混合动力汽车控制策略研究

王慧晶，王 磊，高 强，邴 建

(北京汽车研究总院有限公司，北京，101300)

混合动力汽车控制策略包括整车控制策略及换挡控制策略两方面内容.

优化的整车控制策略可合理分配发动机和电动机需求扭矩，提高整车动力性和经济性.混合动力汽车转矩分配策略主要分为4类［1］:基于规则的逻辑门限控制策略;瞬时优化控制策略;智能控制策略和全局最优控制策略.文中采用工程上易于实现和应用较多的基于规则的逻辑门限控制策略.

以中度混合动力为研究对象，通过建立整车正向仿真模型，对基于规则的逻辑门限控制策略和操纵换挡控制策略进行验证分析.

1 正向仿真模型

在某前置后驱传统汽油车基础上改制混合动力汽车，混合动力传动装置由模式离合器、电机及其控制器、变速器等组成，属于单离合器的中度混合动力系统［2］，见图1.其中，发动机结构紧凑、排量适中、动力性好、安全性高;电机结构简单、效率高、低速大转矩、有较宽范围的恒功率特性;模式离合器采用自动干式离合器，减小了传动机构的尺寸和成本，可按要求实现不同模式的切换;变速器实现自动换挡功能.整车控制器为系统核心，可以实现整车控制.

图1 混合动力传动装置图

在MATLAB/Simulink中，按照模块化和前向仿真的建模思路搭建混合动力汽车仿真模型平台，包括预设置、驾驶员、控制系统、发动机、电机、动力电池、传动机构、整车、结果显示等模块，见图2.

图2 混合动力汽车仿真模型平台

其中，预设的模型参数通过M文件储存并导入到模型中;驾驶员模块加载循环工况，将工况速度与仿真车速进行PID调节后输出加速踏板、制动踏板和挡位信号;发动机和电机模型采用实验建模法，利用实验数据建立查表性质的数据库模型［3］;整车动力学模块接收动力系统驱动转矩并作用于车轮，减去滚动阻力、空气阻力、坡度阻力并考虑加速阻力得到车辆的车速;动力电池模型采用基于HPPC脉冲实验得到的PNGV模型［4］;传动机构模块以离合器、变速器、主减速器为主，为驱动车辆扭矩输入到动力总成扭矩输出的传动部件集合;控制模块由stateflow实现整车控制算法［5］.

2 整车控制策略

整车控制策略选择基于规则的逻辑门限控制策略，根据发动机静态效率曲线图，选定整车转矩需求、电池SOC、车速等控制变量，根据预先设定的规则，判定并选择混合动力系统的工作模式，使发动机运行在高效区，电机对发动机起填峰削谷的作用，提高汽车的燃油经济性.

混合动力模式下，发动机工作在预先设定的某一区域内，如图3所示的Te_max和Te_min之间的区域.当发动机的需求转矩低于Te_min时，增大发动机输出，抬升工作点到优化工作区内，富余的转矩用来驱动电机发电;当发动机的需求转矩在Te_max和Te_min之间时，判定电池SOC状态，如果SOC较高，则处于纯发动机工作模式，如果电池SOC低于下限值，则提高发动机转矩输出，提供一定的富余转矩驱动电机发电，如果电池SOC在上下限之间，同时，需求转矩低于最优工作点，则发动机工作在最优工作曲线Te_optimal上;当发动机的需求转矩大于Te_max时，优先考虑电机提供驱动转矩进行辅助，只有当电机不能提供足够的助力转矩时，才进一步增大发动机的转矩输出.

图3 发动机优化工作区域

整车控制流程图如图4所示，通过判断整车信号和需求，进行整车运行模式切换.其中Treq为整车需求转矩;Te为发动机转矩;Tm为电机转矩; SOC为电池荷电荷态;Z为制动强度.

为了方便对比球面、 柱面和平面RT不稳定性谐波幅值的演化, 我们选取特征量重力加速度g和扰动波长λ对谐波幅值和时间进行无量纲处理. 在下列谐波幅值演化曲线图中, 球面RT不稳定性中的谐波幅值统一用实线表示, 柱面RT不稳定性谐波幅值用短线表示, 平面RT不稳定性谐波幅值用带点的短线表示. 3种RT不稳定性中, 如果没有特殊说明, 初始扰动的幅值均为0.001λ.

