宋大鳳 高福旺 曾小華 陳慧勇, 王印束

（1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；2.鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州 450061）

主題詞：并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē) 皮帶傳動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī) 調(diào)速控制 穩(wěn)定發(fā)電 控制策略

1 前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，發(fā)展新能源汽車(chē)成為各國(guó)政府和企業(yè)的重點(diǎn)方向[1-3]?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)因其具有節(jié)能潛力大、對(duì)電池要求低等優(yōu)勢(shì)成為過(guò)渡時(shí)期的最佳選擇[4]。其中，并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV）避免了串聯(lián)構(gòu)型能量二次轉(zhuǎn)換、綜合效率較低的缺陷，且相比混聯(lián)式構(gòu)型結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，易于控制。

混合動(dòng)力汽車(chē)由于多動(dòng)力源的存在，可以發(fā)揮出更佳的動(dòng)力性，在車(chē)輛起步階段合理協(xié)調(diào)各動(dòng)力源可以縮短車(chē)輛起步時(shí)間，提高車(chē)輛加速品質(zhì)；同時(shí)，在行駛過(guò)程中回收制動(dòng)能量可以保證電池SOC平衡，提高整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性，這都需要合理的控制策略來(lái)協(xié)調(diào)各動(dòng)力源。

國(guó)內(nèi)針對(duì)BSG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電開(kāi)展了很多研究：合肥工業(yè)大學(xué)的徐立強(qiáng)[5]等人建立了BSG驅(qū)動(dòng)仿真模型，并開(kāi)展了起動(dòng)助力、加速助力和能量回收等試驗(yàn)；葉先君[6]等人對(duì)比了有無(wú)BSG參與下車(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性；鄒小松[7]等人根據(jù)NEDC工況，利用ECU采集數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)BSG起動(dòng)、發(fā)電控制策略。

國(guó)內(nèi)針對(duì)BSG的研究著眼于部件的實(shí)車(chē)測(cè)試和基于理論工況的BSG控制研究，而沒(méi)有系統(tǒng)地提出適用于全工況的BSG控制算法。為解決該問(wèn)題，本文在某配備起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（Integrated Starter and Generator，ISG）的P2構(gòu)型并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)上增加BSG，并基于BSG的功能和性能要求，開(kāi)展了電機(jī)及皮帶輪的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)建立了兩段式起動(dòng)調(diào)速控制策略和穩(wěn)態(tài)發(fā)電控制策略，以期提高整車(chē)動(dòng)力性能，并搭建試驗(yàn)樣車(chē)開(kāi)展了道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 動(dòng)力系統(tǒng)

2.1 車(chē)輛構(gòu)型

本文在某P2+CVT構(gòu)型的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)基礎(chǔ)上提出增加BSG實(shí)現(xiàn)P0+P2構(gòu)型的方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示，以實(shí)現(xiàn)快速起停和低速發(fā)電功能。原并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

表1 整車(chē)參數(shù)

在該構(gòu)型中，BSG的主要功能是起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)輔助調(diào)速和小功率發(fā)電。BSG通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端相連，與發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)BSG起停條件使能時(shí)，電機(jī)快速響應(yīng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)快速提速，加快起動(dòng)調(diào)速過(guò)程，快速完成同步，使離合器更快接合，從而提高車(chē)輛動(dòng)力性；當(dāng)BSG發(fā)電條件使能時(shí)，通過(guò)BSG與發(fā)動(dòng)機(jī)間的目標(biāo)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩配合控制，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能經(jīng)皮帶傳遞至BSG，電機(jī)工作在發(fā)電模式為電池充電或?yàn)镮SG供電，可輔助維持電池SOC穩(wěn)定，增加純電行駛里程，提高整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

2.2 BSG及皮帶輪參數(shù)匹配

為實(shí)現(xiàn)BSG的選型，需要匹配計(jì)算獲得電機(jī)峰值功率、額定功率、最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)，同時(shí)需要計(jì)算皮帶輪速比。皮帶輪速比主要對(duì)BSG起到減速增扭的作用，并不改變系統(tǒng)功率等級(jí)[8]，故匹配計(jì)算時(shí)可先將BSG與帶輪視為整體，即暫時(shí)按速比為1進(jìn)行電機(jī)參數(shù)匹配，待計(jì)算完成后再根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩選取合適的帶輪速比。

