馬 超，楊 坤，金士偉，任立鵬，高 松

(1. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000； 2. 山東魯成慧創(chuàng)汽車科技有限公司，山東 威海 264300)

0 引 言

PHEV(plug-in hybrid electric vehicle)作為新能源汽車的一種，在目前的技術(shù)條件和社會環(huán)境下，是最具有現(xiàn)實(shí)意義的新能源汽車。PHEV具有純電驅(qū)動和發(fā)動機(jī)驅(qū)動里程延長能力，在PHEV的設(shè)計開發(fā)中，如何提升純電狀態(tài)下的行駛里程以及整車的動力與經(jīng)濟(jì)性是開發(fā)的重難點(diǎn)。

一般來說，PHEV的整車動力與經(jīng)濟(jì)性可通過新型構(gòu)型設(shè)計與能量管理策略的開發(fā)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。在PHEV的構(gòu)型設(shè)計方面，現(xiàn)有PHEV多為單軸驅(qū)動(如豐田普銳斯、通用沃藍(lán)達(dá)、本田雅閣等)，且多基于典型混合動力汽車串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)構(gòu)型研發(fā)，整車動力與經(jīng)濟(jì)性有進(jìn)一步提升的潛力[1-3]。

國內(nèi)外已有四輪驅(qū)動構(gòu)型相關(guān)的研究。在四輪驅(qū)動純電動汽車動力學(xué)控制方面，A.NASRI等[4]針對四輪驅(qū)動純電動汽車，介紹了新型的滑?？刂撇呗?；劉平等[5]針對四輪輪邊驅(qū)動電動車，以滑移率作為電子差速評價指標(biāo)，研究了工況條件以及整車結(jié)構(gòu)參數(shù)對電子差速影響，為后續(xù)電子差速控制策略研究提供了參考；Y.GAO等[6]通過開發(fā)2自由度汽車動力學(xué)模型、上層控制策略、扭矩分配策略等，實(shí)現(xiàn)四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動汽車的縱向穩(wěn)定性控制; 胡建軍等[7]針對四輪驅(qū)動汽車建立了整車動力學(xué)模型，提出多種基于扭矩分配模糊PID控制的集成牽引力控制策略。此外，陳黎卿等[8]針對純電動四輪驅(qū)動汽車提出了一種基于遺傳算法和PID控制的軸間扭矩分配控制策略，提升了整車動力性和穩(wěn)定性；帥志斌等[9]針對四輪獨(dú)立電驅(qū)動汽車，以直接橫擺轉(zhuǎn)矩控制為例，分析了車載通信網(wǎng)絡(luò)的非理想狀況對車輛動力學(xué)控制的影響。

在四輪驅(qū)動純電動汽車匹配與能量管理優(yōu)化方面，J.KIM[10]針對四輪驅(qū)動純電動汽車，開發(fā)了以最小能量消耗為目標(biāo)的前后電機(jī)能量優(yōu)化分配算法；A.NASRI等[11]針對四輪輪轂驅(qū)動電動汽車，提出了基于反推控制的新型電機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動效率的提升;B.SUN等[12]針對分布式的四輪驅(qū)動電動汽車，進(jìn)行了基于數(shù)學(xué)方法的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化研究。

在四輪混合動力汽車方面，錢立軍等[13]提出一種模糊扭矩識別的插電式四驅(qū)混合動力汽車控制策略，實(shí)現(xiàn)了14.5%的燃油效率提升；莫愁等[14]提出了前輪發(fā)動機(jī)后輪電動機(jī)驅(qū)動的四驅(qū)混合動力構(gòu)型，并進(jìn)行了匹配設(shè)計及MATLAB和Cruise聯(lián)合仿真分析，驗證了動力性與經(jīng)濟(jì)性；白鴿[15]以四輪驅(qū)動插電式混合動力汽車為研究對象，建立動力學(xué)模型及PID、邏輯門限等多種能量管理優(yōu)化策略，并對其進(jìn)行了仿真驗證；王剛毅[16]針對插電型混聯(lián)式混合動力汽車，進(jìn)行了動力系統(tǒng)匹配設(shè)計及常用控制策略開發(fā)與仿真驗證分析。

