姜 煒，朱建偉，馮迎霞，李殿凱，王賢海，孔祥創(chuàng)

（上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438）

0 引言

混合動(dòng)力汽車兼具傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，既無(wú)純電動(dòng)汽車面臨的“里程焦慮”，又相比傳統(tǒng)汽車有著較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，所以混合動(dòng)力汽車一直被廣泛關(guān)注，市場(chǎng)前景廣闊。目前市場(chǎng)上的混合動(dòng)力汽車主要有油電混合動(dòng)力汽車和氣電混合動(dòng)力汽車兩類，乘用車市場(chǎng)上以油電混合動(dòng)力汽車居多，商用車市場(chǎng)上則是以氣電混合動(dòng)力汽車為主。在混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型及其相關(guān)動(dòng)力部件參數(shù)確定之后，整車控制策略決定著混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還影響著汽車的行駛平順性。

目前，實(shí)車上的整車控制策略大多是基于規(guī)則的控制策略，其核心是依據(jù)工程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和零部件的穩(wěn)態(tài)效率曲線等因素制定一系列規(guī)則，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的動(dòng)力分配［1－2］。整車控制策略具有可靠及易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于實(shí)車控制當(dāng)中。

混合動(dòng)力汽車具有多種動(dòng)力工作模式，這就涉及到不同模式之間的相互切換。在模式切換過(guò)程中，若控制不當(dāng)，則很有可能造成傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的扭矩突變，影響車輛的平順性［3－4］。文獻(xiàn)［5］分發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和動(dòng)力接入三個(gè)過(guò)程進(jìn)行扭矩協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［6］針對(duì)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的過(guò)程，利用模糊PID算法進(jìn)行離合器控制和扭矩協(xié)調(diào)控制，可有效提高模式切換過(guò)程的平順性。

本文以某并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，詳細(xì)分析其構(gòu)型特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，基于車輛經(jīng)濟(jì)性和平順性等考慮，分怠速充電控制、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制、離合器轉(zhuǎn)速同步控制、動(dòng)力模式控制和能量回收控制五個(gè)方面完成穩(wěn)態(tài)模式控制和瞬態(tài)模式控制。最后，針對(duì)所提整車控制策略進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，以驗(yàn)證其控制效果。

1 動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

圖1描述了研究對(duì)象的混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

該混合動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、混合動(dòng)力變速器、兩檔變速器和離合器等部件構(gòu)成，其中，混合動(dòng)力變速器是在傳統(tǒng)5檔變速器的基礎(chǔ)上增加充電檔（Charge檔，簡(jiǎn)稱C檔）得到的，兩檔變速器分H檔（High檔，高檔）和L檔（Low檔，低檔）。通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、混合動(dòng)力變速器檔位以及離合器的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)模式、怠速充電模式、混合驅(qū)動(dòng)模式等多種動(dòng)力系統(tǒng)工作模式。

該混合動(dòng)力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上兼容P2和P3兩種并聯(lián)結(jié)構(gòu)［7］，使得能量流動(dòng)的控制和能量消耗的優(yōu)化有了更大的靈活性和可能性。能量流的控制需要各動(dòng)力系統(tǒng)工作模式之間相互協(xié)調(diào)，涉及動(dòng)力系統(tǒng)模式控制，包括穩(wěn)態(tài)模式控制和瞬態(tài)模式控制。一個(gè)合理有效的整車控制策略既應(yīng)能保證車輛的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，又應(yīng)滿足駕駛平順性要求。

2 整車控制策略設(shè)計(jì)

依據(jù)車輛不同的控制狀態(tài)，整車控制策略主要分為怠速充電控制、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制、離合器轉(zhuǎn)速同步控制、動(dòng)力模式控制和能量回收控制五個(gè)方面。另外，根據(jù)駕駛員的選擇，車輛有三種不同的駕駛模式，分別為Eco模式（經(jīng)濟(jì)模式）、Normal模式（正常模式）和Sport模式（運(yùn)動(dòng)模式）。

2.1 怠速充電控制

整車控制器上電或被喚醒之后，將進(jìn)行故障檢測(cè)，檢測(cè)無(wú)故障發(fā)生后，車輛進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。接著進(jìn)行相關(guān)操作，車輛將進(jìn)入高壓準(zhǔn)備狀態(tài)，此時(shí)整車高壓上電工作完成。SOC（State of charge，表征電池電量）較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并輸出一定數(shù)值的扭矩，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，整車進(jìn)入怠速充電模式。在該模式下，控制混合動(dòng)力變速器掛入C檔，兩檔變速器掛入空檔，離合器閉合。值得注意的是，怠速充電分為P／N（駐車／空檔）檔怠速充電和D（前進(jìn)）檔怠速充電兩種情況。出于安全考慮，駕駛員踩下制動(dòng)踏板達(dá)到一定開(kāi)度后，才能進(jìn)入D檔怠速充電模式。怠速充電功率可通過(guò)電池SOC查表求得，且查表值依據(jù)不同駕駛模式進(jìn)行區(qū)別設(shè)置；發(fā)動(dòng)機(jī)以一定的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速按照設(shè)定的充電功率輸出動(dòng)力，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電并存儲(chǔ)到電池中。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的控制稱為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)分為兩種情況，一是原地啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，二是行車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

