姜 煒，朱建偉，馮迎霞，李殿凱，王賢海，孔祥創(chuàng)

（上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438）

0 引言

混合動力汽車兼具傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的優(yōu)勢，既無純電動汽車面臨的“里程焦慮”，又相比傳統(tǒng)汽車有著較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，所以混合動力汽車一直被廣泛關(guān)注，市場前景廣闊。目前市場上的混合動力汽車主要有油電混合動力汽車和氣電混合動力汽車兩類，乘用車市場上以油電混合動力汽車居多，商用車市場上則是以氣電混合動力汽車為主。在混合動力系統(tǒng)構(gòu)型及其相關(guān)動力部件參數(shù)確定之后，整車控制策略決定著混合動力汽車的經(jīng)濟(jì)性，同時還影響著汽車的行駛平順性。

目前，實(shí)車上的整車控制策略大多是基于規(guī)則的控制策略，其核心是依據(jù)工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和零部件的穩(wěn)態(tài)效率曲線等因素制定一系列規(guī)則，從而確定發(fā)動機(jī)和電機(jī)之間的動力分配［1－2］。整車控制策略具有可靠及易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于實(shí)車控制當(dāng)中。

混合動力汽車具有多種動力工作模式，這就涉及到不同模式之間的相互切換。在模式切換過程中，若控制不當(dāng)，則很有可能造成傳動系統(tǒng)傳遞的扭矩突變，影響車輛的平順性［3－4］。文獻(xiàn)［5］分發(fā)動機(jī)啟動、調(diào)速和動力接入三個過程進(jìn)行扭矩協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［6］針對純電動驅(qū)動模式切換至發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式的過程，利用模糊PID算法進(jìn)行離合器控制和扭矩協(xié)調(diào)控制，可有效提高模式切換過程的平順性。

本文以某并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，詳細(xì)分析其構(gòu)型特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，基于車輛經(jīng)濟(jì)性和平順性等考慮，分怠速充電控制、發(fā)動機(jī)啟動控制、離合器轉(zhuǎn)速同步控制、動力模式控制和能量回收控制五個方面完成穩(wěn)態(tài)模式控制和瞬態(tài)模式控制。最后，針對所提整車控制策略進(jìn)行實(shí)車測試，以驗(yàn)證其控制效果。

1 動力系統(tǒng)構(gòu)型

圖1描述了研究對象的混合動力系統(tǒng)構(gòu)型。

圖1 混合動力系統(tǒng)構(gòu)型

該混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、電機(jī)、混合動力變速器、兩檔變速器和離合器等部件構(gòu)成，其中，混合動力變速器是在傳統(tǒng)5檔變速器的基礎(chǔ)上增加充電檔（Charge檔，簡稱C檔）得到的，兩檔變速器分H檔（High檔，高檔）和L檔（Low檔，低檔）。通過控制發(fā)動機(jī)、電機(jī)、混合動力變速器檔位以及離合器的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動模式、怠速充電模式、混合驅(qū)動模式等多種動力系統(tǒng)工作模式。

該混合動力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上兼容P2和P3兩種并聯(lián)結(jié)構(gòu)［7］，使得能量流動的控制和能量消耗的優(yōu)化有了更大的靈活性和可能性。能量流的控制需要各動力系統(tǒng)工作模式之間相互協(xié)調(diào)，涉及動力系統(tǒng)模式控制，包括穩(wěn)態(tài)模式控制和瞬態(tài)模式控制。一個合理有效的整車控制策略既應(yīng)能保證車輛的動力性及經(jīng)濟(jì)性，又應(yīng)滿足駕駛平順性要求。

2 整車控制策略設(shè)計(jì)

依據(jù)車輛不同的控制狀態(tài)，整車控制策略主要分為怠速充電控制、發(fā)動機(jī)啟動控制、離合器轉(zhuǎn)速同步控制、動力模式控制和能量回收控制五個方面。另外，根據(jù)駕駛員的選擇，車輛有三種不同的駕駛模式，分別為Eco模式（經(jīng)濟(jì)模式）、Normal模式（正常模式）和Sport模式（運(yùn)動模式）。

2.1 怠速充電控制

整車控制器上電或被喚醒之后，將進(jìn)行故障檢測，檢測無故障發(fā)生后，車輛進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。接著進(jìn)行相關(guān)操作，車輛將進(jìn)入高壓準(zhǔn)備狀態(tài)，此時整車高壓上電工作完成。SOC（State of charge，表征電池電量）較低時，發(fā)動機(jī)啟動并輸出一定數(shù)值的扭矩，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，整車進(jìn)入怠速充電模式。在該模式下，控制混合動力變速器掛入C檔，兩檔變速器掛入空檔，離合器閉合。值得注意的是，怠速充電分為P／N（駐車／空檔）檔怠速充電和D（前進(jìn)）檔怠速充電兩種情況。出于安全考慮，駕駛員踩下制動踏板達(dá)到一定開度后，才能進(jìn)入D檔怠速充電模式。怠速充電功率可通過電池SOC查表求得，且查表值依據(jù)不同駕駛模式進(jìn)行區(qū)別設(shè)置；發(fā)動機(jī)以一定的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速按照設(shè)定的充電功率輸出動力，帶動電機(jī)發(fā)電并存儲到電池中。