通過文獻(xiàn)可知，針對四輪驅(qū)動純電動汽車，相關(guān)研究多集中在匹配控制、能量管理優(yōu)化策略、動力學(xué)控制等方面；針對四輪驅(qū)動混合動力汽車，相關(guān)研究多集中在匹配、邏輯門限控制、模糊控制、發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制、牽引力控制等方面。綜上，雖已有四驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)型與能量管理優(yōu)化方面的研究，但適時四驅(qū)PHEV系統(tǒng)的設(shè)計與控制相關(guān)研究還較少，特別在多動力源的高效動態(tài)協(xié)調(diào)控制方面還有待于深入。因此，筆者提出一種新型適時四驅(qū)PHEV系統(tǒng)，后軸為雙電機(jī)多檔位純電驅(qū)動系統(tǒng)，可針對不同工況選擇不同電機(jī)與檔位，有效克服單電機(jī)固定檔位驅(qū)動效率受限問題[17-20]；前軸為發(fā)動機(jī)驅(qū)動，并使用了啟動發(fā)電一體機(jī)(ISG)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)啟動與行車發(fā)電[21-22]。

筆者研究了目標(biāo)插電式適時四驅(qū)混合動力汽車各駕駛模式下的動力學(xué)特性。由于虛擬開發(fā)平臺提供了發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、電池、變速器、車輛等核心部件庫，支持虛擬駕駛、實(shí)時駕駛以及仿真結(jié)果分析評價。因此，筆者將利用虛擬仿真開發(fā)平臺[23-24]開發(fā)目標(biāo)系統(tǒng)的整車模型，對目標(biāo)系統(tǒng)的整車性能進(jìn)行仿真分析，對多動力源之間動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法進(jìn)行研究。

1 虛擬仿真開發(fā)平臺

PHEV的構(gòu)型、核心參數(shù)和控制算法與整車性能有直接聯(lián)系，在PHEV開發(fā)階段，需要研究上述因素對性能的影響。整車性能的仿真與評價需要將相關(guān)參數(shù)與算法應(yīng)用到目標(biāo)車輛模型中，已有研究團(tuán)隊基于此開發(fā)了虛擬仿真開發(fā)平臺[24]。

1.1 虛擬仿真開發(fā)平臺介紹

虛擬仿真開發(fā)平臺包括3部分：① 基于MATLAB/Simulink的包含核心部件模型庫的新能源汽車整車模型；② 虛擬駕駛環(huán)境：基于Multigen creator與vegaprime反映道路、天氣、交通和信號燈系統(tǒng)的虛擬駕駛畫面；③ 實(shí)時駕駛設(shè)備：搭載整車模型的整車模擬器及虛擬駕駛環(huán)境。在平臺中，需方便的修改核心設(shè)計參數(shù)，如整車構(gòu)型、核心部件參數(shù)、控制策略等，并通過離線仿真或?qū)崟r虛擬駕駛對整車的動力、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價[23]。

平臺提供的核心部件模型如圖1，可針對目標(biāo)車輛構(gòu)型構(gòu)建整車模型，并搭載到模擬器中進(jìn)行性能模擬[24]。利用離線仿真功能，可模擬多種行駛工況下的整車動力、經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)時虛擬駕駛環(huán)境下，允許真實(shí)的駕駛員利用實(shí)時駕駛設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時模擬駕駛，并實(shí)時的觀測整車性能數(shù)據(jù)[24]，如圖2，從而進(jìn)行新能源汽車構(gòu)型影響、整車性能、核心部件性能及駕駛員相關(guān)的各種研究。

1.2 核心部件及整車模型試驗驗證

離線仿真時，虛擬仿真開發(fā)平臺構(gòu)建的核心部件及整車模型的有效性，決定了目標(biāo)車型整車動力性與經(jīng)濟(jì)性的準(zhǔn)確度。若想利用此虛擬仿真開發(fā)平臺對新能源汽車及其核心部件性能進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的仿真分析，需要對核心部件及整車模型進(jìn)行試驗對比分析與驗證。

