混合动力汽车模式切换控制策略

彭耀润，王金航，徐 寅，吴 蒙，李 欢

混合动力汽车模式切换控制策略

彭耀润，王金航，徐 寅，吴 蒙，李 欢

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

混合动力汽车动力电池充电能力低时，电池充电能力无法兼顾模式切换调速发电和能量回收发电，滑行能量回收过程模式切换会引起整车不平顺。针对此问题，提出一种混合动力汽车能量回收过程的模式切换控制策略。根据车辆实时信息识别模式切换类型和能量回收的状态，模式切换类型为串联切换并联并且车辆处于能量回收状态，通过降低发动机扭矩至断油扭矩和延长模式切换的调速时间，减小调速过程发电机的发电功率。整车标定试验结果表明，本研究的模式切换控制策略能够保证轮端按照目标回收扭矩进行回收，并显著提升了滑行能量回收过程模式切换的整车平顺性。

混合动力汽车；能量回收；模式切换；调速发电；整车平顺性

混合动力汽车因其节约能源、污染排放低等优点，成为当今汽车研究与发展的热门领域[1-2]。混合动力汽车行驶过程中，其能量分配策略会根据具体行驶工况将混合动力汽车控制在不同的工作模式，然后在各个工作模式下分别控制各个动力源的工作状态[3]。混合动力汽车在模式切换过程中常常伴随离合器同步器的分离与接合，所以在模式切换过程中可能造成整车动力输出不足或总输出转矩波动较大的问题，由此引起的瞬态冲击会对整车的行驶平顺性和乘坐舒适性产生影响[4-6]。

混合动力汽车在能量回收过程中，需要通过发电机发电将发动机转速下拉以完成模式切换。混合动力汽车动力电池在低温或满电的情况下，电池充电功率小，能量回收和调速发电产生的充电功率远大于电池的充电功率，如何实现电池低充电功率下能量回收与模式切换的协调控制，并保证电池不过充和整车平顺性成为关键技术难点之一。本文以提高整车平顺性为目标，对模式切换过程进行动力学分析并制定相应的控制策略，最后在低温环境下进行整车标定试验，试验结果表明，设计的模式切换控制策略显著提升了滑行能量回收过程模式切换时的整车平顺性。

1 混合动力系统结构

本文所研究的混合动力汽车为串并联构型的混合动力汽车，动力总成配置由发动机、动力电池、发电机、驱动电机、2挡混动专用变速箱等组成，如图1所示。

图1 混合动力汽车构型

该混动系统具备纯电、串联和并联三种模式。通过控制离合器/制动器的接合或断开组合形式，实现串联模式与并联模式之间的切换，以及并联模式下不同挡位之间的切换。

2 混合动力汽车模式切换原理

混合动力汽车目标模式和当前模式不一致时，整车控制器通过控制离合器/制动器的断开或接合，从当前模式切换到目标模式。在串联模式，离合器和制动器断开，发动机转速和车速解耦。并联模式分为并联1挡和并联2挡，发动机转速和车速耦合。在并联1挡，制动器接合，离合器分离，在并联2挡，制动器分离，离合器接合。在并联模式1挡和2挡切换时，切换过程离合器断开，为增程模式，并联模式挡位切换过程为并联模式当前挡位-串联模式-并联模式目标挡位。驾驶员需求扭矩大时，目标模式为串联模式，驾驶员需求扭矩小时，目标模式为并联1挡或并联2挡。当驾驶员踩大油门后松油门，整车会从驱动状态变为能量回收状态，动力挡切换至非动力挡，即从串联模式切换至并联1挡/2挡或并联1挡切换至并联2挡。动力挡对应的发动机转速高，非动力挡对应的发动机转速低，动力挡切换非动力挡时，发动机转速需要下拉至非动力挡对应的发动机转速。本文主要研究能量回收过程串联模式切换并联模式的模式切换控制，将串联切换并联的过程分为两个阶段，调速阶段和离合器/制动器接合阶段。

