歐鵬飛，馮乾隆，張洋森

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

同軸并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)將電機(jī)軸作為傳動(dòng)軸的一部分，既可以施加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，又可以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)[1-3]。由于混合動(dòng)力客車(chē)控制策略難以設(shè)計(jì)，同時(shí)控制策略參數(shù)的優(yōu)化往往需要大量的實(shí)車(chē)試驗(yàn)來(lái)完成，給車(chē)輛的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的成本。設(shè)計(jì)與實(shí)車(chē)運(yùn)行狀況相符的動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制策略的驗(yàn)證以及動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化的功能，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，縮減設(shè)計(jì)周期，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有一定的意義。

本文基于邏輯門(mén)控制提出了一種應(yīng)用于同軸并聯(lián)式混合動(dòng)力客車(chē)的控制策略，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制策略的有效性。

1 同軸并聯(lián)式HEV控制策略

同軸并聯(lián)式 HEV控制策略在驅(qū)動(dòng)情況下，低速時(shí)以純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，速度達(dá)到邏輯門(mén)限值 20km/h后發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，電機(jī)輔助提供剩余轉(zhuǎn)矩或者吸收發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的多余轉(zhuǎn)矩給電池充電，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作區(qū)間，同時(shí)發(fā)揮電動(dòng)機(jī)低速高扭的特性。同軸并聯(lián)式 HEV 控制策略：根據(jù)加速踏板信號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前車(chē)輛工作在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)還是制動(dòng)減速狀態(tài)，將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)分配給發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及機(jī)械制動(dòng)，各動(dòng)力部件的輸出轉(zhuǎn)矩改變車(chē)輛狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 控制策略流程圖

1.1 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

根據(jù)車(chē)輛狀態(tài)、電池狀態(tài)以及整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩的不同，可將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分配規(guī)則分成以下六種情況討論：

（1）若V＜20km/h且SOC＞40%，為純電動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩T*ICE=0，電動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩等于車(chē)輛行駛的需求轉(zhuǎn)矩即T*m=Tref。

（2）若V＜20km/h且電池需要充電，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該介入工作，由于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低效率區(qū)間，動(dòng)力系統(tǒng)工作在發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩T*ICE=Tref，電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩T*m=0。

（3）若V＞20km/h，Tref＜TICE_max，且SOC＞40%，為發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足車(chē)輛行駛需求，不需電動(dòng)機(jī)輔助，發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩T*ICE=Tref，電動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩T*m=0。

（4）若V＞20km/h，Tref＜Tice_max且電池需要充電，此時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)工作在輕載發(fā)電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩等于車(chē)輛需求轉(zhuǎn)矩加電池充電轉(zhuǎn)矩即T*ICE=Tref+Tbatt，電動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減車(chē)輛需求轉(zhuǎn)矩即T*m=Tref-TICE，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，T*m為電機(jī)充電轉(zhuǎn)矩。

（5）若V＞20km/h，T*ICE_max＞Tref且SOC＞40% ，此時(shí)為聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩即T*ICE=T*ICE_max，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，T*m為電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩。

（6）若V＞20km/h，T*ICE_max＞Tref，電池需充電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩T*m=0。

1.2 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中有再生制動(dòng)，復(fù)合制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)3種制動(dòng)工作模式。如果電池SOC較高(一般＞80%)或車(chē)速低于一定值（5km/h）或者緊急制動(dòng)時(shí)，總制動(dòng)力矩全部由機(jī)械制動(dòng)力矩提供。如果滿(mǎn)足條件SOC＜80%、車(chē)度高于以及制動(dòng)強(qiáng)度低于0.7，則以再生制動(dòng)為優(yōu)先制動(dòng)[8]。若電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩Tm_max＞Tbrake_ref，則電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)，否則采用復(fù)合制動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)最大能量回收，讓電動(dòng)機(jī)工作在當(dāng)前轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，有T*m=Tm_max，T*mech=Tbrake_ref-Tm。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 仿真結(jié)果

仿真初始條件為：電池SOC為40.29%，車(chē)速為零，加速踏板信號(hào)設(shè)置如圖2所示。

圖2 加速踏板信號(hào)