結(jié)合功能需求確定BSG參數(shù)匹配計(jì)算的原則為：起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)BSG工作于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，以減小其轉(zhuǎn)矩能力要求；BSG基速點(diǎn)不小于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；BSG最高轉(zhuǎn)速不小于發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速；BSG峰值功率滿(mǎn)足起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求。

根據(jù)以上匹配計(jì)算原則，BSG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：

式中，Tm_bsg為BSG峰值轉(zhuǎn)矩；Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Tef為BSG拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的阻力矩。

為提高并聯(lián)系統(tǒng)起動(dòng)速度，設(shè)定BSG在0.3 s內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)提速至1 200 r/min，按照恒角加速度計(jì)算得到的需求轉(zhuǎn)矩為61 N·m，即BSG的峰值扭矩不低于61 N·m。

在將帶輪傳動(dòng)速比與BSG統(tǒng)一考慮的前提下，BSG轉(zhuǎn)速應(yīng)滿(mǎn)足：最高轉(zhuǎn)速不低于發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速；額定轉(zhuǎn)速不小于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速；根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電需求，BSG的高效區(qū)應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)相匹配，以提高發(fā)電效率；最高轉(zhuǎn)速與基速的比值不能過(guò)大，一般在2～4范圍內(nèi)，即當(dāng)電機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速時(shí)，BSG額定轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于1 500 r/min。

依據(jù)上述限定條件，暫定BSG的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，結(jié)合峰值扭矩要求，計(jì)算可得BSG的峰值需求功率為13 kW。

上述匹配過(guò)程將帶輪速比考慮在電機(jī)內(nèi)部，而實(shí)際情況下帶輪速比會(huì)導(dǎo)致BSG的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)移動(dòng)[9]，如圖2所示。隨著帶輪速比逐漸增大，BSG轉(zhuǎn)矩需求減小，但其最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速需求均有所提高。

圖2 帶輪速比對(duì)BSG轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的影響

結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)上已有產(chǎn)品，選擇的帶輪速比為1.5。BSG的參數(shù)匹配結(jié)果如表2所示。

表2 BSG參數(shù)初定

3 行駛模式

混合動(dòng)力汽車(chē)是融合了機(jī)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)于一體的復(fù)雜非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，需實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)控制，并優(yōu)化能量傳遞路徑、提高系統(tǒng)效率。

本文所研究的并聯(lián)混合動(dòng)力SUV可實(shí)現(xiàn)12種主要行駛模式，如表3所示。

表3 各模式的動(dòng)力系統(tǒng)主要部件穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)

在模式切換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，需參考前一模式的部件狀態(tài)進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程協(xié)調(diào)控制。例如，在聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式突然松開(kāi)油門(mén)踏板，車(chē)輛將立即進(jìn)入滑行制動(dòng)模式。此時(shí)應(yīng)首先控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷使其迅速減小，待轉(zhuǎn)矩清空后斷開(kāi)離合器，并適時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以保證縱向沖擊較小。同理，在BSG發(fā)電過(guò)程中若車(chē)輛進(jìn)入其他無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)參與的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)模式，BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仍需繼續(xù)維持穩(wěn)定發(fā)電，以確保電池SOC穩(wěn)定在合理范圍。

由此，基于Simulink/Stateflow平臺(tái)搭建車(chē)輛行駛模式仲裁控制算法，定義各行駛模式之間的切換路徑和條件。

4 起動(dòng)及發(fā)電狀態(tài)控制

在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)基礎(chǔ)上增加BSG后，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、輔助調(diào)速及小功率發(fā)電、維持低速純電動(dòng)行駛等功能。因此需要建立BSG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制策略以及穩(wěn)定發(fā)電控制策略。

4.1 起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制策略

當(dāng)行駛車(chē)速較高、駕駛員需求轉(zhuǎn)矩較大或電池SOC較低時(shí)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作，以維持電量平衡。由于BSG相比傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)功率更大，可受控調(diào)速，所以可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速，使離合器主、從動(dòng)盤(pán)快速完成同步，確保發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力盡快輸出，進(jìn)而改善車(chē)輛動(dòng)力性。

