機(jī)MG2，發(fā)動機(jī)不參與工作，適用于低需求扭矩、低車速的工況，其進(jìn)入條件為駕駛員在齒圈端的需求扭矩小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)MG2的最大轉(zhuǎn)矩，齒圈轉(zhuǎn)速小于一定值且電池SOC大于0.6。直驅(qū)模式下驅(qū)動部件為發(fā)動機(jī)，適用于高速工況，其進(jìn)入條件為駕駛員在齒圈端的需求扭矩及轉(zhuǎn)速按照行星排扭矩比例計(jì)算后，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩工作點(diǎn)在最佳燃油消耗區(qū)，且電池SOC充足。行車發(fā)電模式下驅(qū)動部件為發(fā)動機(jī)，與直驅(qū)模式下齒圈轉(zhuǎn)速和駕駛員在齒圈端的需求扭矩要求一致，不同的是電池SOC小于一定值。其余條件下均采用混合驅(qū)動模式，根據(jù)當(dāng)前電池SOC狀態(tài)，混合驅(qū)動模式可分為放電、電量保持及充電3種狀態(tài)。其中SOC決定發(fā)動機(jī)、電機(jī)MG1和電機(jī)MG2的工作狀態(tài)，3個部件協(xié)調(diào)工作。

綜上，頂層工作模式與子工作模式的切換規(guī)則如圖3所示。

4.4 動力分配策略設(shè)計(jì)

4.4.1 整車需求功率計(jì)算

整車需求功率主要包括駕駛員需求功率和電池充電功率[6]。

駕駛員需求功率主要取決于整車動力性需求，體現(xiàn)為實(shí)時的加速踏板開度信號，如圖4所示。

其中一維表格為混合動力系統(tǒng)的齒圈端最大輸出扭矩能力，如圖5所示，根據(jù)發(fā)動機(jī)、電機(jī)MG1和電機(jī)MG2的最大能力確定。

電池充電功率是為滿足電池電量平衡而額外輸出的功率，根據(jù)當(dāng)前電池SOC確定，其計(jì)算模型如圖6所示。考慮發(fā)動機(jī)功率與燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系確定發(fā)動機(jī)的最小輸出功率。當(dāng)駕駛員需求功率與電池充電功率之和小于發(fā)動機(jī)最小輸出功率時，控制發(fā)動機(jī)以最小輸出功率工作，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能。

4.4.2 純電驅(qū)動模式

純電驅(qū)動模式下，單向常開離合器C2斷開，發(fā)動機(jī)不提供動力，常開制動器B1斷開，電機(jī)MG1工作，常開離合器C1接合，電機(jī)MG2為整車提供驅(qū)動力，行星架鎖死，齒圈為主動件，太陽輪隨轉(zhuǎn)。此模式下發(fā)動機(jī)停機(jī)、電機(jī)MG1隨轉(zhuǎn)、電機(jī)MG2驅(qū)動。

在Simulink中，電機(jī)MG2與電機(jī)MG1的控制程序如圖7所示。

4.4.3 直驅(qū)模式

發(fā)動機(jī)直驅(qū)模式下，單向常開離合器C2閉合，發(fā)動機(jī)為整車動力源，常開制動器B1閉合，電機(jī)MG1不工作，常開離合器C1接合，電機(jī)MG2不輸出轉(zhuǎn)矩，行星架為主動件，太陽輪鎖死，齒圈輸出動力至變速器為整車提供動力。此模式下發(fā)動機(jī)驅(qū)動、電機(jī)MG1停機(jī)、電機(jī)MG2空轉(zhuǎn)，控制程序如圖8所示。

4.4.4 行車發(fā)電模式

行車發(fā)電模式下，單向常開離合器C2閉合，發(fā)動機(jī)為整車動力源，常開制動器B1斷開，電機(jī)MG1發(fā)電，常開離合器C1接合，電機(jī)MG2不工作，行星架為主動件，太陽輪隨轉(zhuǎn)。此模式下發(fā)動機(jī)驅(qū)動、電機(jī)MG1發(fā)電、電機(jī)MG2空轉(zhuǎn)，控制程序如圖9所示。

在行車發(fā)電模式下，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩工作點(diǎn)可調(diào)，故控制發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)在最優(yōu)工作曲線上。在MATLAB中利用griddata插值函數(shù)計(jì)算發(fā)動機(jī)在不同功率下的最佳工作點(diǎn)，發(fā)動機(jī)的最佳燃油消耗曲線如圖10所示[7]。

4.4.5 混合驅(qū)動模式

混合驅(qū)動模式下，單向常開離合器C2閉合，發(fā)動機(jī)工作，常開制動器B1斷開，電機(jī)MG1工作，常開離合器C1接合，電機(jī)MG2工作。

在該模式下需協(xié)調(diào)控制發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制。主要控制原則是根據(jù)整車需求功率和發(fā)動機(jī)最佳燃油消耗曲線選擇當(dāng)前的工作點(diǎn)，利用電機(jī)MG1實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，利用電機(jī)MG2實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)扭矩的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的雙解耦[8]，如圖11所示。

圖12所示為電機(jī)MG1與電機(jī)MG2的控制程序。電機(jī)MG1的期望轉(zhuǎn)矩是PID控制的輸出量，PID的輸入量是發(fā)動機(jī)的需求轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的差值。電機(jī)MG2的期望轉(zhuǎn)矩根據(jù)整車需求扭矩與發(fā)動機(jī)提供扭矩的差值計(jì)算。

