并聯混合動力汽車起步過程TCS研究

歐 健，熊 峰

(重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

隨著石油資源的日漸匱乏和污染問題的日益突出，混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)已成為新能源汽車開發的熱點［1－5］。車輛在加速起步時，如果驅動力大于附著力，將發生驅動輪過度滑轉的現象［6］。特別是在低附著路面上，驅動輪極易發生過度滑轉，導致車輛的加速性能和通過性能降低。

對于傳動汽車，TCS(traction control system，牽引力控制系統)多采用發動機輸出轉矩控制和制動系統制動力矩控制的控制方式［7］。對于同時擁有發動機和電動機2個動力源的混合動力汽車，由于電動機的響應速度快、精度高［8］，應該首先考慮通過控制電動機的輸出扭矩來控制驅動輪的滑動率。本文充分利用混合動力汽車電動機的優點，結合發動機輸出轉矩控制，使混合動力汽車的加速性能得到有效提高。

1 混合動力汽車動力學模型

1.1 七自由度車輛模型

建立了包含車身縱向運動、橫向運動、橫擺運動和4個車輪的旋轉7個自由度的整車模型。對建立的模型做如下假設:① 車輛坐標系原點與汽車質心重合;②忽略懸架的作用，汽車沒有垂直運動，只做平行于地面的運動;③汽車繞Y軸的俯仰角以及繞X軸的側傾角為零;④各輪胎的機械特性相同。整車力學特性如圖1所示，根據牛頓定律建立方程［9］。

圖1 整車動力學模型

縱向動力學方程

橫向動力學方程

橫擺運動方程

車輪的轉動方程

式中:M為整車質量;vy為側向車速;vx為縱向車速;γ 為車輛橫擺角速度;Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr分別為前左輪、前右輪、后左輪和后右輪的縱向力;Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr分別為前左輪、前右輪、后左輪和后右輪的側向力;δ為前輪轉角;Iz為橫擺轉動慣量;a、b分別為質心到前、后軸的距離;d1、d2分別為前、后輪的輪距;Iw表示車輪的轉動慣量;ω為車輪的角速度;Tbi為各輪上的制動力矩;R為車輪半徑;i=fl，fr，rl，rr分別代表前左輪、前右輪、后左輪和后右輪。

1.2 輪胎模型

MF(magic formula)輪胎模型［10］是用三角函數的組合公式擬合輪胎實驗數據，用一套形式相同的公式就可以完整地表達輪胎的縱向力橫向力、回正力矩以及縱向力、橫向力的聯合作用等工況，故稱為“魔術公式”。魔術公式的一般表達式為

1.3 發動機模型

通過臺架試驗獲得發動機穩態數據，建立發動機穩態模型，輸入為發動機節氣門開度和發動機轉速，輸出為發動機穩態轉矩，如圖2所示。

圖2 發動機穩態轉矩特性

采用一階慣性環節建立發動機的動態輸出轉矩模型［11］:

式中:Ms為發動機穩態力矩;T1、T2為時間常數;s為拉普拉斯算子。

1.4 電動機模型

本文研究的電機為永磁無刷電機，電機特性如圖3所示。

圖3 電機特性

混合動力汽車的電機既可以提供驅動轉矩也可以提供制動轉矩。在特定的轉速下，電機有對應的輸出轉矩范圍。電機控制器可以根據接收到的電機轉矩命令，控制電機輸出上述范圍內的目標轉矩［12］。

2 起步加速TCS控制策略

車輛起步時，變速器一般位于1擋，此時傳動系統輸出到驅動輪的扭矩大，在低附著路面上很容易出現驅動輪過度滑轉的情況。由于混合動力汽車電動機具有低速高扭矩的特性，在全力起步加速時，即使在較好附著路面上也有可能出現驅動輪過度滑轉的現象。驅動輪的過度滑轉使得發動機轉速迅速升高，輸出扭矩增大，加劇驅動輪的滑轉，導致車輛起步緩慢或是不能起步。

