歐鵬飛，馮乾隆，張洋森

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

同軸并聯(lián)式混合動力汽車將電機軸作為傳動軸的一部分，既可以施加電動機的轉(zhuǎn)矩，又可以傳遞發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)[1-3]。由于混合動力客車控制策略難以設計，同時控制策略參數(shù)的優(yōu)化往往需要大量的實車試驗來完成，給車輛的開發(fā)帶來了極大的成本。設計與實車運行狀況相符的動力系統(tǒng)仿真模型可以實現(xiàn)對控制策略的驗證以及動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化的功能，優(yōu)化設計流程，縮減設計周期，對車輛動力系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的意義。

本文基于邏輯門控制提出了一種應用于同軸并聯(lián)式混合動力客車的控制策略，并通過仿真分析驗證本文設計的控制策略的有效性。

1 同軸并聯(lián)式HEV控制策略

同軸并聯(lián)式 HEV控制策略在驅(qū)動情況下，低速時以純電動驅(qū)動車輛，速度達到邏輯門限值 20km/h后發(fā)動機開始工作，電機輔助提供剩余轉(zhuǎn)矩或者吸收發(fā)動機發(fā)出的多余轉(zhuǎn)矩給電池充電，從而使發(fā)動機工作在最佳工作區(qū)間，同時發(fā)揮電動機低速高扭的特性。同軸并聯(lián)式 HEV 控制策略：根據(jù)加速踏板信號來判斷當前車輛工作在驅(qū)動狀態(tài)還是制動減速狀態(tài)，將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩根據(jù)當前系統(tǒng)的狀態(tài)分配給發(fā)動機、電動機、發(fā)電機以及機械制動，各動力部件的輸出轉(zhuǎn)矩改變車輛狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 控制策略流程圖

1.1 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

根據(jù)車輛狀態(tài)、電池狀態(tài)以及整車需求轉(zhuǎn)矩的不同，可將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的分配規(guī)則分成以下六種情況討論：

（1）若V＜20km/h且SOC＞40%，為純電動模式，發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩T*ICE=0，電動機需求轉(zhuǎn)矩等于車輛行駛的需求轉(zhuǎn)矩即T*m=Tref。

（2）若V＜20km/h且電池需要充電，此時發(fā)動機應該介入工作，由于此時發(fā)動機處于低效率區(qū)間，動力系統(tǒng)工作在發(fā)動機直接驅(qū)動模式，發(fā)動機的需求轉(zhuǎn)矩T*ICE=Tref，電機需求轉(zhuǎn)矩T*m=0。

（3）若V＞20km/h，Tref＜TICE_max，且SOC＞40%，為發(fā)動機直接驅(qū)動模式，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩滿足車輛行駛需求，不需電動機輔助，發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩T*ICE=Tref，電動機需求轉(zhuǎn)矩T*m=0。

（4）若V＞20km/h，Tref＜Tice_max且電池需要充電，此時動力系統(tǒng)工作在輕載發(fā)電模式，發(fā)動機的需求轉(zhuǎn)矩等于車輛需求轉(zhuǎn)矩加電池充電轉(zhuǎn)矩即T*ICE=Tref+Tbatt，電動機的需求轉(zhuǎn)矩等于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩減車輛需求轉(zhuǎn)矩即T*m=Tref-TICE，此時電動機為發(fā)電狀態(tài)，T*m為電機充電轉(zhuǎn)矩。

（5）若V＞20km/h，T*ICE_max＞Tref且SOC＞40% ，此時為聯(lián)合驅(qū)動模式，發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩即T*ICE=T*ICE_max，此時電動機處于驅(qū)動狀態(tài)，T*m為電機助力轉(zhuǎn)矩。

