王 甲，潘興博，楊 宏，張 宇 Wang Jia，Pan Xingbo，Yang Hong，Zhang Yu

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混合動(dòng)力車控制策略的逆向研發(fā)與仿真

王 甲，潘興博，楊 宏，張 宇 Wang Jia，Pan Xingbo，Yang Hong，Zhang Yu

（北京現(xiàn)代汽車有限公司 新能源開發(fā)部，北京 101300）

介紹混合動(dòng)力車控制策略研發(fā)的新思路，通過逆向較成熟的混合動(dòng)力車型，借鑒其控制策略來編寫混動(dòng)車控制策略。以某合資品牌并聯(lián)混動(dòng)車型為例，利用Matlab/Simulink搭建整車控制策略模型，并利用Matlab與Cruise進(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)證所搭建的策略模型的仿真效果。

混合動(dòng)力；策略；仿真；逆向

0 引 言

近年來新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，在鼓勵(lì)政策的扶持下，新能源車型的銷量也在急速增長。2015年純電動(dòng)車年銷量已達(dá)113 070輛，混合動(dòng)力車年銷量達(dá)63 557輛。

在嚴(yán)苛的燃油經(jīng)濟(jì)性要求下，進(jìn)一步發(fā)展混合動(dòng)力汽車勢在必行。

相比國外成熟的混動(dòng)技術(shù)，國內(nèi)混合動(dòng)力汽車技術(shù)起步較晚，技術(shù)水平存在較大差距。國內(nèi)混合動(dòng)力車型多為插電混動(dòng)車型，由于現(xiàn)行的油耗計(jì)算方法可通過提高純電續(xù)駛里程來降低標(biāo)稱的油耗，標(biāo)稱油耗并不能反映車輛應(yīng)用混動(dòng)技術(shù)后真實(shí)的節(jié)能效果。

混合動(dòng)力汽車最大的技術(shù)瓶頸是整車的控制策略，好的控制策略使電機(jī)對內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，使內(nèi)燃機(jī)始終工作在高效區(qū)，極大改善車輛的油耗。

一些大的車企均有各自的較為成熟的混動(dòng)系統(tǒng)，不同的混動(dòng)系統(tǒng)均有對應(yīng)的控制策略相匹配。其中混動(dòng)系統(tǒng)整體的架構(gòu)較為直觀，而控制策略作為技術(shù)核心，最為復(fù)雜，開發(fā)難度大，且對整車的性能影響非常大。

現(xiàn)今混動(dòng)車型依程度分為輕混、中混和重混；依結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)（動(dòng)力分流）等，其中并聯(lián)混動(dòng)和動(dòng)力分流為當(dāng)下主流的混動(dòng)系統(tǒng)。

并聯(lián)混動(dòng)是較易于實(shí)現(xiàn)、難度較低而效果較好的混動(dòng)系統(tǒng)，是混合動(dòng)力汽車發(fā)展的一大方向。并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)分為：

P0電機(jī)置于變速箱之前，通過皮帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)連接；

P1電機(jī)置于變速箱之前，與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連；

P2電機(jī)置于變速箱的輸入端，在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間；

P3電機(jī)置于變速箱的輸出端，與發(fā)動(dòng)機(jī)分享同一根軸，同源輸出；

P4電機(jī)置于變速箱之后，與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸分離，一般是驅(qū)動(dòng)無動(dòng)力的輪子。

同類型的混動(dòng)系統(tǒng)的車型，控制邏輯類似，吸收和借鑒相似結(jié)構(gòu)較為成熟車型的控制策略，可極大縮短研發(fā)周期，提高開發(fā)效率。

1 控制策略分析

研究對象是某合資品牌并聯(lián)混動(dòng)車型，且已獲得整車CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。對該車型控制策略摸底的第一步是根據(jù)車型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議對車型控制策略可能的形式進(jìn)行分析。

1.1 某混動(dòng)車型機(jī)械架構(gòu)

單離合雙電機(jī)P2結(jié)構(gòu)如圖1所示，依靠離合器調(diào)節(jié)車輛動(dòng)力輸出，HSG（Hybrid Start Generator）只做啟動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)用途，驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代液力變矩器。

1.2 控制策略架構(gòu)及要素分析

1.2.1 CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分析

獲取或破譯的整車CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過通信協(xié)議分析車輛控制方法。通過CAN網(wǎng)絡(luò)可獲取混動(dòng)車各部件工作的關(guān)鍵信息。見表1。

表1 CAN總線上關(guān)鍵控制器信號(hào)

輸入輸出 加速踏板開度整車動(dòng)力需求 制動(dòng)踏板開度能量回收扭矩 擋位車速 工作模式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 電池電量發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 車速驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩 HSG電機(jī)轉(zhuǎn)速 HSG電機(jī)扭矩 擋位 輪速 離合器狀態(tài)

1.2.2 混動(dòng)工作模式

根據(jù)混合動(dòng)力車及CAN信號(hào)相關(guān)文件資料，車輛工作模式共分為11種，如圖2所示。

1.3 控制策略預(yù)期架構(gòu)

