王慧晶，王 磊，高 強，邴 建

(北京汽車研究總院有限公司，北京，101300)

混合動力汽車控制策略包括整車控制策略及換擋控制策略兩方面內容.

優(yōu)化的整車控制策略可合理分配發(fā)動機和電動機需求扭矩，提高整車動力性和經濟性.混合動力汽車轉矩分配策略主要分為4類［1］:基于規(guī)則的邏輯門限控制策略;瞬時優(yōu)化控制策略;智能控制策略和全局最優(yōu)控制策略.文中采用工程上易于實現和應用較多的基于規(guī)則的邏輯門限控制策略.

以中度混合動力為研究對象，通過建立整車正向仿真模型，對基于規(guī)則的邏輯門限控制策略和操縱換擋控制策略進行驗證分析.

1 正向仿真模型

在某前置后驅傳統汽油車基礎上改制混合動力汽車，混合動力傳動裝置由模式離合器、電機及其控制器、變速器等組成，屬于單離合器的中度混合動力系統［2］，見圖1.其中，發(fā)動機結構緊湊、排量適中、動力性好、安全性高;電機結構簡單、效率高、低速大轉矩、有較寬范圍的恒功率特性;模式離合器采用自動干式離合器，減小了傳動機構的尺寸和成本，可按要求實現不同模式的切換;變速器實現自動換擋功能.整車控制器為系統核心，可以實現整車控制.

圖1 混合動力傳動裝置圖

在MATLAB/Simulink中，按照模塊化和前向仿真的建模思路搭建混合動力汽車仿真模型平臺，包括預設置、駕駛員、控制系統、發(fā)動機、電機、動力電池、傳動機構、整車、結果顯示等模塊，見圖2.

圖2 混合動力汽車仿真模型平臺

其中，預設的模型參數通過M文件儲存并導入到模型中;駕駛員模塊加載循環(huán)工況，將工況速度與仿真車速進行PID調節(jié)后輸出加速踏板、制動踏板和擋位信號;發(fā)動機和電機模型采用實驗建模法，利用實驗數據建立查表性質的數據庫模型［3］;整車動力學模塊接收動力系統驅動轉矩并作用于車輪，減去滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力并考慮加速阻力得到車輛的車速;動力電池模型采用基于HPPC脈沖實驗得到的PNGV模型［4］;傳動機構模塊以離合器、變速器、主減速器為主，為驅動車輛扭矩輸入到動力總成扭矩輸出的傳動部件集合;控制模塊由stateflow實現整車控制算法［5］.

2 整車控制策略

整車控制策略選擇基于規(guī)則的邏輯門限控制策略，根據發(fā)動機靜態(tài)效率曲線圖，選定整車轉矩需求、電池SOC、車速等控制變量，根據預先設定的規(guī)則，判定并選擇混合動力系統的工作模式，使發(fā)動機運行在高效區(qū)，電機對發(fā)動機起填峰削谷的作用，提高汽車的燃油經濟性.

混合動力模式下，發(fā)動機工作在預先設定的某一區(qū)域內，如圖3所示的Te_max和Te_min之間的區(qū)域.當發(fā)動機的需求轉矩低于Te_min時，增大發(fā)動機輸出，抬升工作點到優(yōu)化工作區(qū)內，富余的轉矩用來驅動電機發(fā)電;當發(fā)動機的需求轉矩在Te_max和Te_min之間時，判定電池SOC狀態(tài)，如果SOC較高，則處于純發(fā)動機工作模式，如果電池SOC低于下限值，則提高發(fā)動機轉矩輸出，提供一定的富余轉矩驅動電機發(fā)電，如果電池SOC在上下限之間，同時，需求轉矩低于最優(yōu)工作點，則發(fā)動機工作在最優(yōu)工作曲線Te_optimal上;當發(fā)動機的需求轉矩大于Te_max時，優(yōu)先考慮電機提供驅動轉矩進行輔助，只有當電機不能提供足夠的助力轉矩時，才進一步增大發(fā)動機的轉矩輸出.

圖3 發(fā)動機優(yōu)化工作區(qū)域

整車控制流程圖如圖4所示，通過判斷整車信號和需求，進行整車運行模式切換.其中Treq為整車需求轉矩;Te為發(fā)動機轉矩;Tm為電機轉矩; SOC為電池荷電荷態(tài);Z為制動強度.

為了方便對比球面、 柱面和平面RT不穩(wěn)定性諧波幅值的演化, 我們選取特征量重力加速度g和擾動波長λ對諧波幅值和時間進行無量綱處理. 在下列諧波幅值演化曲線圖中, 球面RT不穩(wěn)定性中的諧波幅值統一用實線表示, 柱面RT不穩(wěn)定性諧波幅值用短線表示, 平面RT不穩(wěn)定性諧波幅值用帶點的短線表示. 3種RT不穩(wěn)定性中, 如果沒有特殊說明, 初始擾動的幅值均為0.001λ.