在串联模式，驱动电机扭矩为

d=l/d（1）

式中，l为轮端扭矩；d为驱动电机至轮端的速比。

整车处于能量回收状态时，d为负扭矩，能量回收产生的电池充电功率为

式中，d为驱动电机转速；d为驱动电机的发电效率。

发动机处于工作状态时，产生的电池充电功率为

式中，g为发电机扭矩；g为发电机转速；g为发电机的发电效率；e为发动机扭矩；e为发动机转速；e为发动机至发电机的机械传动效率。

串联模式，能量回收和发动机工作发电产生的电池充电功率为

在串联模式切换并联模式的调速阶段，需要将发动机转速下拉至并联1挡或并联2挡对应的发动机转速。在调速阶段，离合器/制动器断开，还属于串联模式，能量回收产生的电池充电功率为

发动机调速是通过提高发电机扭矩将发动机转速下拉，根据动力学公式有

f=gg（7）

式中，f为换算到发动机端的发电机扭矩；g为发电机扭矩；g为发动机到发电机的速比。

由式（6）和式（7）可知发动机调速过程需要的发电机扭矩为

式中，e为发动机及与发动机相连部件组成的整个部件的转动惯量。

发动机调速过程产生的电池充电功率为

轮端能量回收和调速产生的电池充电功率为

可以看出发动机调速阶段产生的功率由轮端回收功率、发动机工作和发动机调速产生的功率三部分组成。

离合器/制动器接合阶段产生的电池充电功率为

在并联模式，离合器完全接合，使用驱动电机进行发电，产生的电池充电功率表由能量回收功率和发动机的发电功率组成：

式中，ed为发动机到驱动电机的机械传动效率。

由上述分析可知，在调速过程，调速会产生更多的发电功率。低温下电池充电功率小，若轮端回收和发动机工作产成的功率大于或接近电池充电功率，此时模式切换调速会增加更多的充电功率。以往策略为保证模式切换成功且电池不过充，通过减小轮端回收扭矩，转让部分功率用于调速，但会造成轮端回收扭矩不线性，整车平顺性差，因此，有必要制定合适的模式切换控制策略，提升模式切换过程的整车平顺性。

3 混合动力汽车模式切换控制策略

由式（10）可知，模式切换调速阶段影响电池充电功率的能量回收、发动机扭矩和发动机调速，减小上述各方面的功率，均可以减小对电池的充电功率。本文从减小发动机扭矩和发动机调速速度两方面着手，设计模式切换过程的控制策略。检测到轮端扭矩为负值时，判断为整车处于能量回收状态，设计的能量回收过程模式切换控制策略如图2所示。

图2 能量回收过程模式切换控制

在调速阶段，发动机调速控制、发动机扭矩控制和离合器/制动器油压控制同时进行。

1.发动机调速控制

根据发动机目标转速和实际转速进行比例、积分和微分（Proportional Integral Derivative, PID）闭环控制计算发电机目标扭矩，控制发动机实际转速按照目标转速逐渐过渡至目标挡位对应的发动机转速。

2.发动机扭矩控制

轮端扭矩为负值时，发动机目标扭矩从当前扭矩快速按一定斜率减小至发动机断油扭矩，使发动机彻底断油。

请求发动机扭矩响应的方式为快扭方式，快扭能够提升发动机扭矩响应的速度，快速减小发动机扭矩，避免发动机扭矩响应不及时，发动机的发电功率减小过慢。在发动机扭矩减小至断油扭矩后，请求发动机扭矩响应的方式为慢扭方式，此时发动机断油，无需发动机扭矩快速响应。

3.离合器/制动器压力控制

目标挡位离合器/制动器的油压预充至半接合点，不传递扭矩。

发动机实际转速和目标挡位对应的发动机转速间的转速差小于一定阀值时，进入离合器/制动器接合阶段。

离合器/制动器接合阶段，控制离合器/制动器油压快速上升，快速接合离合器/制动器。

在离合器/制动器接合阶段的时间大于一定时间阀值时，判断为模式切换完成，进入并联模式。

在并联模式下，发动机目标扭矩从断油扭矩快速变化至0 Nm，然后按一定斜率逐渐恢复至发动机原始目标扭矩。

4 整车标定验证

根据上述混合动力汽车模式切换控制策略进行软件编写，并进行模式切换控制优化前和优化后（本研究的模式切换控制策略）的整车标定试验，优化前和优化后的整车试验结果如图3和图4所示。

