課 題 組

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 石家莊 050081)

混合動力汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制策略探究

課 題 組

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 石家莊 050081)

從需求解析策略和能量分配策略兩方面研究混合動力汽車穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)矩控制策略.在需求解析策略方面，采用轉(zhuǎn)矩解析的方式可以直接為轉(zhuǎn)矩式柴油機電控系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩需求，便于系統(tǒng)的匹配；在能量分配策略方面，不同的整車需求和部件狀態(tài)可組合成不同的工作模式和能量分配策略.

混合動力汽車；穩(wěn)態(tài)；轉(zhuǎn)矩；需求解析；能量分配

混合動力汽車控制策略能實現(xiàn)對整車各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到在滿足車輛動力性約束條件下獲得最佳燃油經(jīng)濟性的目的，在穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)矩控制策略是整車控制策略的核心內(nèi)容之一.本文以ISG(integrated starter and generator)并聯(lián)混合動力汽車為主要研究對象，以整車經(jīng)濟性為優(yōu)化目標(biāo)，研究穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下混合動力汽車轉(zhuǎn)矩的控制策略.

混合動力汽車控制器的工作流程如圖1所示.混合動力汽車整車控制器通過采集加速踏板位置、制動踏板位置、電池信息等，獲取駕駛員需求和電池狀態(tài)，計算得到混合動力系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)一定的原則進(jìn)行能量分配.從控制過程上可以分為需求解析策略和能量分配策略[1].

1 整車能量需求解析策略

按具體解析對象的不同，整車能量需求分為功率需求和轉(zhuǎn)矩需求兩部分.在并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，多采用轉(zhuǎn)矩解析，它可以直接為轉(zhuǎn)矩式柴油機電控系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩需求.在混合動力系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩需求主要有駕駛員意圖和電池充電需求兩部分.

1.1 駕駛員意圖

駕駛員意圖是指駕駛員的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求，主要由加速踏板開度和車速來表征，在發(fā)動機和電機不同軸的系統(tǒng)中，需要將減速比計算在內(nèi)，駕駛員的需求轉(zhuǎn)矩為：

Td(n)=α(ieTemax(ne)+imTmmax(nm))

(1)

式(1)中，Td(n)為駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；α為加速踏板開度；ie為發(fā)動機減速比；im為電機減速比；Temax(ne)為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Tmmax(nm)為電機最大轉(zhuǎn)矩，單位為N·m.

1.2 電池充電轉(zhuǎn)矩

電池充電需求根據(jù)SOC(State of charge)狀態(tài)的不同可以分為兩種：被動充電和主動充電.被動充電是指當(dāng)電池SOC值小于最小安全工作下限時，必須進(jìn)行充電，這時的充電電流可設(shè)置成電池組的最大許可電流，此時電池的充電轉(zhuǎn)矩需求可由(2)式計算得出.

Tchg=9.549UIchgmax/n

(2)

(2)式中，Tchg為電池充電需求轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；U為母線電壓，單位為V；n為電機轉(zhuǎn)速，單位為r/min；Ichgmax為電池組最大允許充電電流，單位為A.

主動充電是指電池SOC大于最小限值，但尚未達(dá)到最小內(nèi)阻值時的充電過程.通過主動充電可以將SOC增大，使電池的內(nèi)阻減小，提高電池功率輸出時的效率.一般來說，內(nèi)阻最小處的SOC值為電池SOC上限和下限之和的中值，此時電池的充電電流可以表述為：

SOC∈[SOClo,(SOChi+SOClo)/2]

(3)

(4)

Tchg=9.549UIchg/n

(5)

式中，SOClo為SOC的最小門限值；SOChi為SOC的最大門限值；Ichg為當(dāng)前充電電流，單位為A.

整車需求轉(zhuǎn)矩Treq為驅(qū)動需求轉(zhuǎn)矩和充電需求轉(zhuǎn)矩之和，即Treq=Td+Tchg

(6)

圖1 混合動力系統(tǒng)控制器工作流程

2 整車能量分配策略

混合動力汽車邏輯門限控制策略為發(fā)動機工作區(qū)間進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)，根據(jù)輸入的模擬工作條件計算得出駕駛員需求轉(zhuǎn)矩、充電需求轉(zhuǎn)矩和總需求轉(zhuǎn)矩.發(fā)動機電控系統(tǒng)根據(jù)總需求轉(zhuǎn)矩值、優(yōu)化策略、工況需求和工況保護(hù)等進(jìn)行轉(zhuǎn)矩平衡計算.在沒有故障的前提下，發(fā)動機端將修正后的發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩反饋給整車控制器.若發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩符合整車需求，且發(fā)動機工況處于最佳效率區(qū)，則發(fā)動機按照整車需求分配轉(zhuǎn)矩需求，電機則根據(jù)電池充電轉(zhuǎn)矩需求進(jìn)入發(fā)電或空轉(zhuǎn)工作模式；若發(fā)動機轉(zhuǎn)矩能滿足整車需求但處于低效率區(qū)間，則根據(jù)電池SOC的狀態(tài)決定進(jìn)入純電動工作模式或者行車充電工作模式.若發(fā)動機不能滿足整車需求，則電池的充電需求被忽略，電機進(jìn)入助力狀態(tài)，整車進(jìn)入混合驅(qū)動模式.不同的整車需求和部件狀態(tài)組合成不同的工作模式和能量分配策略[2]，見表1.