（6）若V＞20km/h，T*ICE_max＞Tref，電池需充電，此時電動機停止工作，發(fā)動機直接驅(qū)動電動機需求轉(zhuǎn)矩T*m=0。

1.2 制動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

混合動力汽車制動過程中有再生制動，復合制動和機械制動3種制動工作模式。如果電池SOC較高(一般＞80%)或車速低于一定值（5km/h）或者緊急制動時，總制動力矩全部由機械制動力矩提供。如果滿足條件SOC＜80%、車度高于以及制動強度低于0.7，則以再生制動為優(yōu)先制動[8]。若電動機當前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩Tm_max＞Tbrake_ref，則電動機再生制動，否則采用復合制動。為實現(xiàn)最大能量回收，讓電動機工作在當前轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，有T*m=Tm_max，T*mech=Tbrake_ref-Tm。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 仿真結(jié)果

仿真初始條件為：電池SOC為40.29%，車速為零，加速踏板信號設置如圖2所示。

圖2 加速踏板信號

圖3 車速

圖4 電池SOC

圖5 離合器

以下仿真實現(xiàn)了同軸并聯(lián)式HEV動力系統(tǒng)純電動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、發(fā)動機電動機聯(lián)合驅(qū)動模式、輕載發(fā)電模式和再生制動五種運行模式，以及部分制動行駛工作模式，接下來按照模型運行的時間順序?qū)Σ煌ぷ髂Ｊ较碌募铀偬ぐ逍盘?、電池SOC狀態(tài)、車速以及發(fā)動機電動機轉(zhuǎn)矩分配情況進行分析。

（1）從0到6.9s，系統(tǒng)處于純電動工作模式。車速從零開始加速，電池SOC從40.29%逐漸降低，車輛處于電動機單獨驅(qū)動狀態(tài)，發(fā)動機不提供轉(zhuǎn)矩，此時有TM=Tref，TICE=0。

（2）從6.9s到10s，系統(tǒng)處于發(fā)動機單獨驅(qū)動模式。車速達到 20km/h后繼續(xù)加速，此時發(fā)動機可以提供車輛行駛所需的全部轉(zhuǎn)矩，電動機停止工作，僅發(fā)動機工作，此時TICE=Tref，TM=0 。

圖6 電動機波形圖

圖7 發(fā)動機波形圖

（3）從10s到11s，系統(tǒng)處于聯(lián)合驅(qū)動模式。車速繼續(xù)上升，電池SOC再次開始下降直到11s達到40%，此時車輛行駛需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機與電動機聯(lián)合驅(qū)動，TICE=TICE_max，TM=Tref-TICE。

（4）從11到 12s，系統(tǒng)處于發(fā)動機單獨驅(qū)動模式。車速繼續(xù)上升但加速度小于10s-11s時，此時SOC下降到40%并停止供電，電動機不再工作，TICE=Tref，TM=0。

（5）從12s到14s，系統(tǒng)處于輕載發(fā)電模式。車速繼續(xù)升高，電池SOC也開始升高。車輛行駛需求的轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機能提供的最大轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機一部分轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動汽車，另外提供一部分轉(zhuǎn)矩給電動機從而給電池充電，TICE=Tref+Tbatt，TM=TICE-Tref。

（6）從14s到16s，系統(tǒng)處于制動模式。加速踏板信號降低到-50%，車速開始下降，電池 SOC上升，發(fā)動機停止工作，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。此時處于復合制動狀態(tài)，車輛的動能一部分通過電動機被轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中，另一部分通過摩擦制動轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。在16s時車速降低到5Km/h，制動模型從復合制動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械制動模式。

以上仿真實現(xiàn)了所預期的工作模式，各工作模式下轉(zhuǎn)矩的分配以及車速和電池SOC的變化符合轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，仿真結(jié)果證明了所建模型的正確性以及控制策略的有效性。

3 結(jié)論

本文以同軸并聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)為研究對象，設計了基于邏輯門轉(zhuǎn)矩分配的控制策略，詳細分析了動力系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則和制動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，并且仿真實現(xiàn)了所預期的工作模式，各工作模式下轉(zhuǎn)矩的分配以及車速和電池SOC的變化符合轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，仿真結(jié)果驗證了本文提出的控制策略的有效性。

參考文獻

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