机电式CVT插电式混合动力系统模式切换控制

叶 明 程 越 舒 红

1.重庆理工大学汽车零部件制造与检测技术教育部重点实验室，重庆，400054

2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400044

0 引言

插电式混合动力汽车作为国家重点扶持的新能源车辆，越来越受到关注［1－2］。轿车和客车企业都在发展自己的插电式混合动力车型［3－4］。

插电式混合动力车辆工作模式较多，各工作模式之间的切换品质直接影响到车辆的行驶性能，是插电式混合动力汽车需要解决的关键技术之一。Davis等［5］利用发动机状态观测器，通过电机消除扭矩波动。王庆年等［6］提出了基于电机辅助的模式切换协调控制策略，用以减小扭矩波动。颜伏伍等［7］提出了利用电机补偿发动机动态转矩的模式切换策略，提高了驱动模式的切换性能与效果。严运兵等［8］提出了“转矩预分配＋发动机调速＋发动机转矩估计＋电动机转矩补偿控制”的动态协调控制策略，降低了各模式切换过程中的转矩波动。杨阳等［9］通过发动机、电机以及离合器的扭矩协调控制，提高了切换品质。通过以上分析发现，由于发动机转速控制较困难，模式切换主要采用电机扭矩补偿的方法来减小模式切换的冲击。

插电式混合动力汽车需要通过变速器对其动力源（发动机和电机）的工作区域进行优化，以有效发挥自身性能。无级自动变速器（continuously variable transmission，CVT）能实现真正意义上的无级自动变速，在调整动力源工作区域方面具有突出的优点，并且CVT是目前最舒适的一种自动变速器，因此在很多的混合动力汽车中都装备了CVT。但传统的电控液动CVT自身需要一套液压系统［10］，系统油压由发动机输出建立，制造成本相对较高且效率较低。特别是对于插电式混合动力系统，在纯电动工况下，无法持续保证传统CVT的系统油压，如果再加装一套独立的供油系统，不仅会带来控制上的诸多问题，而且在成本上也无法接受。因此，传统的CVT在插电式混合动力系统乃至纯电动系统上的应用都受到了限制。机电控制CVT完全抛弃了传统的液压系统，从而大大降低了系统的制造复杂性，成本降低30%以上，整机传动效率提高10%，整车能耗大大减小，可靠性提高。因此，机电控制CVT在插电式混合动力系统上的应用有着不可比拟的优势。

1 系统结构及工况模式分析

图1所示为搭载机电式CVT的插电式混合动力系统。为了简化系统机构，仅在发动机和电机之间置有一自动离合器，通过整车控制器对其进行自动控制，实现发动机和电机能量的合并与分离，并在电池荷电状态（state of charge，SOC）很小的情况下，实现发动机驱动起步。电机与CVT直接相连，通过差速器将驱动力传递到车轮。发动机启动仍然采用传统的启动电机，由12V车载电池供电。由于采用了机电式CVT，不需要再单独构建一套液压系统，其系统结构和控制都大大简化。根据该系统的特点，在车辆行驶过程可具有以下工作模式：

图1 搭载机电CVT的插电式混合动力系统

（1）发动机单独驱动。当SOC较小且需求功率较大时，发动机单独工作，以驱动车辆行驶。在此模式下，自动离合器处于结合状态，电机关闭，发动机处于油门控制模式。

（2）电机单独驱动模式（纯电动）。当SOC较高，并且需求功率在电机输出功率范围内，可由电机单独驱动车辆行驶。在此模式下，自动离合器分离，发动机关闭，电机处于电动状态下的扭矩控制模式。这是插电式混合动力汽车的主要工作模式［11］。

（3）发动机／电机混合驱动模式。当车辆需求功率较高，且电池SOC在许可的范围内，则发动机和电机同时工作，共同输出转矩驱动车辆。在此模式下，自动离合器处于结合状态，电机处于电动状态下的扭矩控制模式，发动机处于扭矩控制模式。扭矩根据控制策略进行分配。

（4）电池充电模式。当电池SOC较小，且车辆需求功率小于发动机当前所能提供的最大功率时，可利用发动机的富余功率对电池进行充电。在这种模式下，自动离合器处于结合状态，发动机处于扭矩控制模式，电机处于发电状态下的扭矩控制模式［12］。

（5）再生制动。当SOC小于90%时，车辆在缓速或轻微制动的状态下，进入再生制动工作模式。为了最大化回收制动能量，可将自动离合器断开，从而消除发动机的反拖转矩所带来的影响。系统综合协调控制CVT、电机和电池，最大化回收能量［13］。当需求制动强度较大或防抱死系统（ABS）工作时，从安全的角度出发，制动器单独工作，再生制动停止［14］。

