单电机式强混合动力车辆控制策略

戴一凡 罗禹贡 边明远 李克强

清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084

0 引言

强混合动力(full hybrid)车辆能够实现混合动力系统的所有功能,其节油效果在各类混合动力车辆中最佳,尤其适合启停频繁的城市工况。随着市场对低油耗低排放车辆需求的日益强烈[1],以及国家相关鼓励措施的出台,强混合动力车辆的市场前景被普遍看好。

目前国内外的强混方案多采用双驱动电机结构,如丰田公司的Prius车型[2]和雷克萨斯RX400h车型[3],以及国内的一汽奔腾B70HEV车型[4]。双电机结构有运行平稳的优势,但其缺点是成本过高。单电机式结构成本低廉,但其存在模式切换冲击较大、动态过程控制复杂等问题,需要一套有效的控制策略对其动态过程进行协调控制。

本文所研究的强混合动力系统,采用了一种新型的单电机、双离合器式结构。在副离合器位置用限力矩离合器代替了传统干式离合器。基于这种结构特点,本文提出了强混合动力系统的分层控制系统方案。采用基于优化ICE曲线的整车能量管理策略,并对行进中启动发动机过程进行动态协调控制。通过仿真分析了整车燃油经济性,并通过台架试验对动态协调控制进行了验证。

1 混合动力系统结构

本文所研究的强混方案系统结构如图1所示。

单电机结构是本方案一大特点,不仅较目前常见的双电机结构节约了成本,其控制过程也相对简单可靠。本方案的另一特点是限力矩离合器的使用,可以使驱动电机启动发动机的过程平缓可控,减小对传动系统的冲击。

该方案为前驱结构,动力系统包括1.5L直列四缸发动机、驱动电机。传动系统包括五挡手动变速器(MT)及主减速器。限力矩离合器断开时,可由驱动电机单独驱动车辆。限力矩离合器接合过程中,驱动电机可在驱动车辆的同时启动发动机。当接合过程完成后,发动机与驱动电机可共同驱动车辆行驶。单向离合器使得电机转速不会低于发动机转速,即保证发动机启动完成后,限力矩离合器两端没有转速差,不会造成限力矩离合器的过度滑摩。

车辆控制系统包括多能源总成控制器(HCU)、发动机控制器(ECU)、电池控制器(BCU)、电机控制器(IPU),它们通过CAN总线进行通信。

该强混结构还保留了传统车上的12V启动电机,以保证动力电池电量过低时发动机能正常启动。

2 分层控制系统

2.1 分层控制系统结构

分层控制系统结构如图2所示。

外部输入条件包括驾驶员的操纵意图和车辆运行状态反馈。控制层分为三级,其中能量管理策略根据外部输入条件判断驾驶员意图,选择相应的车辆工作模式并对动力系统进行功率分配。发动机、驱动电机及限力矩离合器的工作状态由动态协调系统进行控制,保证动力系统响应及时且车辆运行平稳。在满足部件工作的转矩、转速等限制条件时,控制器对各部件输出控制命令。

本研究的核心在于能量管理策略能否有效地发挥该强混方案的节油优势及行进中启动发动机动态过程的控制效果。

2.2 能量管理策略

能量管理系统结构如图3所示。

2.2.1 驾驶员意图识别

驾驶员意图识别包括驱动/制动意图判断和需求功率计算。由表1可以确定驾驶员驱动/制动意图。其中,滑行是指车辆既不提供驱动力又不进行制动的状态。

表1 驾驶员驱动与制动需求的确定

需求转矩决定于车速与加速踏板行程。其定义曲面采用的是原有某款同级别车型的实测数据。该数据通过滑行、大加速、最高车速等几个关键点的需求转矩情况,拟合出整个车辆需求转矩曲面,主要是通过驾驶员的感受来进行调节的[5]。

2.2.2 模式选择

模式选择部分接收输入的驾驶员意图与车辆状态,根据基于“优化ICE曲线”的控制策略划分的工作区域,决定车辆的工作模式。

图4所示为发动机Map图上的工作区域划分,表2所示为根据转矩杂件的工作区域划分。其中,需求转矩Tr是关于需求转速n的函数;T1、T2、T3分别为纯电动区域上限转矩、经济性充电区域上限转矩、发动机外特性曲线对应转矩。T1、T2分别由下式确定:

表2 根据转矩条件的工作区域划分

纯电动区域上限转矩T1与经济性充电上限转矩T2是由仿真结果调整得出的最优值。由于该发动机在外特性线处效率较高,故外特性曲线对应转矩T3即为发动机驱动区域的上限转矩。当需求转矩超出T3后,由电机补充额外的转矩。

2.2.3 功率分配

驱动状态下,根据本方案的双离合器、单电机特点,定义了车辆的若干种工作模式及其相应的功率分配策略,如表3所示。其中 Tm、Te、Ts分别表示电机转矩、发动机转矩、发动机启动所需转矩,Tch、Te,max表示经济性充电模式下的发动机工作转矩及发动机可以提供的最大转矩。

表3 驱动模式划分及扭矩分配

制动状态下,在保留传统车辆液压制动系统的基础上增加了电机能量回馈功能。车辆受到的制动力包括液压系统产生的摩擦制动力和驱动电机的再生制动力[5]。前轮受到的制动力如下:

图5显示了摩擦制动力矩与再生制动力矩的分配关系。制动踏板开度在10%以内时,由于空行程和液压系统迟滞,没有摩擦力矩产生,此时电机提供制动力矩。随着制动踏板开度增大,再生制动力矩以一定斜率增大至最大转矩Tm,max,摩擦制动力矩也逐渐增大。制动强度很大时停止再生制动,避免干扰 ABS正常工作。

2.3 行进中启动发动机动态协调控制

车辆处于纯电动运行状态下,由于加速或爬坡等因素,需要接合限力矩离合器以启动发动机共同驱动。此时电机在提供车辆行驶所需驱动力的同时,还需要配合限力矩离合器的接合过程,提供启动发动机所需转矩,使发动机从静止到设定转速的过程不超过0.4s[6]。该过程中,电机转矩与限力矩离合器的接合动作需要动态协调控制,以保证发动机正常启动且不对车辆的正常行驶造成过大冲击。

当限力矩离合器的结构确定后,滑动摩擦力矩T只取决于作用于摩擦面上的总压力N,即取决于限力矩离合器的油压大小。因此对限力矩离合器目标油压的控制可以有效地解决启动过程中对传动系统的冲击问题。

目标压力通过PID控制器进行调节,传递函数如下:

式中,KP、KI、KD分别为比例环节参数、积分环节参数、微分环节参数。

依据式(3),可以建立离散化的PID控制器模型:

式中,pt、pr分别为目标压力、反馈实际压力(接合压力),MPa。

(2)校友资源具有联系密切性的特点。每一个从母校毕业的校友他们分布在各地但是同时又和母校有着密切的联系，时刻关注母校的发展。他们借助于校友会、二级院系的教师在定期或不定期联系，他们在母校举办聚会、为母校捐赠书籍、在母校招聘人才、在母校设立校友奖学金等等。

KP、KI、KD参数值通过仿真进行调整,以得到较好的控制效果。目标压力pt通过台架试验结果调整,选取合适值。

行进中启动发动机过程的时序如图6所示。其中,t1为启动过程开始时刻;t2为电机加载启动转矩时刻;t3为电机卸载启动转矩时刻。

启动过程中对电机的控制包括加载启动转矩的大小、加载时刻和卸载时刻。其中加载时刻由限力矩离合器油压建立过程决定,卸载时刻由发动机转速决定,启动转矩大小通过台架试验选取合适值。表4所示为行进中启动发动机的动态协调控制过程。其中,p0与n0分别为设定的限力矩离合器油压与发动机启动转速门限值。

表4 行进中启动发动机协调控制过程

3 经济性能仿真

3.1 仿真系统建立

建立了前向仿真系统,共包括循环工况、驾驶员模型、车辆控制器、动力系统、传动系统、车辆动力学模型六大模块。

仿真中整车整备质量为1400kg,发动机排量为1.5L,最大功率 69kW,电机功率为 12kW,电池容量为6.3A˙h。

由于该仿真模型不能对动态过程进行准确模拟,故只用其进行油耗仿真分析。

3.2 仿真结果

在NEDC循环工况下进行仿真分析。对车速跟踪结果、车辆运行模式、发动机工作点、电机工作点、电池荷电状态SOC(state of charge)等进行了仿真分析,截取其中430～630s的一段数据如图7所示。