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不同，BSG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制主要可劃分為提速和調(diào)速兩個(gè)控制階段：發(fā)動(dòng)機(jī)靜止至點(diǎn)火成功為轉(zhuǎn)速控制階段，其控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速約為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的怠速轉(zhuǎn)速；發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功、可自行維持怠速至提速到穩(wěn)態(tài)發(fā)電或離合器接合的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)矩控制階段，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩通過(guò)轉(zhuǎn)速誤差的PID控制計(jì)算獲得，此階段發(fā)動(dòng)機(jī)處于轉(zhuǎn)速控制模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為設(shè)定的穩(wěn)態(tài)發(fā)電轉(zhuǎn)速或ISG實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速。

由此，BSG可迅速響應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速需求，確保車(chē)輛快速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)或離合器主、從動(dòng)盤(pán)快速完成同步，從而完成起動(dòng)控制任務(wù)。

4.2 穩(wěn)定發(fā)電控制策略

當(dāng)駕駛員在停車(chē)狀態(tài)下需要較長(zhǎng)時(shí)間使用電器或?yàn)殡姵爻潆姇r(shí)，混合動(dòng)力控制單元（Hybrid Control Unit，HCU）可控制車(chē)輛工作在停車(chē)充電模式，其間發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能可經(jīng)皮帶傳遞至BSG后轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)，當(dāng)車(chē)輛在其他無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)的工作模式下行駛時(shí)，可通過(guò)斷開(kāi)離合器來(lái)繼續(xù)維持BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)電功能，以便實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低速串聯(lián)純電動(dòng)行駛或確保電池SOC穩(wěn)定。

由此需要在BSG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，控制發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定輸出動(dòng)力，同時(shí)控制BSG工作在發(fā)電狀態(tài)。而當(dāng)車(chē)輛由于駕駛員的不同操作在停車(chē)充電、恒速蠕行、純電動(dòng)、滑行制動(dòng)、再生制動(dòng)等行駛模式間切換時(shí)，進(jìn)入新的行駛模式后判斷前一時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)是否處于起動(dòng)狀態(tài)、電池SOC是否低于其最小閾值（30%），滿(mǎn)足相應(yīng)條件則繼續(xù)維持BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)電功能，直至電池SOC達(dá)到設(shè)計(jì)充電閾值（85%）或駕駛員的動(dòng)力需求較大、發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始參與驅(qū)動(dòng)為止。

由此，BSG即可快速進(jìn)入發(fā)電控制狀態(tài)，且在行駛模式不斷切換過(guò)程中，仍能繼續(xù)維持穩(wěn)定發(fā)電功能，提高了系統(tǒng)魯棒性。

4.3 整車(chē)控制策略

基于以上分析，建立了整車(chē)控制策略的Simulink控制算法模型，策略整體架構(gòu)主要包括信號(hào)輸入、信號(hào)處理、能量管理（主函數(shù)）和信號(hào)輸出模塊。其中，能量管理主函數(shù)模塊為實(shí)現(xiàn)車(chē)輛狀態(tài)識(shí)別、動(dòng)力及傳動(dòng)部件控制的主要部分，其又可細(xì)分為駕駛員需求解析、故障診斷、系統(tǒng)約束、上下電邏輯、模式仲裁、轉(zhuǎn)矩分配、附件控制7個(gè)主要部分，其中系統(tǒng)約束子模塊依據(jù)車(chē)輛部件的工作狀態(tài)及故障診斷結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力輸出進(jìn)行一定比例的降額功率限制或關(guān)閉處理，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，確保車(chē)輛安全運(yùn)行。

5 實(shí)車(chē)測(cè)試

5.1 試驗(yàn)樣車(chē)搭建

基于某配備ISG的P2構(gòu)型并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)，參考圖1所示的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，改裝獲得試驗(yàn)樣車(chē)，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)樣車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)布置