筆者首先利用平臺提供的核心部件庫搭建了典型的插電式通用沃蘭達(dá)整車模型，包含整車動力學(xué)模型的搭建及整車能量管理控制策略模型。為了驗證有效性，針對目標(biāo)車型進(jìn)行了基于OBD (on-board diagnostics)設(shè)備的實(shí)車UDDS工況試驗，如圖3。并將試驗數(shù)據(jù)與實(shí)際模型仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析[25]，如圖4。由圖4可知，發(fā)動機(jī)、電機(jī)1(motor-generator 1, MG1)、電機(jī)2(motor-generator 2, MG2)、電池、整車速度等核心參數(shù)的仿真與試驗結(jié)果有很好的一致性，驗證了虛擬仿真開發(fā)平臺所建動力學(xué)模型及控制策略模型的準(zhǔn)確和有效性。因此，虛擬仿真開發(fā)平臺可用于新能源汽車及核心部件性能的仿真與分析。

2 目標(biāo)系統(tǒng)特性分析與建模

2.1 目標(biāo)構(gòu)型介紹

新型PHEV適時四輪驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型如圖5。圖5中，S代表太陽輪，C代表行星架，R代表齒圈。此構(gòu)型具有發(fā)動機(jī)與雙電機(jī)多個動力源，可實(shí)現(xiàn)前輪或后輪單軸與四輪驅(qū)動。通過雙電機(jī)間，前軸與后軸間扭矩的動態(tài)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)動力與經(jīng)濟(jì)性的提升。

目標(biāo)PHEV前軸為傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動，發(fā)動機(jī)功率經(jīng)由離合器、變速器、差速器等傳遞到傳動軸。采用ISG，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)快速啟停與行車發(fā)電，提升續(xù)駛里程。后軸為雙電機(jī)驅(qū)動，兩個驅(qū)動電機(jī)分別適合低速與中速驅(qū)動，高速為雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動。通過開發(fā)對應(yīng)的控制策略，可實(shí)現(xiàn)車輛在電機(jī)高效區(qū)間的運(yùn)行，提升純電行駛里程。

2.2 目標(biāo)系統(tǒng)動力學(xué)特性分析

目標(biāo)系統(tǒng)采用多種動力源，可有效提升整車動力與經(jīng)濟(jì)性，但帶來了整車能量管理與扭矩動態(tài)協(xié)調(diào)控制難題。需針對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)特性分析，為解決問題提供依據(jù)。

目標(biāo)系統(tǒng)依據(jù)電池電量的情況，可工作在電量消耗(charge depleting，CD)模式或電量維持(charge sustaining，CS)模式。在CD模式下，發(fā)動機(jī)不工作，由電池提供能量，在CS模式下，發(fā)動機(jī)及電機(jī)協(xié)同合作，以發(fā)動機(jī)為主提供能量。具體依據(jù)驅(qū)動情況可分為單軸驅(qū)動或四輪驅(qū)動模式，依據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的能量流可分為單電機(jī)驅(qū)動、雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動、發(fā)動機(jī)驅(qū)動、發(fā)動機(jī)行車發(fā)電、發(fā)動機(jī)-電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(四輪驅(qū)動)、再生制動等模式。筆者采用能量流與杠桿分析法對各個駕駛模式進(jìn)行動力學(xué)特性分析。

2.2.1 單電機(jī)驅(qū)動

單電機(jī)驅(qū)動包含MG1驅(qū)動與MG2驅(qū)動兩種模式。由圖6能量流圖可知，MG1驅(qū)動時，MG2鎖止，動力從太陽輪經(jīng)由行星架輸出，扭矩與速度傳遞關(guān)系如式(1)、(2)；MG2驅(qū)動時，MG1鎖止，動力從齒圈經(jīng)由行星架輸出，扭矩與速度傳遞關(guān)系如式(3)、(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：T為扭矩；ω為轉(zhuǎn)速；J為轉(zhuǎn)動慣量；c為行星架；r為齒圈齒數(shù)；s為太陽輪齒數(shù)；N為減速比。