2.1 起動工況

系統(tǒng)得到起動指令后進(jìn)行自檢，檢測各個子系統(tǒng)信號是否正常，例如，無故障、通訊正常、電池SOC值高于最低SOC限值等.若SOC值低于最低SOC限值，混合動力系統(tǒng)先進(jìn)入駐地充電模式.電機進(jìn)入調(diào)速模式時，模式離合器閉合，根據(jù)發(fā)動機提供的起動目標(biāo)轉(zhuǎn)速高怠速轉(zhuǎn)動.當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到起動轉(zhuǎn)速后，認(rèn)定發(fā)動機起動成功，電機轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩工作模式.車輛起動行駛低速階段處于純電動驅(qū)動狀態(tài)，需求功率由電機提供[3].使能條件：系統(tǒng)自檢完成，起動指令完成.

表1 不同工作模式下各子系統(tǒng)的能量分配策略

Key=on∩SOC>SOClo

(7)

轉(zhuǎn)矩分配策略：

(8)

式中，Treq為系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；lacc為油門踏板位置；Th_max為系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Te_max為發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Tm_max為電機最大輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Te為發(fā)動機分配轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Te為電機分配轉(zhuǎn)矩，單位為N·m.

2.2 駐地充電

當(dāng)電池SOC值過低時，由于內(nèi)阻升高，電池的輸出效率下降，長期處于這種狀態(tài)會對電池的使用壽命造成影響.當(dāng)SOC值低于最低SOC限值時，發(fā)動機起動給電池駐地充電，補償過低的SOC.

使能條件：

Key=on∩SOC

(9)

轉(zhuǎn)矩分配策略：

(10)

式中，Ic為充電電流，單位為A.

2.3 驅(qū)動工況

分四種不同的能量分配策略.

2.3.1 純電機驅(qū)動

Analysis and treatment of anti-floating damage of an underground garage

使能條件：TreqSOC

(11)

轉(zhuǎn)矩分配策略：

(12)

2.3.2 純發(fā)動機驅(qū)動

使能條件：Treq

(13)

分配策略：

(14)

2.3.3 混合電機輔助驅(qū)動

電機輔助分兩種情況根據(jù)電池SOC值的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)矩匹配.當(dāng)SOC值在許用范圍時，發(fā)動機可以提供最大輸出轉(zhuǎn)矩；當(dāng)SOC值過高時， 改變發(fā)動機運行工況，降低發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，使其小于系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩，由電機提供不足的轉(zhuǎn)矩.

當(dāng)SOC值正常時， 使能條件為:

(15)

轉(zhuǎn)矩分配策略為：

(16)

當(dāng)SOC過高時 ，使能條件為:

TreqSOC

(17)

轉(zhuǎn)矩分配策略為：

(18)

2.3.4 行車充電

使能條件為:

Treq

(19)

轉(zhuǎn)矩分配策略為：

(20)

2.4 制動模式

混合動力系統(tǒng)的制動系統(tǒng)由兩部分組成：電機能源再生系統(tǒng)和機械制動部分.由于制動系統(tǒng)的特殊性，機械制動系統(tǒng)是車身安全舒適系統(tǒng)的一部分，它直接關(guān)系著駕駛員的人身安全，影響駕駛舒適性，所以通常為以保證安全為前提、以工況判斷為依據(jù)的兩級制動控制策略.

2.4.1 緊急制動

制動力完全由機械制動，雖然再生能源的制動可以增加制動效果，但由于這時工況變化過于劇烈，如果加以再生制動，會在發(fā)電機中產(chǎn)生大的沖擊電流，對電機和電池系統(tǒng)不利，所以此時的制動力僅有制動摩擦片力矩產(chǎn)生.緊急制動的使能條件為制動踏板加速度大于制動踏板加速度門限值或制動踏板開度大于制動踏板開度門限值.

2.4.2 再生制動

再生制動通過將ISG (Integrated starter and generator)電機作為負(fù)載進(jìn)行能源回收的方式，減少系統(tǒng)動能，實現(xiàn)制動.

使能條件為：Treq<0∩SOC

(21)

轉(zhuǎn)矩分配策略為：

(22)

式中，Tu為機械制動轉(zhuǎn)矩，單位為N·m.

3 結(jié)語

本文從需求解析策略和能量分配策略兩部分入手，研究混合動力汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制策略.從駕駛員意圖、電池充電轉(zhuǎn)矩角度分析了整車能量的需求策略，并對不同工作模式下各系統(tǒng)的能量分配策略進(jìn)行解析，為混合動力汽車后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ).

(課題負(fù)責(zé)人：梁建偉.課題組成員：王靜、劉培躍、蘇海峰、楊占超)

[1] 李國斐，林逸，何洪文．ISG混合動力電動汽車控制策略仿真研究[J]．計算機仿真，2009，26(8):253-257.

[2] 張亞明，孫逢春，楊良會．混合動力汽車電子節(jié)氣門控制研究[J]．北京理工大學(xué)學(xué)報，2009， 29(10)：881-885.

[3] 莊杰，杜愛民，許科．ISG型混合動力汽車發(fā)動機起動過程分析[J]．汽車工程，2008，30(4)：305-308.

責(zé)任編輯：金 欣

The stability of the control strategy of hybrid vehicle torque

PROJECT Team

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

This paper studies the torque of hybrid vehicle in relation to control strategy from two aspects of demand and energy allocation. In the demand analysis strategy, direct torque type can provide the torque demand with diesel engine electronic control system by the torque analysis.In energy allocation strategy, different work modes and energy distributions are formed with different vehicles demands and component states.

hybrid vehicle; steady state; torque; demand analysis strategy; energy allocation strategy

2017-03-16

2016年度河北省科技計劃項目(16210807)

蘇海峰(1971-)，男，河北石家莊人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，博士.

1009-4873(2017)02-0035-04

U469.7

A