2.2 發(fā)動機(jī)啟動控制

對發(fā)動機(jī)啟動過程的控制稱為發(fā)動機(jī)啟動控制，發(fā)動機(jī)啟動分為兩種情況，一是原地啟動發(fā)動機(jī)，二是行車啟動發(fā)動機(jī)。

原地啟動發(fā)動機(jī)是指車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動發(fā)動機(jī)，進(jìn)入該模式后，控制混合動力變速器掛入C檔，離合器閉合，并請求電機(jī)輸出合適扭矩啟動發(fā)動機(jī)。電機(jī)接到扭矩請求信號后，輸出扭矩快速拖拽發(fā)動機(jī)至啟動轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動。

在純電行駛過程中，當(dāng)需求扭矩超過設(shè)定限值時，會觸發(fā)發(fā)動機(jī)啟動請求，進(jìn)入行車啟動發(fā)動機(jī)模式。進(jìn)入該模式后，控制混合動力變速器進(jìn)入合適檔位，兩檔變速器保持原狀態(tài)，控制離合器緩慢閉合，利用滑摩扭矩啟動發(fā)動機(jī)，此啟動方式稱為slip start（滑摩啟動）。為了減少啟動過程中發(fā)動機(jī)扭矩給傳動鏈帶來的沖擊，需要注意控制發(fā)動機(jī)噴油時刻。行車啟動發(fā)動機(jī)過程中，如果車速較高，車輛自身的慣性會拖動發(fā)動機(jī)啟動，反之，電動機(jī)需要進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，通過加速踏板開度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。

2.3 離合器轉(zhuǎn)速同步控制

車輛行駛過程中，從離合器分離到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速同步后離合器鎖死的過程定義為離合器轉(zhuǎn)速同步控制。離合器轉(zhuǎn)速同步控制分為兩種情況：①發(fā)動機(jī)處于啟動狀態(tài)，車輛由靜止?fàn)顟B(tài)開始起步，混合動力變速器掛入一檔，兩檔變速器掛入L檔，離合器處于分離狀態(tài)，直至車速上升至接近1檔穩(wěn)定車速時，開始控制離合器滑摩直至轉(zhuǎn)速同步閉合，完成離合器轉(zhuǎn)速同步控制；②車輛行進(jìn)過程中，通過slip start方式啟動發(fā)動機(jī)后，也會進(jìn)入離合器轉(zhuǎn)速同步控制，在這種情況下，混合動力變速器保持在合適檔位，兩檔變速器保持原有檔位，控制發(fā)動機(jī)扭矩使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速盡快達(dá)到同步點(diǎn)，同時控制離合器閉合扭矩，以免發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生突變，最終離合器同步閉合，完成離合器轉(zhuǎn)速同步控制過程。

2.4 動力模式控制

（1）純電動模式。當(dāng)電量較高、車速較低或駕駛員需求扭矩較低時，車輛將工作在純電動模式，這樣不僅有利于降低能耗，還可減少排放。在純電行駛過程中，基于電機(jī)需求扭矩與駕駛模式獲得兩檔變速器的升檔車速和降檔車速。實(shí)際車速到達(dá)對應(yīng)車速時，進(jìn)行相應(yīng)的升檔或降檔操作。

（2）Creep模式。駕駛員不需要操作加速踏板和制動踏板，車輛便以較低的穩(wěn)定車速行駛，此模式稱為Creep模式（蠕行模式）。Creep模式可細(xì)分為發(fā)動機(jī)Creep模式和電機(jī)Creep模式兩種，通過PI控制方式進(jìn)行Creep扭矩計(jì)算，即根據(jù)制動踏板開度查表得到Creep的目標(biāo)車速，根據(jù)目標(biāo)車速和實(shí)際車速的差值進(jìn)行查表得到PI控制的P項(xiàng)扭矩系數(shù)和I項(xiàng)扭矩系數(shù)，計(jì)算方法如公式（1）所示：

其中：TC為車輛蠕行時的需求扭矩；TP為比例項(xiàng)扭矩；TI（t）為t時刻積分項(xiàng)扭矩；P為比例項(xiàng)扭矩系數(shù)；Δv為目標(biāo)車速與實(shí)際車速的差值；I為積分項(xiàng)扭矩系數(shù)；λ為計(jì)算步長；TI（t－1）為t－1時刻積分項(xiàng)扭矩。

（3）發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式。當(dāng)車速較高時，發(fā)動機(jī)配合變速箱驅(qū)動車輛，將獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。在該模式下，與傳統(tǒng)車輛的控制方式無異。