2.2.2 雙電機(jī)驅(qū)動

雙電機(jī)驅(qū)動時，MG1和MG2協(xié)調(diào)工作共同經(jīng)由行星架驅(qū)動汽車，動力學(xué)傳遞如式(5)：

(5)

此驅(qū)動模式下扭矩傳遞公式與單電機(jī)驅(qū)動相同。需要指出的是，在雙電機(jī)驅(qū)動時，雙電機(jī)間的功率分配比決定整車驅(qū)動效率。

2.2.3 發(fā)動機(jī)驅(qū)動與行車充電

前輪驅(qū)動時目標(biāo)系統(tǒng)可在發(fā)動機(jī)驅(qū)動與行車充電模式下工作。發(fā)動機(jī)驅(qū)動時，動力經(jīng)由變速器傳遞至車輪如圖7。行車充電時，發(fā)動機(jī)帶動啟動/發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，為電池補(bǔ)充能量。

動力學(xué)傳遞如式(6)、(7)：

(6)

(7)

式中：Clutch為離合器；e為發(fā)動機(jī)。

2.2.4 四輪驅(qū)動

四輪驅(qū)動下發(fā)動機(jī)與電動機(jī)共同輸出扭矩驅(qū)動車輛，車輛的總需求扭矩等于發(fā)動機(jī)與電動機(jī)輸出到車輛上的扭矩之和，動力傳遞公式與式(1)～(7)相同。四輪驅(qū)動情況下，根據(jù)實(shí)際行駛需求，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的扭矩分配主要為兩種：①發(fā)動機(jī)為主，電動機(jī)與ISG輔助發(fā)動機(jī)高效驅(qū)動；②發(fā)動機(jī)與電動機(jī)依據(jù)實(shí)際載荷分配動態(tài)分配需求扭矩。筆者將重點(diǎn)研究第一種扭矩分配形式。

2.2.5 再生制動

汽車剎車時，通過電機(jī)與摩擦制動的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)汽車的制動，同時完成電機(jī)對制動能量的回收。依據(jù)實(shí)際情況，可進(jìn)行單電機(jī)或雙電機(jī)制動能量回收，動力學(xué)公式如式(1)～(4)。

2.3 基于虛擬仿真開發(fā)平臺的整車模型開發(fā)

目標(biāo)系統(tǒng)采取的核心部件參數(shù)如表1。其中，MG1與MG2采用了相同的電機(jī)參數(shù)。

表1 整車基本參數(shù)

基于核心部件模型庫，筆者開發(fā)了目標(biāo)雙軸耦合PHEV的動力學(xué)系統(tǒng)模型，并利用虛擬仿真開發(fā)平臺提供的核心部件GUI，對核心部件參數(shù)進(jìn)行了輸入，完成了整車動力系統(tǒng)模型的搭建。

3 目標(biāo)系統(tǒng)整車能量管理

目標(biāo)系統(tǒng)具有多個動力源，需開發(fā)高效的能量管理策略來實(shí)現(xiàn)前/后軸單軸驅(qū)動或者四輪驅(qū)動。特別是針對后軸單電機(jī)或雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，開發(fā)了對應(yīng)的單電機(jī)控制策略和雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

3.1 核心部件控制策略

3.1.1 單軸驅(qū)動

各核心驅(qū)動部件需滿足駕駛員驅(qū)動需求，在單軸驅(qū)動情況下，相關(guān)部件需求扭矩計算如式(8)～(11)：

Twd=P×Tmax

(8)

Ted=Twd/(NffdNi)

(9)

(10)

(11)

式中：Twd為輪胎需求扭矩；P為油門開度；Tmax為系統(tǒng)最大扭矩；Ted為發(fā)動機(jī)需求扭矩；Nffd為前軸主減速齒輪減速比；Ni為變速器減速比；Nrfd為后軸主減速齒輪減速比；TMG1d為MG1需求扭矩。TMG2d為MG2需求扭矩。