由于CAN總線報(bào)文中存在車輛工作模式的信號(hào)，將車輛的工作模式劃分為11種。同時(shí)，車輛報(bào)文中包含整車動(dòng)力需求。結(jié)合常見的混動(dòng)汽車控制策略推斷整車控制策略的架構(gòu)應(yīng)包含動(dòng)力需求分析、工作模式判斷和扭矩分配策略3個(gè)部分[1]，如圖3所示。

2 控制策略摸底試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

讓車輛在不同條件下（速度、電量、擋位、踏板開度等）行駛，記錄車輛的各部件工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括離合器、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反推混動(dòng)車輛的控制策略，包括模式切換條件、扭矩分配策略、能量回收策略、換擋策略等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備介紹

性能試驗(yàn)臺(tái)是整車動(dòng)力總成的測試設(shè)備，如圖4所示，利用該試驗(yàn)臺(tái)可模擬整車的動(dòng)力總成在實(shí)際道路上的行駛。因此在試驗(yàn)臺(tái)上可模擬車輛各類穩(wěn)定和極端的工況，根據(jù)各工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷車輛的控制策略。

機(jī)器人相比人類駕駛員，控制精度更高，工作更穩(wěn)定，可精確控制加速/制動(dòng)踏板的開度，如圖5所示。借此可進(jìn)行大量重復(fù)性摸底試驗(yàn)，讓車輛在試驗(yàn)中以各種可能的方式運(yùn)行。

已有車輛的CAN通信協(xié)議，在整車CAN網(wǎng)絡(luò)中可獲取加速踏板、SOC、變速箱擋位、離合器狀態(tài)、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、電機(jī)扭矩、電池電流、電池電壓、工作模式等從采集到控制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中利用CANcaseXL設(shè)備和CANOE軟件將CAN網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵信號(hào)記錄下來作為策略反推的主要依據(jù)。

2.3 摸底內(nèi)容

測試車輛在不同工作模式、車速、加速強(qiáng)度、制動(dòng)力度和電池電量下的扭矩分配，發(fā)動(dòng)機(jī)介入，換擋時(shí)機(jī)等，見表2。

表2 摸底試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù) 總驅(qū)動(dòng)力需求各車速、踏板開度下的輪端扭矩輸出 穩(wěn)定加減速下?lián)Q擋時(shí)機(jī)各加速踏板開度加速過程的換擋時(shí)機(jī)滑行或不同制動(dòng)踏板開度減速過程換擋時(shí)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)機(jī)各踏板開度、SOC下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)車速 工作模式切換條件不同穩(wěn)定車速下能量維持和能量消耗模式的觸發(fā)的SOC值

續(xù)表2

試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù) 混動(dòng)模式扭矩分配發(fā)動(dòng)機(jī)介入過程電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，不同踏板開度對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 滑行能量回收發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、輪端扭矩、車速、擋位 制動(dòng)能量回收10%，20%，30%制動(dòng)過程，車速、再生扭矩及總制動(dòng)扭矩的變化

2.4 試驗(yàn)方法

分別在HEV（Hybrid Electric Vehicle）混合動(dòng)力模式、EV（Electric Vehicle）純電動(dòng)模式、CHG（Charge）充電模式下以不同的初始電量進(jìn)行試驗(yàn)并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)1：利用駕駛機(jī)器人以固定的踏板開度10%，20%，30%，…，100%進(jìn)行由零到最高車速的加速試驗(yàn)。

每個(gè)加速過程都可找到固定的加速踏板開度對應(yīng)不同車速時(shí)模式切換時(shí)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)機(jī)和換擋時(shí)機(jī)等，將數(shù)據(jù)整理可得不同工作模式的切換條件和扭矩分配策略。

試驗(yàn)2：車輛在特定車速下，觀察SOC的變化，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)的SOC值，繼續(xù)行駛一段時(shí)間后，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)停止介入時(shí)的SOC值，由此找到電池電量對車輛工作模式的影響關(guān)系。

試驗(yàn)3：將車輛行駛至最高車速，然后在不同踏板開度下滑行（0%，10%，20%，30%，…，100%），進(jìn)行制動(dòng)，記錄制動(dòng)過程中電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械制動(dòng)三者之間的制動(dòng)扭矩分配。

2.5 數(shù)據(jù)分析

2.5.1車輛穩(wěn)定加速、減速時(shí)的換擋時(shí)機(jī)

通過試驗(yàn)1和試驗(yàn)3過程采集數(shù)據(jù)，將車輛換擋的時(shí)機(jī)匯總并進(jìn)行分析，如圖6～9所示。

1）加速踏板越深升擋越早；

2）HEV模式升擋時(shí)機(jī)比EV模式較為提前，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間更符合內(nèi)燃機(jī)的最佳工況；