圖4 整車控制流程圖

3 換擋控制策略

換擋規(guī)律是各排擋之間換擋時刻隨控制參數變化的規(guī)律.根據駕駛員意圖并結合當前的工況和路況，以及發(fā)動機、電機、變速器的工作狀態(tài)，對踏板、電機、變速器進行控制，實現擋位的平穩(wěn)切換.

換擋控制需要對發(fā)動機和電機協調控制.換擋時間的減小不受發(fā)動機調速性能的限制，其長短主要與電機的調速時間有關，而電機的調速性能明顯優(yōu)于發(fā)動機，因此換擋時間將進一步減小.

換擋流程如下:

(1)摘檔前的轉矩控制:控制發(fā)動機的輸出轉矩為零，根據此時發(fā)動機轉速，查發(fā)動機MAP圖得到發(fā)動機的節(jié)氣門開度.使電機處于發(fā)電工況，發(fā)出負轉矩，控制變速箱輸入軸的轉速為零.

(2)摘檔，選擋:當變速箱輸入軸的轉矩為零時，摘檔;

(3)電機主動同步過程:電機根據目標轉速調節(jié)變速箱輸入軸的轉速.當同步器主、從動部分的轉速相等時，同步過程結束.此后，為保證順利掛檔，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，跟隨發(fā)動機輸出轉矩;

(4)換擋:即當同步器主、從部分轉速相等且發(fā)動機、電機合成輸出轉矩為零時掛擋;

(5)恢復發(fā)動機和電動機轉矩:將電機切換為驅動工況，調節(jié)節(jié)氣門開度和電機輸出轉矩使其滿足駕駛員給定的目標值，完成換擋過程.

換擋規(guī)律在保證動力性的前提下，根據各擋位的節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速，考慮減少換擋次數和燃油經濟性，設計原則如下:

(1)考慮動力性和廢氣排放，各節(jié)氣門開度的升擋點設計在較高的車速.節(jié)氣門開度小時，升擋點的發(fā)動機轉速較低，可實現平穩(wěn)換擋;

(2)節(jié)氣門全開和中等開度時，降擋速差大，可減少換擋次數，提高變速箱的使用耐久性;

(3)節(jié)氣門開度85～90%時設置強制降擋，可提前進入低檔，提高了降擋后的發(fā)動機工作轉速;

(4)合理使用超速檔.大節(jié)氣門開度 (85%以上)時，為不使動力性能變壞，不得升入超速檔;小節(jié)氣門開度 (小于25%)時，為避免發(fā)動機低速運轉而使排放增加，將換擋車速設計的高些;其余中等節(jié)氣門開度范圍，可使超速檔節(jié)省燃料的優(yōu)點得到充分發(fā)揮.

根據以上原則設計帶強制降低擋的經濟性換擋規(guī)律，降擋速差隨油門開度增大而增大，可實現干預換擋，有利于減少換擋次數，提高燃油經濟性.換擋規(guī)律如圖5，其中實線為升擋曲線，虛線為降擋曲線.

圖5 經濟性換擋曲線

4 仿真分析

運行市區(qū)、市郊、NEDC工況和典型中國城市工況對所建混動模型和設計的控制算法進行仿真分析，所得混合動力各工況油耗和傳統車NEDC油耗結果見表1.

表1 各工況下油耗結果

可以看出，在NEDC工況下，混合動力汽車油耗較傳統車油耗節(jié)約23.4%，其中市區(qū)工況節(jié)油效果較為明顯，達到了32.6%.說明市區(qū)頻繁怠速停機和制動能量回收的利用節(jié)油潛力較大，符合混合動力節(jié)油機制.

電池SOC運行變化見圖6，可知無論設置初始SOC高或低，最終均可穩(wěn)定在0.6處，符合整車和電池的控制和保護要求.

圖6 電池SOC運行圖

由以上仿真結果可以看出，應用整車控制策略和換擋控制策略后，混合動力汽車節(jié)油效果明顯，SOC能穩(wěn)定在合理區(qū)域，驗證了模型和控制策略的正確性，滿足整車動力性和經濟性的控制要求.

5 結論

在研究機電耦合動力傳動裝置的基礎上，搭建了整車正向仿真模型，提出了基于規(guī)則的邏輯門限整車控制策略和經濟性換擋控制策略.

由仿真結果可知，應用整車和換擋控制策略后驗證了模型和控制策略的正確性，滿足動力性和經濟性的控制要求.仿真減少了實車測試的成本和周期，為后續(xù)的硬件在環(huán)、臺架試驗和整車試驗奠定了良好的基礎.

［1］呂勝利.并聯混合動力汽車控制策略的綜合分析［J］上海汽車，2005(7):26-30.

［2］胡 驊.電動汽車［M］.2版.北京:人民交通出版社，2006.

［3］阿爾弗雷德·克拉普爾.起動機-發(fā)電機一體化技術(ISG)［M］.北京:北京理工大學出版社，2008.

［4］安東尼·所左曼諾夫斯基.混合動力城市公交車系統設計 ［M］.北京:北京理工大學出版社，2007.

［5］張 威.State flow邏輯系統建模 ［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007.