通過式(8)可獲得在不同油門開度情況下，目標(biāo)系統(tǒng)的需求扭矩?；诖诵枨笈ぞ?，由式(9)～(11)分別計算出發(fā)動機(jī)驅(qū)動、MG1驅(qū)動、MG2驅(qū)動或雙電機(jī)驅(qū)動時各驅(qū)動部件的需求扭矩。

3.1.2 雙軸耦合驅(qū)動

四輪驅(qū)動模式下，整車需求扭矩由前軸發(fā)動機(jī)與后軸電動機(jī)共同提供，如式(12)：

Twd=Twde+TwdMG

(12)

式中：Twde為前軸輪胎需求扭矩；TwdMG為后軸輪胎需求扭矩。

在此模式下，需依據(jù)整車需求，合理分配發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的扭矩，如2.2.4所述，筆者將重點(diǎn)研究發(fā)動機(jī)驅(qū)動為主，電動機(jī)驅(qū)動為輔的扭矩分配方式，依據(jù)實(shí)際載荷分配動態(tài)分配的方案因已有較多研究，筆者不再重述。發(fā)動機(jī)的扭矩將依據(jù)發(fā)動機(jī)OOL(optimal operating line)曲線[23]，確定發(fā)動機(jī)扭矩，進(jìn)而計算獲得電動機(jī)的需求扭矩。

3.1.3 制 動

在制動時，制動力將由雙電機(jī)再生制動與摩擦制動協(xié)同合作來提供。筆者將優(yōu)先使用再生制動力進(jìn)行制動，僅當(dāng)車速較低、SOC較高或者電機(jī)再生制動力不能滿足制動需求時，才加入摩擦制動。

3.2 模式切換控制策略

目標(biāo)PHEV系統(tǒng)根據(jù)電池SOC與驅(qū)動需求，可自主工作在純電或混合驅(qū)動模式下。

純電驅(qū)動模式包含MG1驅(qū)動、MG2驅(qū)動和雙電機(jī)驅(qū)動三種。為研究各模式下的性能，采取單參數(shù)模式切換策略，低速時為MG1驅(qū)動，中速時為MG2驅(qū)動，高速時為雙電機(jī)驅(qū)動。

混合驅(qū)動模式下，發(fā)動機(jī)依據(jù)行駛需求啟停策略如圖8。發(fā)動機(jī)的啟停采取多參數(shù)聯(lián)合判斷策略，其中發(fā)動機(jī)啟動時需同時滿足四個參數(shù)要求，發(fā)動機(jī)停止時僅需滿足三參數(shù)需求中的一項。發(fā)動機(jī)工作時，整車需求扭矩由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)協(xié)同合作共同驅(qū)動，通過電動機(jī)的輔助驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的高效運(yùn)行。

3.3 雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

在雙電機(jī)驅(qū)動時，MG1與MG2需要協(xié)調(diào)控制共同驅(qū)動汽車。由圖5可知，在同一扭矩輸出需求下，MG1與MG2的扭矩可由式(10)、(11)決定。因此，電機(jī)扭矩與車輛需求扭矩有確定比例關(guān)系，即電機(jī)需求扭矩由車輛需求扭矩直接確定。在車速確定的情況下，由式(5)可知，MG1與MG2的轉(zhuǎn)速有多種組合方式。在選定速度與扭矩需求情況下，電機(jī)扭矩可依據(jù)公式(10)、(11)算出，因雙電機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速組合，MG1與MG2的驅(qū)動效率會發(fā)生變化。

為提升驅(qū)動效率，筆者提出基于雙電機(jī)驅(qū)動效率最優(yōu)的動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法，如式(13)：

目標(biāo)函數(shù):

Max|ηdual_drive(V,Tdriveshaft,ωMG1,ωMG2)|

受約束于：

(13)