模式切换控制优化前，松油门后轮端按目标扭矩进行能量回收，在模式切换时，调速发电产生一定的电池充电功率，为保护电池不进行过充，减小轮端回收扭矩。轮端回收扭矩在模式切换调速阶段时减小至0 Nm，模式切换调速完成后逐渐恢复到目标回收扭矩，滑行过程整车加速度变化幅度达0.9 m/s2，平顺性差。

模式切换控制优化后，松油门后轮端按目标扭矩进行能量回收，在调速开始时检测到轮端扭矩为负值，发动机扭矩从当前扭矩减小至断油扭矩，发动机调速时间有所延长，发动机扭矩响应方式为快扭，模式切换过程轮端始终保持按目标扭矩进行回收，滑行过程整车减速度无变化，整车平顺。

图3 优化前整车试验结果

图4 优化后整车试验结果

5 结论

分析了混合动力汽车模式切换过程的原理，提出了能量回收过程的模式切换控制策略，包括发动机调速控制、发动机扭矩控制和离合器/制动器油压控制的控制策略，调速阶段通过降低发动机扭矩至断油扭矩，使发动机断油，并延长模式切换的调速时间，减小调速过程的发电机的发电功率。整车试验结果表明，本研究的模式切换控制策略能够在动力电池充电功率无法兼容能量回收功率和模式切换调速发电的情况下，能够确保轮端按照设计的目标回收扭矩进行回收，显著提升了滑行能量回收过程模式切换的整车平顺性。

[1] 刘翠,初亮,郭建华,等.并联混合动力汽车驱动模式切换扭矩协调控制[J].华中科技大学学报(自然科学版),2013,41(12):85-89.

[2] 舒红,秦大同,胡明辉,等.轻度混合动力汽车再生制动能量管理策略[J].机械工程学报,2009,45(1):167- 173.

[3] 巴特,高印寒,曾小华,等.混合动力汽车工作模式切换控制方案[J].吉林大学学报(工学版),2016,46(1): 22-27.

[4] 张欣,崔宇轩,薛奇成.PHEV行进间启动发动机的转矩协调控制策略[J].华南理工大学学报(自然科学版),2021,49(8):130-139.

[5] 梁俊毅,张建龙,殷承良.某型混合动力汽车协调换挡控制策略的研究[J].汽车工程,2015,37(12):1371- 1377.

[6] 于洋.搭载DCT的并联混合动力汽车模式切换及协调控制研究[D].长春:吉林大学,2018.

A Mode Switching Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle

PENG Yaorun, WANG Jinhang, XU Yin, WU Meng, LI Huan

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

When the charging capacity of the power battery of the hybrid electric vehicle is low, the charging capacity of the battery cannot take into account the mode switching speed regulation power generation and energy recovery power generation, and the mode switching during the coasting energy recovery process will cause the vehicle irregularity. To solve this problem, a mode switching control strategy for energy recovery process of hybrid electric vehicle is proposed. According to the real-time information of the vehicle, the mode switching type and the state of energy recovery are identified. The mode switching type is series switching parallel and the vehicle is in the state of energy recovery. By reducing the engine torque to the oil cut-off torque and the speed regulation time of mode switching is extended to reduce the power generation of the generator during the speed regulation process. The results of vehicle calibration test show that the mode switching control method in this study can ensure that the wheel end can recover according to the target recovery torque, and significantly improve the vehicle ride comfort of mode switching during the coasting energy recovery process.

Hybrid electric vehicle; Energy recovery; Mode switching; Speed regulation power generation; Vehicle ride comfort

U468.7

A

1671-7988(2023)18-47-05

彭耀润（1985－），男，硕士，工程师，研究方向为整车控制，E-mail:pyr1211@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.010