原地啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是指車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)入該模式后，控制混合動(dòng)力變速器掛入C檔，離合器閉合，并請(qǐng)求電機(jī)輸出合適扭矩啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。電機(jī)接到扭矩請(qǐng)求信號(hào)后，輸出扭矩快速拖拽發(fā)動(dòng)機(jī)至啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)。

在純電行駛過(guò)程中，當(dāng)需求扭矩超過(guò)設(shè)定限值時(shí)，會(huì)觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)請(qǐng)求，進(jìn)入行車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式。進(jìn)入該模式后，控制混合動(dòng)力變速器進(jìn)入合適檔位，兩檔變速器保持原狀態(tài)，控制離合器緩慢閉合，利用滑摩扭矩啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此啟動(dòng)方式稱為slip start（滑摩啟動(dòng)）。為了減少啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩給傳動(dòng)鏈帶來(lái)的沖擊，需要注意控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻。行車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中，如果車速較高，車輛自身的慣性會(huì)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，反之，電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，通過(guò)加速踏板開(kāi)度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。

2.3 離合器轉(zhuǎn)速同步控制

車輛行駛過(guò)程中，從離合器分離到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速同步后離合器鎖死的過(guò)程定義為離合器轉(zhuǎn)速同步控制。離合器轉(zhuǎn)速同步控制分為兩種情況：①發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)，車輛由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始起步，混合動(dòng)力變速器掛入一檔，兩檔變速器掛入L檔，離合器處于分離狀態(tài)，直至車速上升至接近1檔穩(wěn)定車速時(shí)，開(kāi)始控制離合器滑摩直至轉(zhuǎn)速同步閉合，完成離合器轉(zhuǎn)速同步控制；②車輛行進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)slip start方式啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，也會(huì)進(jìn)入離合器轉(zhuǎn)速同步控制，在這種情況下，混合動(dòng)力變速器保持在合適檔位，兩檔變速器保持原有檔位，控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速盡快達(dá)到同步點(diǎn)，同時(shí)控制離合器閉合扭矩，以免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生突變，最終離合器同步閉合，完成離合器轉(zhuǎn)速同步控制過(guò)程。

2.4 動(dòng)力模式控制

（1）純電動(dòng)模式。當(dāng)電量較高、車速較低或駕駛員需求扭矩較低時(shí)，車輛將工作在純電動(dòng)模式，這樣不僅有利于降低能耗，還可減少排放。在純電行駛過(guò)程中，基于電機(jī)需求扭矩與駕駛模式獲得兩檔變速器的升檔車速和降檔車速。實(shí)際車速到達(dá)對(duì)應(yīng)車速時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的升檔或降檔操作。

（2）Creep模式。駕駛員不需要操作加速踏板和制動(dòng)踏板，車輛便以較低的穩(wěn)定車速行駛，此模式稱為Creep模式（蠕行模式）。Creep模式可細(xì)分為發(fā)動(dòng)機(jī)Creep模式和電機(jī)Creep模式兩種，通過(guò)PI控制方式進(jìn)行Creep扭矩計(jì)算，即根據(jù)制動(dòng)踏板開(kāi)度查表得到Creep的目標(biāo)車速，根據(jù)目標(biāo)車速和實(shí)際車速的差值進(jìn)行查表得到PI控制的P項(xiàng)扭矩系數(shù)和I項(xiàng)扭矩系數(shù)，計(jì)算方法如公式（1）所示：

其中：TC為車輛蠕行時(shí)的需求扭矩；TP為比例項(xiàng)扭矩；TI（t）為t時(shí)刻積分項(xiàng)扭矩；P為比例項(xiàng)扭矩系數(shù)；Δv為目標(biāo)車速與實(shí)際車速的差值；I為積分項(xiàng)扭矩系數(shù)；λ為計(jì)算步長(zhǎng)；TI（t－1）為t－1時(shí)刻積分項(xiàng)扭矩。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車速較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)配合變速箱驅(qū)動(dòng)車輛，將獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。在該模式下，與傳統(tǒng)車輛的控制方式無(wú)異。

（4）聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車輛處于爬坡或急加速等大功率需求工況時(shí)，在電池放電功率允許的范圍內(nèi)，電機(jī)會(huì)輸出扭矩，協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。