式中：ηdual_drive為雙電機(jī)驅(qū)動效率；Tdriveshaft為驅(qū)動軸扭矩；Vmax為汽車最大行駛車速；TMG_max為電機(jī)最大扭矩；ωMG_max為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

通過式(13)，以整車驅(qū)動效率最優(yōu)為目標(biāo)，可獲得雙電機(jī)驅(qū)動時，不同車速與扭矩需求情況下，最優(yōu)MG1、MG2轉(zhuǎn)速組合。計算流程如圖9，其中，車輛需求車速和扭矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)速按照一定增量(Δ)進(jìn)行設(shè)置。

基于式(13)獲取不同驅(qū)動需求下最優(yōu)電機(jī)轉(zhuǎn)速組合后，由于不同時刻電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速不同，需要電機(jī)施加動態(tài)協(xié)調(diào)扭矩以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制。為控制電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速變換，筆者提出電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制扭矩的概念，計算如式(14)：

(14)

式中：TMG_coordinate為電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制扭矩；ωMG_optimal為電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速；ωMG_actual為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；KP_MG為線性增益；KI_MG為積分增益。電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速經(jīng)按圖9進(jìn)行計算后獲取，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時反饋值。線性與積分增益通過多次性能仿真分析并結(jié)合專家經(jīng)驗最終選取獲得。

MG1與MG2的驅(qū)動扭矩由兩部分組成，如式(15)。電機(jī)需求驅(qū)動扭矩TMG_dmd用來滿足駕駛驅(qū)動需求，電機(jī)協(xié)調(diào)控制扭矩TMG_coordinate，用來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率驅(qū)動。

TMG_final=TMG_dmd+TMG_coordinate

(15)

雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的開發(fā)可以提升雙電機(jī)的整體驅(qū)動效率，結(jié)合開發(fā)的核心部件控制策略，實(shí)現(xiàn)了多動力源之間能量管理與控制。

4 仿真結(jié)果分析

適時四驅(qū)混合動力系統(tǒng)可工作在純電或混合動力驅(qū)動模式下，筆者將基于虛擬仿真開發(fā)平臺，對不同模式與控制策略下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析與驗證。

4.1 純電驅(qū)動模式

為驗證目標(biāo)系統(tǒng)純電驅(qū)動性能，選取了UDDS行駛工況進(jìn)行仿真分析，且未施加雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，仿真結(jié)果如圖10。

由圖10(a)可知，目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際車速與需求車速跟隨較好，驗證了提出的驅(qū)動與制動策略的正確性。圖10(b)～(e)為兩個電機(jī)的驅(qū)動扭矩與轉(zhuǎn)速，圖10中A部分為MG1驅(qū)動，B部分為MG2驅(qū)動，C部分為雙電機(jī)驅(qū)動，清晰的展示了單電機(jī)與雙電機(jī)驅(qū)動的情況。純電驅(qū)動模式下的具體分析如下：t=0～82 s時為低速運(yùn)行區(qū)間，MG1單獨(dú)輸出扭矩驅(qū)動車輛，MG2不工作；t=82～118 s時為中速運(yùn)行區(qū)間，MG2單獨(dú)輸出扭矩驅(qū)動車輛，MG1不工作；t=227～291 s時為高速運(yùn)行區(qū)間，兩個電機(jī)依據(jù)行星齒輪特性同時輸出扭矩協(xié)同合作驅(qū)動汽車，兩者扭矩與轉(zhuǎn)速傳遞關(guān)系符合式(1)、(3)、(5)。從圖10中還可知，車速降低時車輛進(jìn)入再生制動模式，電機(jī)提供負(fù)扭矩以提供制動力，同時達(dá)到回收制動能量、提升效率的目的。

4.2 混合驅(qū)動模式

混合驅(qū)動模式同樣選取UDDS行駛工況進(jìn)行仿真分析，且未施加雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，仿真結(jié)果如圖11。