3）降擋時(shí)機(jī)隨制動(dòng)踏板深度增加而提前。

2.5.2 車輛勻速下的模式切換

車輛在勻速工況下，系統(tǒng)處于充電或放電。SOC在到達(dá)某臨界點(diǎn)時(shí)觸發(fā)模式切換，如圖10所示。

（1）消耗模式：模式2，3消耗電能的模式；

（2）維持模式：模式4，8，9充電或維持電能的模式。

穩(wěn)定車速越高，電能維持和電能消耗模式切換點(diǎn)的SOC越高。如圖11所示，在相同車速下，HEV模式下切換點(diǎn)的SOC高于EV模式。

區(qū)間Ⅰ：維持模式下車輛進(jìn)入串聯(lián)模式（模式9）；消耗模式下車輛純電動(dòng)行駛（模式2）；

區(qū)間Ⅱ：維持模式下車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電（模式8）；消耗模式下車輛為純電動(dòng)行駛（模式2）；

區(qū)間Ⅲ：維持模式下車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)（模式4）或同時(shí)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電（模式8）；消耗模式下車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)（模式3）。

2.5.3 車輛勻速下的扭矩分配

測試車輛穩(wěn)定在某車速下，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的扭矩分配，如圖11、圖12所示。

2.5.4 制動(dòng)及能量回收

不同工況下能量回收扭矩如圖13所示。

1）系統(tǒng)總制動(dòng)力與車速無關(guān)，與制動(dòng)踏板深度正相關(guān)；

2）制動(dòng)踏板在10%以下時(shí)，制動(dòng)力全部由能量回收扭矩提供；

3）能量回收扭矩在功率達(dá)到約46 kW或扭矩達(dá)到1 440 Nm時(shí)不再增加；

4）總制動(dòng)力除能量回收扭矩以外，剩余部分由機(jī)械制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)補(bǔ)足。

3 控制策略搭建

將摸底出來的策略通過Simulink模型搭建出來，并編譯生成用于和Cruise聯(lián)合仿真的.dll文件[2]，在Matlab中搭建好控制策略，如圖14所示。

4 控制策略仿真分析

根據(jù)整車參數(shù)搭建車輛的仿真模型，將Matlab中搭建好控制策略的Simulink模型加載到整車模型中。

4.1 車型參數(shù)

某合資品牌混合動(dòng)力車型參數(shù)見表3。

4.2 模型搭建

在Cruise中根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)搭建模型，根據(jù)車型具體參數(shù)修改模型相應(yīng)的參數(shù)，并添加Matlab DLL控制模塊，將Simulink搭建好的控制策略.dll文件載入，將信號(hào)引入各執(zhí)行部件；即將搭建好的控制策略模型加入整車仿真模型中[3]，如圖15所示。

表3 車型參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值 發(fā)動(dòng)機(jī)排量/L2.0 類型GDI 功率/kW/轉(zhuǎn)速/（r/min）115/6 000 扭矩/Nm/轉(zhuǎn)速/（r/min）189/5 000 電機(jī)1（主驅(qū)動(dòng)電機(jī)）類型永磁同步電機(jī) 功率/kW38 扭矩/Nm205 電機(jī)2（HSG）功率/kW8.5 扭矩/Nm43.2 動(dòng)力電池類型聚合物鋰離子電池 能量/kWh1.62 變速箱6AT

4.3 聯(lián)合仿真

在Cruise中對加入了Simulink控制策略的整車模型進(jìn)行仿真，可以在NEDC工況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與NEDC工況實(shí)車行駛相對照，對比發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)機(jī)，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩分配等項(xiàng)目，驗(yàn)證搭建策略在相同條件下是否進(jìn)行了與實(shí)車相同的控制動(dòng)作。

w如圖16～18所示，車輛仿真結(jié)果中擋位、電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化與實(shí)車結(jié)果較為接近。說明搭建的控制策略基本實(shí)現(xiàn)與實(shí)車上控制策略相同的控制邏輯[4]。

未來可以通過仿真與實(shí)車結(jié)果對比不斷優(yōu)化仿真模型參數(shù)，使仿真結(jié)果更加精確[5]。

參照GB/T 19753標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車輛能耗、續(xù)駛里程試驗(yàn)，見表4。

表4 對比仿真與實(shí)測能耗結(jié)果

試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)測值仿真結(jié)果 條件A（初始 SOC100）A油耗/ (L/100 km) 0 0 A電耗/（Wh/km） 202 159 條件B（初始 SOC15）B油耗/（L/100 km） 5.88 5.7 B電耗/（Wh/km）-229.4-128 續(xù)駛里程/km 65 70 綜合油耗/（L/100 km） 1.63 1.5

通過表4發(fā)現(xiàn)，搭建的控制策略及整車模型可以完成性能及燃油經(jīng)濟(jì)性仿真任務(wù)[6]。

5 結(jié)束語

提出一套車輛控制策略逆向摸底的方法。利用該方法初步構(gòu)建P2并聯(lián)混合動(dòng)力車控制策略，在Cruise仿真軟件上進(jìn)行仿真，并與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對照。但此方法僅適用于對規(guī)律性較強(qiáng)的控制策略進(jìn)行復(fù)現(xiàn)分析和移植。

另外，此方法仍有不足之處，逆向的方法無法得到精確且完備的控制策略，可能帶有誤差，非查表類的多變量耦合控制策略難以通過逆向方法獲得。受限于試驗(yàn)條件，部分因素和極端情況可能未考慮到，溫度、零部件狀態(tài)等因素未考慮。

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