牽引力控制系統通過采集輪速和車速，根據滑動率計算模塊計算值與目標滑動率的差值發出控制信號，通過電機控制器和發動機副節氣門步進電機響應，改變傳動系統輸出扭矩，實現對驅動輪滑動率的控制。控制原理如圖4所示。

圖4 控制原理

并聯混合動力汽車電機主要起調峰作用，在起步時一般是發動機提供驅動力。在電池荷電狀態大于某一閥值的前提下，當需求的驅動扭矩過高，超過當前轉速下發動機所能提供的扭矩時，采取電機輔助驅動［12］?？刂七壿嬛髁鞒倘鐖D5所示。本文仿真條件是:油門全開，駕駛員試圖以較大加速度加速起步，這樣電機既可以提供驅動力矩也可以根據TCS控制需要提供制動力。

圖5 控制邏輯主流程

3 仿真分析

為驗證所設計的混合動力汽車牽引力控制系統的有效性，應用Matlab對不同行駛條件下的車輛起步過程進行了仿真。仿真條件:油門開度100%打開;初始車速2 m/s;變速器1擋傳動比2.693 2;主減速器傳動比 5.246 6;路面低附著系數0.2，中高附著系數0.68，路面平整;滾動阻力系數0.035。假設仿真開始時離合器已經完全結合。

圖6～15分別為車輛在均一低附著路面(如壓緊的冰雪路面)、均一中高附著路面(如壓緊的干土路面)、分離路面和對接路面上的仿真曲線。假設各個路面的坡度都為零。各圖中實線代表沒有經過TCS控制的車輛仿真曲線，虛線表示經過TCS控制后的仿真曲線。

在均一附著路面上，經過TCS控制后的滑轉率得到了有效控制。在低轉速發動機扭矩比較小的階段，電機能充分利用自身低轉速高扭矩的特點，使滑動率更快地到達最佳范圍，迅速提高驅動輪驅動力。經過控制，車速較控制前有明顯提升，由于電機的作用在速度曲線開始階段上升明顯。

在中高附著路面上，驅動輪滑轉率在3.5 s左右由于發動機和電機轉速隨車速升高，轉矩降低，在附著系數為0.68的路面上已不足以引起驅動輪過度滑轉，滑轉率下降，如圖8所示。

從車速仿真曲線可以看到，車輛在經過5 s起步加速后，低附著路面上未加控制的車速為6.13 m/s，經過控制的車速為7.22 m/s，增長17.8%;中高附著路面上未加控制的車速為18.27 m/s，經過控制的車速為19.97 m/s，增長9.3%。

假設分離路面兩側的附著條件為左側附著系數0.2，右側附著系數0.68。在分離路面上，以低附著路面上的滑轉率為控制目標。從圖中車速和橫擺角速度可以看出，控制后不僅5 s末的車速有所提高，而且車輛較控制前更加穩定。

對接路面的路面附著系數分布:從0.2到0.68再到0.2，分別持續2 s的時間?？刂魄昂篁寗虞喕D率和車速的仿真曲線如圖14、15所示。

在對接路面的對接處，滑動率有一定的波動，但從整體上看效果明顯。經過控制后，車速由控制前的14.2 m/s增長到15.6 m/s，增長9.9%。

仿真結果表明，基于電動機和發動機聯合控制的牽引力控制策略能有效控制驅動輪滑轉率，充分利用地面附著條件，提高車輛的動力性和通過性。

4 結束語

根據混合動力汽車的特點，制定了電動機和發動機聯合控制的TCS控制策略，通過在均一附著路面(低附著路面和中高附著路面)、分離路面和對接路面上的仿真，取得明顯效果:驅動輪滑轉率得到有效控制;車速有明顯的提升;充分利用電動機響應快、精度高和低速高扭矩的特點。

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