由于所研究的系统结构只有一个离合器，在模式切换过程中，当传动比不变时，不能对电机进行大范围的转矩和转速控制。因此，需要利用系统特点，在模式切换过程中，对发动机、离合器、CVT以及驱动电机进行综合控制，使系统获得最佳的模式切换性能。

2 动力源建模

2.1 驱动电机建模

所研究的系统采用永磁同步电机作为驱动电机。通过Clarke和Park变换，建立永磁同步电机转子直角坐标系（d－q）数学模型，这样不仅可分析电机的稳态运行性能，也可分析瞬态过程。假设电机磁路不饱和，定子三相绕组完全对称，忽略磁滞、涡流的影响，则三相绕组的电压平衡方程可表示为

式中，Ud、Uq分别为d轴和q轴相电压，V；Id、Iq分别为d轴和q轴相电流，A；R为电阻，Ω；Ld、Lq分别为d轴和q轴电感，H；Ke为反电动势系数，V／（rad·s－1）；p为极对数；ωm为电机角速度，rad／s。

电机电磁转矩方程为

由上述发动机和电机数学模型，可以得到动力源的机械平衡方程：

式中，Jm为转换到电机输出轴上的转动惯量，kg·m2；Tl为负载转矩，N·m；Cm为黏性阻尼系数，N·m·s／rad。

2.2 发动机建模

采用试验的方法，根据测试数据建立发动机稳态扭矩模型（图2）。发动机油门开度由电子节气门控制。

图2 发动机数值模型

3 机电CVT建模

3.1 机电CVT传动原理

机电式CVT结构原理如图3所示。它由驱动机构、夹紧机构和金属带传动装置构成。驱动机构采用直流电机，通过齿轮减速机构和丝杆螺母机构，实现电机的减速增扭，并将电机的旋转运动转换为直线运动。夹紧机构采用碟形弹簧，通过其弹性变形实现对带轮的加压。金属带传动装置和传统的电控液动式金属带CVT相同，由钢带和金属块组成，通过带轮的夹紧传递动力。电机旋转带动减速机构和丝杆螺母机构运动，从而调整主动带轮可动盘的轴向位移，实现CVT速比的调节。

图3 机电CVT结构原理

3.2 驱动机构模型

驱动机构采用普通永磁有刷直流电机，根据电磁场方程和动力学方程，可建立永磁直流电机的数学模型，通过脉宽调制控制电机的输入电压，从而控制电机电流，实现电机的转矩与转速控制。电机的转矩通过减速机构放大，作用在CVT主动带轮上，推动其移动，从而实现速比的调整。

3.3 夹紧机构模型

碟形弹簧具有非线性的弹性特性，因此，可采用其压紧力变化较小的区域作为CVT夹紧弹簧的工作区，使CVT的带轮在轴向运动的过程中，夹紧力变化不大，保证CVT的扭矩传递能力和效率维持在一个稳定的范围内。根据碟形弹簧特性，可得CVT从动带轮推力Fs随带轮可动盘的轴向位移xs变化的特性，如图4所示。主动带轮采用与从动带轮同样的碟形弹簧，通过电机所产生的推力实现调速。

图4 从动带轮推力变化特性

3.4 速比变化率模型

定义CVT速比为

式中，rp、rs分别为主从动带轮有效工作半径，m。

CVT的速比变化率dic／dt与CVT的自身特性、夹紧力以及输入转速有关。 本文采用Carbone模型进行描述［15］，即

式中，if为主从动轮推力比；Fp、Fs分别为速比变化时的主从动带轮推力，N；is为速比稳定时主从动轮推力比；Fu、Fv分别为速比稳定时的主从动带轮推力，N；ωp为主动带轮转速，rad／s；Δβ为带轮变形系数；a0、a1为常数；β为带轮半槽角，rad；kc（ic）为随速比变化的多项式；D0为主从动带轮中心距，m；b0、b1为常数。

根据CVT运动学关系，带轮轴向位移计算式可表示为［16］

式中，xp为主动带轮轴向位移，m；rn为带轮最小工作半径，m；rx为带轮最大工作半径，m。

假设带轮包角近似为180°，则主从动带轮上的工作半径之和为常量，由此可得主从动盘带轮轴向速度为

根据式（4）～式（7），由CVT当前的速比和工作半径以及夹紧力，计算得到CVT的速比变化率，获得带轮轴向移动速度，从而计算出下一时刻CVT的速比，这样便可获得CVT动态调速模型。