图4 整车控制流程图

3 换挡控制策略

换挡规律是各排挡之间换挡时刻随控制参数变化的规律.根据驾驶员意图并结合当前的工况和路况，以及发动机、电机、变速器的工作状态，对踏板、电机、变速器进行控制，实现挡位的平稳切换.

换挡控制需要对发动机和电机协调控制.换挡时间的减小不受发动机调速性能的限制，其长短主要与电机的调速时间有关，而电机的调速性能明显优于发动机，因此换挡时间将进一步减小.

换挡流程如下:

(1)摘档前的转矩控制:控制发动机的输出转矩为零，根据此时发动机转速，查发动机MAP图得到发动机的节气门开度.使电机处于发电工况，发出负转矩，控制变速箱输入轴的转速为零.

(2)摘档，选挡:当变速箱输入轴的转矩为零时，摘档;

(3)电机主动同步过程:电机根据目标转速调节变速箱输入轴的转速.当同步器主、从动部分的转速相等时，同步过程结束.此后，为保证顺利挂档，使电机处于发电状态，跟随发动机输出转矩;

(4)换挡:即当同步器主、从部分转速相等且发动机、电机合成输出转矩为零时挂挡;

(5)恢复发动机和电动机转矩:将电机切换为驱动工况，调节节气门开度和电机输出转矩使其满足驾驶员给定的目标值，完成换挡过程.

换挡规律在保证动力性的前提下，根据各挡位的节气门开度和发动机转速，考虑减少换挡次数和燃油经济性，设计原则如下:

(1)考虑动力性和废气排放，各节气门开度的升挡点设计在较高的车速.节气门开度小时，升挡点的发动机转速较低，可实现平稳换挡;

(2)节气门全开和中等开度时，降挡速差大，可减少换挡次数，提高变速箱的使用耐久性;

(3)节气门开度85～90%时设置强制降挡，可提前进入低档，提高了降挡后的发动机工作转速;

(4)合理使用超速档.大节气门开度 (85%以上)时，为不使动力性能变坏，不得升入超速档;小节气门开度 (小于25%)时，为避免发动机低速运转而使排放增加，将换挡车速设计的高些;其余中等节气门开度范围，可使超速档节省燃料的优点得到充分发挥.

根据以上原则设计带强制降低挡的经济性换挡规律，降挡速差随油门开度增大而增大，可实现干预换挡，有利于减少换挡次数，提高燃油经济性.换挡规律如图5，其中实线为升挡曲线，虚线为降挡曲线.

图5 经济性换挡曲线

4 仿真分析

运行市区、市郊、NEDC工况和典型中国城市工况对所建混动模型和设计的控制算法进行仿真分析，所得混合动力各工况油耗和传统车NEDC油耗结果见表1.

表1 各工况下油耗结果

可以看出，在NEDC工况下，混合动力汽车油耗较传统车油耗节约23.4%，其中市区工况节油效果较为明显，达到了32.6%.说明市区频繁怠速停机和制动能量回收的利用节油潜力较大，符合混合动力节油机制.

电池SOC运行变化见图6，可知无论设置初始SOC高或低，最终均可稳定在0.6处，符合整车和电池的控制和保护要求.

图6 电池SOC运行图

由以上仿真结果可以看出，应用整车控制策略和换挡控制策略后，混合动力汽车节油效果明显，SOC能稳定在合理区域，验证了模型和控制策略的正确性，满足整车动力性和经济性的控制要求.

5 结论

在研究机电耦合动力传动装置的基础上，搭建了整车正向仿真模型，提出了基于规则的逻辑门限整车控制策略和经济性换挡控制策略.

由仿真结果可知，应用整车和换挡控制策略后验证了模型和控制策略的正确性，满足动力性和经济性的控制要求.仿真减少了实车测试的成本和周期，为后续的硬件在环、台架试验和整车试验奠定了良好的基础.

［1］吕胜利.并联混合动力汽车控制策略的综合分析［J］上海汽车，2005(7):26-30.

［2］胡 骅.电动汽车［M］.2版.北京:人民交通出版社，2006.

［3］阿尔弗雷德·克拉普尔.起动机-发电机一体化技术(ISG)［M］.北京:北京理工大学出版社，2008.

［4］安东尼·所左曼诺夫斯基.混合动力城市公交车系统设计 ［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

［5］张 威.State flow逻辑系统建模 ［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007.