圖3 車(chē)速

圖4 電池SOC

圖5 離合器

以下仿真實(shí)現(xiàn)了同軸并聯(lián)式HEV動(dòng)力系統(tǒng)純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式、輕載發(fā)電模式和再生制動(dòng)五種運(yùn)行模式，以及部分制動(dòng)行駛工作模式，接下來(lái)按照模型運(yùn)行的時(shí)間順序?qū)Σ煌ぷ髂Ｊ较碌募铀偬ぐ逍盘?hào)、電池SOC狀態(tài)、車(chē)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分配情況進(jìn)行分析。

（1）從0到6.9s，系統(tǒng)處于純電動(dòng)工作模式。車(chē)速?gòu)牧汩_(kāi)始加速，電池SOC從40.29%逐漸降低，車(chē)輛處于電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)不提供轉(zhuǎn)矩，此時(shí)有TM=Tref，TICE=0。

（2）從6.9s到10s，系統(tǒng)處于發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。車(chē)速達(dá)到 20km/h后繼續(xù)加速，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供車(chē)輛行駛所需的全部轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)停止工作，僅發(fā)動(dòng)機(jī)工作，此時(shí)TICE=Tref，TM=0 。

圖6 電動(dòng)機(jī)波形圖

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)波形圖

（3）從10s到11s，系統(tǒng)處于聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式。車(chē)速繼續(xù)上升，電池SOC再次開(kāi)始下降直到11s達(dá)到40%，此時(shí)車(chē)輛行駛需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，TICE=TICE_max，TM=Tref-TICE。

（4）從11到 12s，系統(tǒng)處于發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。車(chē)速繼續(xù)上升但加速度小于10s-11s時(shí)，此時(shí)SOC下降到40%并停止供電，電動(dòng)機(jī)不再工作，TICE=Tref，TM=0。

（5）從12s到14s，系統(tǒng)處于輕載發(fā)電模式。車(chē)速繼續(xù)升高，電池SOC也開(kāi)始升高。車(chē)輛行駛需求的轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)能提供的最大轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)一部分轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，另外提供一部分轉(zhuǎn)矩給電動(dòng)機(jī)從而給電池充電，TICE=Tref+Tbatt，TM=TICE-Tref。

（6）從14s到16s，系統(tǒng)處于制動(dòng)模式。加速踏板信號(hào)降低到-50%，車(chē)速開(kāi)始下降，電池 SOC上升，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。此時(shí)處于復(fù)合制動(dòng)狀態(tài)，車(chē)輛的動(dòng)能一部分通過(guò)電動(dòng)機(jī)被轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中，另一部分通過(guò)摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。在16s時(shí)車(chē)速降低到5Km/h，制動(dòng)模型從復(fù)合制動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械制動(dòng)模式。

以上仿真實(shí)現(xiàn)了所預(yù)期的工作模式，各工作模式下轉(zhuǎn)矩的分配以及車(chē)速和電池SOC的變化符合轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，仿真結(jié)果證明了所建模型的正確性以及控制策略的有效性。

3 結(jié)論

本文以同軸并聯(lián)式混合動(dòng)力客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于邏輯門(mén)轉(zhuǎn)矩分配的控制策略，詳細(xì)分析了動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，并且仿真實(shí)現(xiàn)了所預(yù)期的工作模式，各工作模式下轉(zhuǎn)矩的分配以及車(chē)速和電池SOC的變化符合轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] De Leon N P. Design and simulation of a fast-charging station for plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) batteries[J]. 2011.

[2] Bayram I S, Michailidis G, Devetsikiotis M, et al. Smart Vehicles in the Smart Grid: Challenges, Trends, and Application to the Design of Charging Stations[J]. 2012, 3:133-145.

[3] Syed F U, Kuang M L, Czubay J, et al. Derivation and Experimental Validation of a Power-Split Hybrid Electric Vehicle Model[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2006, 55(6):1731-1747.

[4] Reid C, Blekhman D, Banales G, et al. Design and Development Process of a Parallel-Through-The-Road Plug-In Hybrid Electric Vehicle[J]. 2012.