电动四驱混合动力车的模式切换平稳性研究

徐 悦，郭 俊，张 雄，吴为理

Xu Yue，Guo Jun，Zhang Xiong，Wu Weili

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 510640）

针对新提出的插电式混合动力汽车的构型，文中探讨了一种新的模式切换平稳性算法。特别是由纯电动模式与混动模式之间的切换是近年来研究者重点关注之一，如何保证平稳性过渡也是整车控制的难点之一。文献[1]提出了“新的电机转矩算法”，确保纯电模式过渡到纯发动机模式车辆输出转矩的相等性，保证切换的平顺性；文献[2]讨论了各种模式之间的切换策略；文献[3]建立了整车控制系统硬件框图，深入研究两驱/四驱混合电动车的结构与模式切换过程；文献[4]提出建立发动机状态观测器，利用ISG消除发动机转矩波动；文献[5]—文献[8]研究结果表明在整车控制中，如何协调转矩分配控制是保证模式切换平稳性的关键。

针对新型的插电式混合动力车的模式切换过程中的转矩波动问题进行分析研究，提出由纯电动模式切换到混合动力模式的控制算法，利用AVL/Cruise和Matlab联合仿真对该算法进行研究分析，试验结果证明了文中算法的可靠性、有效性和简单可行性，能确保车辆模式之间切换的平稳性。

1 整车体系

首先定义插电式单向离合器电动四驱混合动力车的结构和动力链，分析这种新的整车体系下的模式切换种类和原理。

1.1 整车构型

本项目混合动力电动车基于广汽研究院某款新能源样车进行研发，动力参数如表 1所示。表中分别列出了发动机最大功率和最大转矩，前后轴电机的动力参数。

表1 动力参数

整车布置如图1所示。常规4缸发动机通过单向离合器和前轴电机同轴相连，经过主离合器与变速箱相连，整个前轴驱动与前轮耦合，通过前轴输出动力；后轴电机通过单级齿轮将动力输出到后车轮上。

电池和充电机位于后排座椅后，电池采用总电压288 V，45 Ah的磷酸铁锂离子电池；充电时间4 h；整车最大总质量2145 kg。

整车构型与一般混联式混合动力电动车相比，就是在发动机和前轴电机之间增加了一个单向离合器，这就使整车的控制策略较为复杂，离合器的打开和闭合直接影响整车模式的运行，模式种类增加了，模式切换变得较为复杂，文中就是基于这种构型来开展研究。

1.2 模式切换

增加一个单向离合器之后，其工作模式如表2所示，较之普通的混联式车辆多了四驱纯电动模式，而此模式下前后轴电机均参与驱动，提高了车辆的动力性，并且适合多种工况下的行驶条件。通过控制动力源和离合器元件的工作状态，该混合动力系统可实现多种工作模式：1）两驱纯电动。发动机和前轴电机不工作，只有后轴电机在电池输出功率作用下驱动后轮，单向离合器闭合；2）四驱纯电动。单向离合器打开，前后轴电机均在电池作用下输出动力；3）混动模式。单向离合器闭合，发动机和前后轴电机均参与驱动，其中前轴电机可发电或者驱动，该模式适用于加速、高速行驶工况下；4）增程式模式。单向离合器闭合，发动机输出到前轴电机发电，后轴电机驱动。

表2 新型混合动力系统工作模式

上述 4种模式中模式切换平稳性研究的难点是实现模式3和模式2之间的平稳切换，这也是本文研究的控制算法的目标。

整车控制根据车速、节气门开度等进行模式切换，在每个模式切换时都是有条件的，例如纯电动要进入混动模式，首先要发动机启动，这时的转移条件是“有空挡或者混动或者串联式请求”。根据可充电混合动力电动汽车的特点，整车方案中设置了转换开关（有“EV”开关），当“EV”开关被按下时，汽车将采用四驱纯电动模式工作，直到SOC下降到下限时，切换到混动模式；不按下“EV”开关，且SOC较高时，汽车用两驱纯电动工作。文中研究的是“EV”开关被按下时，由四驱纯电动模式切换到混动模式时的控制算法。

2 纯电动模式混动模式算法

由纯电动切换到混动模式，要启动发动机，需要增大电机转矩，其值为

发动机提供动力后由于滞后性，电机没有退出工作，而是补偿发动机转矩不足，若发动机实际输出转矩为Te，与目标值差为

为确保需求转矩平稳，用电机补偿，电机实际输出转矩TG，与发动机转矩关系为

所以电机转矩为：TG=Td_req- Te，式中Te_req和TG_req为发动机和前轴电机目标转矩。由混动模式进入四驱电动模式切换中，发动机输出转矩T'e，前后电机输出转矩 T'G,T'm分别为

需求转矩：T'req=T'e+T'G+T 'm

同时：T'req=Treq+∫kreqdt

因此：km=kreq-ke-kG，其中ke，kG，km和kreq是发动机、前后轴电机和实际需求转矩变化率。

3 控制过程仿真分析

利用AVL/Cruise软件建立车辆动力学模型，利用Matlab/Simulink建立整车控制策略及协调控制模型见图2所示。

仿真结果如图3～图5所示，采用UDC试验路况，由图可知，当发动机启动后，在转矩下降要停机前，ISG适当补充转矩以满足整车需要。而在此过程中ERAD补充的转矩最大，这也是保证整车模式切换中动力连贯性的要求，确保平稳过渡，在发动机启动过程中ISG和EARD均有助力，ISG确保发动机启动，ERAD确保动力不会中断。

该控制策略不仅可以利用电机响应迅速的特点对发动机转矩进行补偿，而且对发动机转矩变化率进行控制，能够得到更为精确的发动机转矩，可以取得较好控制效果。当汽车由混合驱动向纯电动切换时，由于滞后性，转矩易波动，需要限制其转矩变化率，减少发动机转矩，增大电机转矩，当发动机转矩达到某一较小值时，降低发动机转速至停机，单向离合器退出工作，电机驱动。

由纯电进入混动，电机提供足够启动转矩，在离合器闭合之前适当减小电机转矩，确保过渡过程转矩波动不大。

4 结 论

1）深入研究了两驱/四驱混合动力车系统结构、驱动模式和动力切换过程；

2）基于电动四驱混合动力汽车提出了有纯电动和混动模式互相之间切换的算法，并进行混合动力车试验样车测试；

3）利用AVL/Cruise和Matlab联合仿真平台建立该种样车的动力学模型，进行仿真测试，得出本算法的可靠性、有效性和简单可行性，能确保车辆模式之间切换的平稳性。

[1]张军，周云山，黄伟，等.四驱混合动力汽车模式切换平顺性研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2011，28（8）：24-27.

[2]王庆年，冀尔聪，王伟华，并联混合动力电动汽车模式切换过程的协调控制[J].吉林大学学报（工学版），2008，38（1）：1-6.

[3]余群明，周健，黄伟，等.基于CVT的混联式电动汽车动力切换平稳性研究[J].汽车工程，2007，29（3）：283-286.

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[5]白中浩，曹立波，王耀南.基于CVT的混合动力汽车建模与仿真[J]。计算机仿真，2007，24（6）：235-238.

[6]Giorgio Rizzoni.Estimate of indicated torque from crankshaft speed fluctuations：a model for the dynamic of the IC engine[J].IEEE Transaction on Vehicle Technology，1989，38（3）：168-179.

[7]黄剑峰，重度混合动力轿车模式切换扭矩协调控制策略[D]，重庆：重庆大学，2012，54-57.

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