如圖11(a)所示，目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際車速與需求車速跟隨較好，驗證了提出的混合驅(qū)動策略的正確性?；旌向?qū)動模式下的具體分析如下：t=20～24 s與t=163～167 s區(qū)間為電動模式，由圖11(d)～(e)可知MG1輸出扭矩驅(qū)動汽車；t=24～117 s與t=167～330 s區(qū)間(圖中標(biāo)注部分)為發(fā)動機(jī)電動機(jī)混合驅(qū)動模式；從圖11(b)～(g)可知，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)同時輸出扭矩共同滿足汽車驅(qū)動需求，同時在此區(qū)間，MG1與MG2仍按照低、中、高速需求工作在不同的模式下，由于發(fā)動機(jī)驅(qū)動的原因，電機(jī)實(shí)際驅(qū)動扭矩降低。再生制動模式下發(fā)動機(jī)關(guān)閉，電機(jī)提供制動力。

4.3 雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制

為實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制，需要獲得不同速度、轉(zhuǎn)矩需求情況下的電機(jī)最優(yōu)驅(qū)動轉(zhuǎn)速，筆者利用MATLAB的m文件進(jìn)行編程，考慮了實(shí)際的電機(jī)效率曲線，逆變器效率，傳動效率等損失，利用式(13)獲得了電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了在不同車速與轉(zhuǎn)矩需求情況下的雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制。

4.3.1 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性對比分析

筆者對施加動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略前后的雙電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了對比。由圖12可知，t=227～291 s時為雙電機(jī)驅(qū)動模式，MG1與MG2的速度差異來自于提出的動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法。通過算法，將雙電機(jī)的速度控制在了式(13)計算所得的電機(jī)優(yōu)化曲線上。

MG1與MG2通過行星齒輪共同驅(qū)動汽車，在需求扭矩一致的情況下，扭矩未發(fā)生變化，控制前后的扭矩曲線是重合的，如圖10(b)、(d)。這正是由于對電機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)了整車驅(qū)動效率的提升。

4.3.2 動態(tài)協(xié)調(diào)控制經(jīng)濟(jì)性分析

為了驗證雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制對經(jīng)濟(jì)性的改善效果，筆者針對CUDEC，US06等循環(huán)工況進(jìn)行了仿真測試，以US06高速循環(huán)工況為例，通過查看MG1與MG2的工作點(diǎn)效率圖，如圖13。可以發(fā)現(xiàn)，施加動態(tài)協(xié)調(diào)控制后，MG1的工作點(diǎn)向右側(cè)高效區(qū)移動，MG2的工作點(diǎn)向中間高效區(qū)緊縮。

通過對比SOC發(fā)現(xiàn)，在未進(jìn)行較好的電機(jī)匹配與換擋控制優(yōu)化的情況下，雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法在US06與CUDEC循環(huán)工況下，分別實(shí)現(xiàn)了3.24%與4.26%的效率提升，證明了所提算法的有效性。

5 結(jié) 論

筆者利用虛擬仿真開發(fā)平臺對提出的新型雙軸耦合插電式適時四輪驅(qū)動汽車進(jìn)行了動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略開發(fā)及整車性能仿真驗證的研究。

為驗證虛擬仿真開發(fā)平臺所建整車模型的有效性，進(jìn)行了實(shí)車試驗與仿真的對比分析；通過對目標(biāo)系統(tǒng)各工作模式下的動力學(xué)特性分析，開發(fā)了發(fā)動機(jī)、MG1、MG2等核心部件的驅(qū)動/制動策略與模式切換控制策略；為進(jìn)一步提升整車效率，提出一種基于效率最優(yōu)的雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，可獲得與車輛需求車速、扭矩對應(yīng)的最優(yōu)雙電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)多動力源之間的能量管理與優(yōu)化控制；仿真分析結(jié)果表明，筆者開發(fā)的整車能量管理策略滿足整車性能需求，提出的雙電機(jī)動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的優(yōu)化控制，通過對比發(fā)現(xiàn)，此算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)工作點(diǎn)向高效區(qū)的移動，在US06與CUDEC工況下，分別實(shí)現(xiàn)了3.24%與4.26%的效率提升，為具備多動力源新能源汽車的協(xié)調(diào)控制提供了理論支持。