（5）行車充電模式。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩一部分通過(guò)混合動(dòng)力變速器驅(qū)動(dòng)車輛行駛，另一部分通過(guò)兩檔變速器帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩Te為：

其中：Treq為需求扭矩；Tch為折算到發(fā)動(dòng)機(jī)端的發(fā)電扭矩。

2.5 能量回收控制

根據(jù)制動(dòng)踏板開(kāi)度的大小，制動(dòng)控制可分為滑行制動(dòng)控制和剎車制動(dòng)控制。

（1）滑行制動(dòng)控制。從節(jié)約能量和保持駕駛感覺(jué)的角度出發(fā)，本文提出滑行制動(dòng)控制模式。駕駛員個(gè)體的差異會(huì)導(dǎo)致對(duì)同一滑行制動(dòng)強(qiáng)度的感受程度不同，因此滑行制動(dòng)能量回收等級(jí)設(shè)為高、中、低三個(gè)等級(jí)，駕駛員可以依據(jù)自己的駕駛習(xí)慣和駕駛感覺(jué)，設(shè)置滑行制動(dòng)能量回收等級(jí)。值得注意的是，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，ACC）開(kāi)啟的時(shí)候，不進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

（2）剎車制動(dòng)控制。駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，利用電機(jī)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，原本部分以熱能方式消耗掉的能量被轉(zhuǎn)化為電能，待車輛后續(xù)使用［8］。研究對(duì)象裝備的制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力解耦，這將很大程度地提高能量回收率。另外，車輛裝備了電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP），剎車制動(dòng)時(shí)如果ESP系統(tǒng)介入，那么再生制動(dòng)目標(biāo)扭矩根據(jù)ESP目標(biāo)制動(dòng)扭矩計(jì)算得到。否則，根據(jù)車速、電池充電能力、制動(dòng)踏板開(kāi)度等因素，計(jì)算再生制動(dòng)扭矩。再生扭矩計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

圖2 再生扭矩計(jì)算流程

3 實(shí)車測(cè)試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的可行性和有效性，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，主要考察怠速充電、Creep模式和離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式等典型工作模式，試驗(yàn)樣車如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)車輛

3.1 試驗(yàn)步驟

（1）在MATLAB／Simulink環(huán)境中搭建整車控制策略 模型，并 通 過(guò) MATLAB 的 RTW（Real-time Workshop，實(shí)時(shí)工作間）自動(dòng)生成應(yīng)用層代碼。

（2）使用專業(yè)工具將應(yīng)用層代碼與底層代碼集成起來(lái)，生成a2l文件和hex文件，a2l文件描述了控制器內(nèi)部變量存儲(chǔ)地址等信息用于標(biāo)定和測(cè)量，hex文件則是程序編譯后的可執(zhí)行文件。

（3）使用INCA軟件進(jìn)行程序刷寫(xiě)，與INCA配套使用的測(cè)試設(shè)備如圖4所示，將其與車輛的OBD（On board diagnostics，車載診斷系統(tǒng)）接口連接，即可進(jìn)行程序刷寫(xiě)。

（4）在INCA軟件中選擇需要測(cè)量的變量，進(jìn)行相關(guān)操作，即可開(kāi)始監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。

圖4 測(cè)試設(shè)備

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 怠速充電模式

怠速充電模式的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，混合動(dòng)力變速器掛入C檔，離合器閉合，電機(jī)輸出正扭矩拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)。隨后車輛進(jìn)入怠速充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定目標(biāo)轉(zhuǎn)速（約1 100r／min）輸出扭矩，電機(jī)則以負(fù)的恒扭矩（約－30Nm）發(fā)電。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，怠速充電模式的控制效果符合預(yù)期要求。

圖5 怠速充電模式試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 Creep模式

電機(jī)Creep模式的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。車輛以6.5km／h左右的車速穩(wěn)定行駛，控制效果良好，符合預(yù)期要求。

圖6 電機(jī)Creep模式試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式

圖7為離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式的試驗(yàn)結(jié)果。圖7中，離合器狀態(tài)取值為1時(shí)表示分離狀態(tài)；取3時(shí)表示滑摩狀態(tài)；取4時(shí)表示閉合狀態(tài)。在離合器閉合期間，車速無(wú)明顯波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化平緩，控制效果良好，滿足期望要求。

圖7 離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式試驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

本文詳細(xì)分析了某并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型特點(diǎn)，著重考慮車輛行駛平順性，制定了整車控制策略，包括穩(wěn)態(tài)工作模式控制和瞬態(tài)工作模式控制，主要分為怠速充電控制、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制、離合器轉(zhuǎn)速同步控制、動(dòng)力模式控制和能量回收控制五個(gè)方面。最后，針對(duì)一些典型工作模式如怠速充電模式、Creep模式和離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，控制效果良好，滿足預(yù)期要求。