基于搭建的控制算法，配合CAN通訊接口，通過(guò)自動(dòng)代碼生成工具編譯下載到德國(guó)TTControl公司的TTC200車(chē)載控制器作為HCU，并將其掛載到試驗(yàn)樣車(chē)的整車(chē)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)中，與TCU、MCU、EMS及BMS等子控制器共同組成整車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)對(duì)車(chē)輛行駛模式進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如表4所示。

表4 各模式標(biāo)定結(jié)果

5.2 起動(dòng)調(diào)速控制實(shí)車(chē)測(cè)試

基于搭建的試驗(yàn)樣車(chē)，在急加速工況下進(jìn)行起動(dòng)調(diào)速測(cè)試，各主要部件狀態(tài)結(jié)果如圖4所示。圖4中，離合器狀態(tài)0、1和2分別表示斷開(kāi)、滑磨和接合。

測(cè)試期間，車(chē)輛從模式1經(jīng)模式4加速達(dá)到一定車(chē)速和駕駛員需求轉(zhuǎn)矩后進(jìn)入模式5，BSG在轉(zhuǎn)速控制模式下迅速將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高至起動(dòng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，屬起動(dòng)調(diào)速第一階段；而后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速（ISG實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速），BSG進(jìn)入轉(zhuǎn)矩控制模式進(jìn)行輔助調(diào)速，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速差減小到設(shè)定閾值以下，離合器開(kāi)始滑磨，屬起動(dòng)調(diào)速第二階段；在完成轉(zhuǎn)速同步、離合器接合后整車(chē)進(jìn)入模式8，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始參與驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。

圖4 起動(dòng)調(diào)速控制測(cè)試結(jié)果

由上述測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，起動(dòng)調(diào)速控制響應(yīng)分為明顯的兩個(gè)階段，控制效果良好?；贐SG的快速響應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間較短，且實(shí)車(chē)測(cè)試時(shí)起動(dòng)振動(dòng)和噪聲均較小，有助于改善車(chē)輛的動(dòng)力性。

5.3 穩(wěn)定發(fā)電控制實(shí)車(chē)測(cè)試

當(dāng)SOC未達(dá)到充電閾值上限（85%）開(kāi)始測(cè)試，車(chē)輛可在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)入模式2，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)BSG為蓄電池充電。駕駛員通過(guò)擋位與踏板操作進(jìn)入驅(qū)動(dòng)的相關(guān)行駛模式，則在發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)前，算法將控制BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)維持穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。如5所示為樣車(chē)各主要部件狀態(tài)結(jié)果。

由圖5可知，雖然車(chē)輛行駛模式不斷變化，但BSG工作轉(zhuǎn)矩基本維持在負(fù)值范圍（轉(zhuǎn)矩波動(dòng)由皮帶傳動(dòng)引起），將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能供給車(chē)載電器或?yàn)殡姵爻潆姡溟g電池電流時(shí)有負(fù)值充電狀態(tài)。測(cè)試期間電池SOC稍有降低是由于加速行駛期間CVT油泵、ISG等耗電功率較大所致。

由此可見(jiàn)，在停車(chē)充電模式下機(jī)械能經(jīng)皮帶輪傳遞，蓄電池充電電流約為3 A。當(dāng)車(chē)輛在多個(gè)驅(qū)動(dòng)行駛模式間切換時(shí)，由ISG實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能、BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以維持發(fā)電狀態(tài)，有助于改善車(chē)輛的SOC維持能力。

圖5 穩(wěn)定發(fā)電控制測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于P2+CVT的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)，提出增加BSG實(shí)現(xiàn)P0+P2的混合動(dòng)力構(gòu)型方案，并依據(jù)參數(shù)匹配原則計(jì)算獲得了BSG及皮帶輪主要參數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)構(gòu)型特點(diǎn)定義了車(chē)輛行駛模式，依據(jù)系統(tǒng)功能需求搭建了起動(dòng)調(diào)速控制策略、穩(wěn)定發(fā)電控制策略和整車(chē)控制策略，基于試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行了實(shí)車(chē)測(cè)試，結(jié)果表明配備BSG的測(cè)試樣車(chē)具備快速起動(dòng)調(diào)速功能，且在行駛模式不斷切換的過(guò)程中BSG-發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可維持穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)。