在起步阶段,电机提供车辆驱动所需转矩,发动机转矩为零,为纯电动模式,此时SOC值降低。随着车速提高,发动机被启动,车辆进入经济性充电模式,电机转矩为负,处于发电状态,SOC值升高。匀速阶段车辆回到纯电动模式。制动阶段电机进行制动能量回收。

仿真结果表明车辆能够正确地识别驾驶员的驱动/制动需求,选择合适的工作模式,能对发动机和电机的输出功率进行合理分配。

采用SOC平衡法对NEDC循环工况下的等效百公里油耗进行了仿真分析。SOC平衡法通过改变SOC初始值,进行多次仿真,将SOC变化量与油耗结果进行线性拟合,找出SOC平衡点,得出最终油耗。其中初始SOC为0.6时的仿真结果如图8所示。

找出SOC平衡点后,最终仿真结果如表5所示。表5中的对比车型搭载的是2.0L发动机,整备质量为1485kg。

表5 油耗仿真结果

由仿真结果可知,该强混方案在NEDC循环工况下等效百公里油耗较对比车型降低了34%。

4 动态过程台架试验

4.1 台架试验系统

台架试验系统如图9所示。其中两台FEV测功机分别模拟左右车轮。ECU、IPU、BCU通过CAN总线与HCU(dSPACE快速原型)进行数据交换。

图10为试验台架实物图。驾驶员在左侧的防护罩内进行驾驶操作,监控人员在右侧的防护室内进行监控。

由于该试验台架尚不具备模拟循环工况的功能,故只用其验证行进中启动发动机动态协调过程,不进行油耗测试。

4.2 行进中启动发动机试验结果

在1～4挡条件下,电机转速为800～2000 r/min范围内,对车辆行进中启动发动机的过程进行了测试。结果验证了在上述条件下,电机均能正常地启动发动机,且能保持车辆驱动所需力矩,从而也验证了本文行进中启动发动机动态协调控制的可行性。

电机转速在启动过程中会出现一定的波动,这一波动通过调节限力矩离合器的油压和电机启动转矩的加载与卸载时刻能够得到较好的控制。图11所示为2挡、电机转速为800r/min时的试验结果。

由试验结果可看出,限力矩离合器油压在0.8s之前缓慢上升,0.8s之后迅速升高到目标压力。在油压达到门限值 p0后,电机加载启动力矩。加载后,发动机转速增大,至启动转速n0后,开始喷油、点火,电机卸载启动转矩。发动机从静止到设定转速的时间短于0.3s。发动机与电机转速相同后,启动过程完成,进入混合驱动模式。

电机转速的变化反应出启动过程对车辆行驶速度的冲击。由试验结果可以看出,启动过程中电机转速存在小幅波动,会导致车速出现变化。这种变化将会对车辆的舒适性造成负面影响。试验过程验证了这一波动可以通过进一步地匹配调试进行调整,使得发动机启动过程对车速的冲击达到最小,保证车辆行驶的舒适性。

5 结束语

本文建立了一种新型单电机、双离合器式强混合动力车辆的分层控制系统。通过仿真分析,验证了所制定的能量管理策略能够发挥此强混方案的节油优势,使得整车油耗降低达34%。通过台架试验,验证了行进中启动发动机的动态过程平稳可控,证明了动态协调控制策略的可行性和有效性。

[1]Andreas S,Franz Z,Johannes S.Powertrain Hybridization of a Full Size SUV—a Multifunction Electric 4WD Traction Module[C]//EVS23.Anaheim,California,2008.

[2]Sasaki S,Takaoka T,Matsui H.Toyota'sNewly Developed Electric—Gasoline Engine Hybrid Powertrain System[C]//EVS14.Orlando,Florida,1997.

[3]刘倩.亦动亦净完美随行LEXUS雷克萨斯RX400h[J].时代汽车,2007(3):12-13.

[4]赵京.一汽奔腾推出自主产权全混合动力车奔腾B70HEV[EB/OL].[2009-06].http://auto.sina.com.cn/news/2008-04-12/1310364706.shtml.

[5]周磊,罗禹贡,杨殿阁,等.混联式混合动力车多能源控制系统的开发[J].机械工程学报,2007,43(4):125-131.

[6]李红朋.基于HEV发动机起动性能的ISG转矩控制与仿真研究[D].重庆:重庆大学,2005.