4.4.6 制動能量回收模式

制動能量回收模式下，單向常開離合器C2閉合，發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)，常開制動器B1斷開，電機(jī)MG1空轉(zhuǎn)，常開離合器C1接合，電機(jī)MG2發(fā)電。此模式下發(fā)動機(jī)怠速、電機(jī)MG1空轉(zhuǎn)、電機(jī)MG2發(fā)電，實(shí)現(xiàn)制動能量回收，控制程序如圖13所示。

5 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

5.1 Cruise與Simulink的信號配置

基于各部件選型及整車參數(shù)，在Cruise中建立單行星排式混合動力整車模型。選擇發(fā)動機(jī)、電機(jī)、行星排、輪胎、電池、主減速器等模塊，將整車基本參數(shù)及動力部件參數(shù)輸入相應(yīng)模塊中，并在模塊間進(jìn)行機(jī)械連接及數(shù)據(jù)控制信號連接，整車的控制策略在Simulink中編譯后集成在MATLAB動態(tài)鏈接庫（Dynamic Linkable Library，DLL）模塊中，搭建完成的整車模型如圖14所示。其中，采用MATLAB DLL模塊將Simulink控制信號與整車部件連接，實(shí)現(xiàn)Simulink與Cruise的交互[9-10]。

5.2 整車經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

牽引車的常用運(yùn)輸場景包括冷鏈、快遞和煤炭運(yùn)輸?shù)?，仿真路況包含快運(yùn)路譜和煤炭運(yùn)輸路譜，在循環(huán)工況運(yùn)行（Cycle Run）任務(wù)中添加路譜，設(shè)置駕駛員駕駛行為，求解百公里油耗及電耗，結(jié)果如表4所示?？爝\(yùn)工況循環(huán)時間為20 000 s，行駛距離為364 km，百公里綜合油耗為22.19 L，傳統(tǒng)燃油車百公里油耗為24.80 L。煤炭運(yùn)輸工況循環(huán)時間為20 000 s，行駛距離為233 km，百公里綜合油耗為33.47 L，傳統(tǒng)燃油車百公里油耗為39.72 L。

5.3 仿真結(jié)果分析

以快運(yùn)工況為例，分析整車車速對路譜速度的跟隨情況，以驗(yàn)證上述整車模式切換控制規(guī)則的合理性，并詳細(xì)分析典型驅(qū)動模式中純電驅(qū)動模式與混合驅(qū)動模式下各部件狀態(tài)，以檢驗(yàn)整車控制策略程序編寫的準(zhǔn)確性。

5.3.1 車速跟隨分析

圖15所示為快運(yùn)工況下車速與路譜速度的仿真對比結(jié)果，車速仿真結(jié)果與路譜速度基本保持一致，誤差較小，驗(yàn)證了控制策略的合理性。

5.3.2 純電驅(qū)動模式分析

如圖16所示，截取快運(yùn)工況的一部分起步路譜，車速由0提高至20 km/h，對混合動力系統(tǒng)的純電驅(qū)動模式進(jìn)行策略分析。其中，模式1～模式5分別為純電驅(qū)動模式、混合驅(qū)動模式、制動能量回收模式、全制動模式、停車發(fā)電模式。在第860 s前，整車處于停車發(fā)電工作模式。第860 s至第940 s，整車開始起步運(yùn)行，電池SOC充足，駕駛員需求功率較小，進(jìn)入純電驅(qū)動模式。電機(jī)MG2作為驅(qū)動元件，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與車速耦合，兩者曲線的整體趨勢一致。由于在第920 s左右變速器升擋，電機(jī)MG2轉(zhuǎn)速迅速下降、轉(zhuǎn)矩迅速上升，發(fā)動機(jī)不工作，因Cruise仿真模型中發(fā)動機(jī)與行星架之間無減振器，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩不為0。電機(jī)MG1處于隨轉(zhuǎn)狀態(tài)，按照行星排轉(zhuǎn)速與扭矩之間的關(guān)系，電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩成一定比例。

5.3.3 混合驅(qū)動模式分析

如圖17所示，截取快運(yùn)工況的一段路譜，速度由60 km/h提高到76 km/h，整車由制動能量回收模式進(jìn)入混合驅(qū)動模式。發(fā)動機(jī)基本始終穩(wěn)定工作在1 100 r/min、2 000 N·m左右，對照發(fā)動機(jī)燃油MAP曲線，此工作點(diǎn)具有較小的燃油消耗量，符合發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制的整車策略。當(dāng)前工作擋位為4擋，電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速與車速呈正相關(guān)。電機(jī)MG2提供的轉(zhuǎn)矩由整車需求扭矩決定，補(bǔ)充動力需求不足的部分。電機(jī)MG1在混動工作狀態(tài)中，工作點(diǎn)由發(fā)動機(jī)和電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩按照行星排特性確定。

6 結(jié)束語

本文針對單行星排混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，根據(jù)整車動力性指標(biāo)進(jìn)行了部件關(guān)鍵參數(shù)的匹配，重點(diǎn)研究了整車模式切換控制策略，包括頂層工作模式及各子工作模式的切換規(guī)則，利用MATLAB/Simulink編寫整車控制邏輯程序，與Cruise聯(lián)合仿真分析整車經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)果表明，采用該混合動力構(gòu)型的車輛在快運(yùn)工況和煤炭運(yùn)輸工況下的燃油消耗量均低于傳統(tǒng)燃油車。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年10月12日。