（4）聯(lián)合驅(qū)動模式。當(dāng)車輛處于爬坡或急加速等大功率需求工況時，在電池放電功率允許的范圍內(nèi)，電機(jī)會輸出扭矩，協(xié)助發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛。

（5）行車充電模式。發(fā)動機(jī)輸出的扭矩一部分通過混合動力變速器驅(qū)動車輛行駛，另一部分通過兩檔變速器帶動電機(jī)發(fā)電。此時，發(fā)動機(jī)輸出扭矩Te為：

其中：Treq為需求扭矩；Tch為折算到發(fā)動機(jī)端的發(fā)電扭矩。

2.5 能量回收控制

根據(jù)制動踏板開度的大小，制動控制可分為滑行制動控制和剎車制動控制。

（1）滑行制動控制。從節(jié)約能量和保持駕駛感覺的角度出發(fā)，本文提出滑行制動控制模式。駕駛員個體的差異會導(dǎo)致對同一滑行制動強(qiáng)度的感受程度不同，因此滑行制動能量回收等級設(shè)為高、中、低三個等級，駕駛員可以依據(jù)自己的駕駛習(xí)慣和駕駛感覺，設(shè)置滑行制動能量回收等級。值得注意的是，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，ACC）開啟的時候，不進(jìn)行制動能量回收。

（2）剎車制動控制。駕駛員踩下制動踏板時，利用電機(jī)對制動能量進(jìn)行回收，原本部分以熱能方式消耗掉的能量被轉(zhuǎn)化為電能，待車輛后續(xù)使用［8］。研究對象裝備的制動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)再生制動力與機(jī)械制動力解耦，這將很大程度地提高能量回收率。另外，車輛裝備了電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP），剎車制動時如果ESP系統(tǒng)介入，那么再生制動目標(biāo)扭矩根據(jù)ESP目標(biāo)制動扭矩計(jì)算得到。否則，根據(jù)車速、電池充電能力、制動踏板開度等因素，計(jì)算再生制動扭矩。再生扭矩計(jì)算流程見圖2。

圖2 再生扭矩計(jì)算流程

3 實(shí)車測試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的可行性和有效性，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，主要考察怠速充電、Creep模式和離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式等典型工作模式，試驗(yàn)樣車如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)車輛

3.1 試驗(yàn)步驟

（1）在MATLAB／Simulink環(huán)境中搭建整車控制策略 模型，并 通 過 MATLAB 的 RTW（Real-time Workshop，實(shí)時工作間）自動生成應(yīng)用層代碼。

（2）使用專業(yè)工具將應(yīng)用層代碼與底層代碼集成起來，生成a2l文件和hex文件，a2l文件描述了控制器內(nèi)部變量存儲地址等信息用于標(biāo)定和測量，hex文件則是程序編譯后的可執(zhí)行文件。

（3）使用INCA軟件進(jìn)行程序刷寫，與INCA配套使用的測試設(shè)備如圖4所示，將其與車輛的OBD（On board diagnostics，車載診斷系統(tǒng)）接口連接，即可進(jìn)行程序刷寫。

（4）在INCA軟件中選擇需要測量的變量，進(jìn)行相關(guān)操作，即可開始監(jiān)測和存儲。

圖4 測試設(shè)備

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 怠速充電模式

怠速充電模式的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，混合動力變速器掛入C檔，離合器閉合，電機(jī)輸出正扭矩拖動發(fā)動機(jī)至啟動轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動。隨后車輛進(jìn)入怠速充電模式，發(fā)動機(jī)以恒定目標(biāo)轉(zhuǎn)速（約1 100r／min）輸出扭矩，電機(jī)則以負(fù)的恒扭矩（約－30Nm）發(fā)電。從測試結(jié)果來看，怠速充電模式的控制效果符合預(yù)期要求。

圖5 怠速充電模式試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 Creep模式

電機(jī)Creep模式的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。車輛以6.5km／h左右的車速穩(wěn)定行駛，控制效果良好，符合預(yù)期要求。

圖6 電機(jī)Creep模式試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式

圖7為離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式的試驗(yàn)結(jié)果。圖7中，離合器狀態(tài)取值為1時表示分離狀態(tài)；取3時表示滑摩狀態(tài)；取4時表示閉合狀態(tài)。在離合器閉合期間，車速無明顯波動，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化平緩，控制效果良好，滿足期望要求。

圖7 離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式試驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

本文詳細(xì)分析了某并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)構(gòu)型特點(diǎn)，著重考慮車輛行駛平順性，制定了整車控制策略，包括穩(wěn)態(tài)工作模式控制和瞬態(tài)工作模式控制，主要分為怠速充電控制、發(fā)動機(jī)啟動控制、離合器轉(zhuǎn)速同步控制、動力模式控制和能量回收控制五個方面。最后，針對一些典型工作模式如怠速充電模式、Creep模式和離合器轉(zhuǎn)速同步控制模式進(jìn)行了實(shí)車測試。測試結(jié)果表明，控制效果良好，滿足預(yù)期要求。