4 模式切换控制策略

下面以纯电动驱动模式向混合驱动模式切换为例，说明模式切换的控制策略（图5）。

图5 电动／混合驱动模式切换控制策略

当车辆从其他运行工况退出后，检测电池SOC和需求扭矩。当条件满足便进入混合动力驱动模式。为了实现发动机和电机的混合驱动，必须要调整电机、发动机和自动离合器状态。首先判断发动机是否处于工作状态，如果不是，便分离自动离合器，启动发动机。这期间为了不使车辆动力明显下降，控制电机工作在电动模式下。为了缩短自动离合器结合时间和降低冲击，在这期间控制CVT速比，使离合器从动盘转速尽量调整至发动机转速，同时控制发动机转矩，以确保离合器接合后动力输出不发生剧烈的变化。当离合器转速差在允许范围内时，便结合自动离合器。然后使电动机工作在电动工况的扭矩控制模式下，发动机工作在扭矩控制模式下。各自的目标扭矩由控制策略根据SOC、需求功率和效率等因素进行分配。同时根据系统燃油经济性和动力性的需要，对CVT的速比进行控制。这样就完成了混合驱动工作模式的切换。当电池SOC或需求扭矩不满足混合驱动模式的条件时，便退出该工作模式。

5 仿真分析

5.1 控制仿真模型

图6 机电CVT的混合动力系统控制仿真模型

机电CVT的混合动力系统控制模型如图6所示。当模式切换开始时，模式切换控制器根据发动机转速和驱动电机转速计算出CVT的目标传动比ir，CVT速比控制器根据目标传动比与CVT实际传动比的差值Δi计算出CVT调速电机的占空比cm。调速电机模型根据占空比计算出作用在主动带轮上的推力Fp。CVT速比变化模型根据CVT的动力学关系，计算出速比变化率dic／dt，由速比变化率计算出带轮的轴向移动速度vp。根据带轮移动速度最后计算得到CVT的实际速比。能量分配策略根据车速ve和油门开度βa等信号，计算出目标节气门开度αr和驱动电机目标转矩Tr。电子节气门模型根据αr计算得到实际的节气门开度αt。发动机模型根据发动机转速ωe和αt，计算得到发动机实际转矩Te。离合器模型根据离合器结合速度vc和发动机转矩计算得到离合器输出转矩Tc。电机控制器根据目标转矩计算出目标电流Ir。驱动电机模型根据目标电流和电机转速ωm计算出电机实际转矩Tm。Tm与Tc的和便是动力源输出转矩Tp，Tp与ic相乘得CVT输出转矩Tt，再根据主减速器i0、车轮半径rw以及车辆行驶平衡方程便可得到车速ve。

5.2 仿真分析

在MATLAB／Simulink仿真平台上建立仿真模型，主要仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

图7所示为模式切换过程中，不对CVT速比进行控制的仿真结果。系统初始处于纯电动状态，由电机单独驱动发动机，自动离合器处于分离状态。当系统接到模式切换指令后，发动机启动，离合器以最大速度结合（图7a），CVT速比保持不变（图7c）。由于发动机转速比电机转速低，当离合器结合时，发动机受整车惯性的反拖，转速迅速上升（图7d），由于离合器主从动盘转速差较大，使整车产生了较大的冲击（图7b）。

图7 模式切换过程（无CVT速比控制）

图8所示为采用本文提出的控制策略的模式切换过程。在发动机启动后，离合器仍然以相同速度结合，但CVT根据发动机转速进行了控制，使离合器在传递转矩前，降低了电机转速，从而降低了离合器主从动盘转速差。因此，整车在模式切换过程中的冲击大大降低。

图8 模式切换过程（采用CVT速比控制）

6 结论

（1）分析了插电式混合动力系统的主要工作模式，提出模式切换过程中利用CVT调速来控制电机转速，从而提高模式切换品质。

（2）建立了插电式混合动力系统的动力源模型、机电控制CVT速比变化模型。在此基础上，以纯电动／混合驱动模式切换为例，提出了模式切换过程的控制策略。

（3）搭建了搭载机电式CVT的插电式混合动力系统控制仿真模型，并进行了模式切换仿真。仿真结果表明，本文提出的控制策略与传统的模式切换方法相比，能大大降低系统的冲击度，提高系统的平顺性，提高模式切换品质。更加充分地发挥了机电式CVT在插电式混合动力系统上的优势，为其产业化应用奠定了相应的理论基础。

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