插電式四驅強混汽車整車控制策略開發

肖 巖，何 彬

（奇瑞新能源汽車技術有限公司，蕪湖 241002）

插電式混合動力系統作為新的混合動力系統的研究方向，越來越多汽車公司在發展混合動力汽車與電動車之際，都會將插電式系統考慮進去，基于混合動力技術和純電動技術的插電式混合動力系統已呈趨勢。

豐田普銳斯 Prius于1997年10月底問世，是世界上最早實現批量生產的混合動力汽車，采用了基于行星齒輪機構的強混合動力系統THS。插電式普銳斯基于第三代豐田混合動力系統進行了局部改進設計，在JC08日本工況下的純電動行駛里程為23.4公里，能涵蓋日本人50%每天行駛距離的要求。通用汽車公司于2010年11月正式量產增程式電動汽車Volt，該車采用行星齒輪機構加三個離合器的動力系統結構，純電動行駛里程為64公里，能涵蓋美國人75%每天行駛距離的要求。

本文所描述的控制策略是基于奇瑞已有的ISG、AMT和電驅技術而開發的四驅強混合動力系統。

1 系統結構

1.1系統方案

汽車前輪由ISG （Integrated Starter and Generator）電機與發動機同軸耦合組成動力系統驅動，后輪由電動機驅動的電子后橋驅動。兩套動力系統可根據不同工況單獨或同時工作，以取得良好的動力性和經濟性。車載高性能鋰電池作為電動機的驅動電源，電池可由車載的發電機充電，也可外接220伏電源充電。具體參見圖1的四驅強混合動力系統結構圖。

整車各附件系統采用電動化部件，包括電動空調、電動助力轉向系統EPS、電動制動助力真空泵等。車輛配備ESP電子穩定性系統。

經濟性方面有以下三點優勢：純電動模式不需要電動油泵，AMT傳動效率高；低速串聯模式，優化發動機冷啟動暖機過程或優化發動機工作點；高速驅動電機可斷開，減少摩擦、弱磁損耗。

動力性方面有以下兩點優勢：發動機、ISG、驅動電機三者驅動力可疊加，雙電機之間不存在電功率循環，車輛加速性能好；可實現四輪驅動，提高車輛在低附著路面上的通過能力。

1.2 系統關鍵零部件

四驅強混合動力車輛的結構，前驅動力系統由發動機和ISG電機同軸組成，裝載AMT手自一體變速器系統。ISG電機控制器結合逆變器一起完成對ISG電機的控制，實現ISG模式控制、扭矩輸出和速度控制等多種功能。

EMS（Engine Management System）實現對發動機系統的管理，完成發動機的噴油點火、電子節氣門、扭矩輸出等的控制。在強混合動力系統中EMS不控制發動機主動輸出扭矩，而是作為子系統之一響應混合動力控制器HCU （Hybrid Control Unit）的扭矩需求指令及自動停機功能。發動機的啟動則是通過ISG電機啟動，具有響應速度快、啟動噪音低等優點。

后驅系統為一功率較大的驅動電機TM（Traction Motor），裝載集成減速器與差速器的電子后橋系統，電子后橋的結合與斷開都可由HCU完成管理。驅動電機控制器結合逆變器完成對后驅系統TM控制，實現驅動電機的扭矩輸出、模式控制等功能。

高壓動力電池為ISG電機與后驅電機的動力源，且經過DCDC轉換器后還承擔了對低壓蓄電池和整車低壓電氣系統的負載能力。BMS（Battery Management System）承擔對動力電池的管理，稱之為動力電池管理系統，BMS通過采集動力電池的模組電壓、電流、溫度等信息并用大量的試驗數據做校正計算動力電池的 SOC（State of Charge）、SOH（State of Health）及最大（小）允許放電電流等信息，并將這些信息發送至整車CAN網絡中。

車載充電機（Charger）可完成對動力電池的外接充電功能，且在充電過程中充電機與BMS進行信息交互，確保充電過程安全可靠。

TCU是專門控制AMT機構進行選換擋動作的控制器，且選換擋控制指令則由混合動力控制器HCU負責發送。在此強混合動力控制系統中TCU并不對排擋桿位置進行采集，其采集油壓、選換擋位置并結合前軸等效電子油門踏板開度、制動踏板等信息實現選換擋。

車輛穩定性控制系統ESP（Electronic Stability Program）通過采集輪速、方向盤轉角、加速度等信息實現對車輛的動態穩定性監測，并實時向HCU發送最大許可安全扭矩，確保車輛在各種工況下驅動扭矩與再生制動扭矩在合理安全的范圍內，進而保證車輛行駛安全。

混合動力控制器HCU是四驅強混合動力系統的核心，HCU 通過 CAN（Controller Area Network）網絡實現與 TM 控制器、ISG 控制器、BMS、TCU、EMS、ESP等節點的連接與信息交互，并可實現對油門踏板、制動踏板位置、排擋桿位置、制動真空壓力等信息的采集，綜合各節點的信息控制車輛工作在合理的工作模式，將扭矩指令與工作模式通過CAN發給ISG、TM、EMS等扭矩執行機構執行。

HCU同時還可實現對整車附件系統的管理，比如根據制動真空壓力打開或關閉真空助力泵，幫助駕駛員實現有效且輕松的剎車動作，根據ISG/TM電機溫度打開或關閉冷卻水泵和冷卻風扇實現對電驅動系統的冷卻，根據動力電池模組溫度、單體電壓等信息計算動力電池最大（小）充放電功率等。

1.3 系統網絡構架

由于強混合動力系統結構復雜，電控節點也較多，全部在一條CAN網絡上會造成CAN網絡負載率過高，因此有必要設計兩條CAN網絡分別搭載網絡信息，且以HCU為轉發網關。混合動力系統節點如 HCU/BMS/ISG/TM/充電機/均衡器/EPS（Electronic Power Steering）可以搭載在 CAN1，EMS/ESP/TCU/儀表及車身控制器可以搭載在CAN2，這樣既可靠，又方便了信息交互。

2 系統功能

2.1 功能概述

此系統可以有效的實現智能四輪驅動、純電力驅動及其常規混合動力的串、并聯式驅動方式，并在各驅動模式下智能分配再生制動扭矩來實現能量的回收。系統控制策略施行分層化控制，由混合動力控制器HCU來協調控制各子系統實現。整車控制主要功能如下：

1）高壓系統上下電管理；

2）駕駛員需求扭矩解析；

3）扭矩平滑；

4）車輛驅動模式判定；

5）扭矩分配；

6）換擋控制；

7）電驅動系統過溫、過壓、過流、堵轉等保護策略；

8）在線故障診斷；

9）扭矩安全監控。

2.2 高壓系統上下電管理

高壓系統繼電器分布分為主正、主負和預充繼電器，即吸合時先吸合預充和主負繼電器，待預充電阻端電壓達到一定值時，吸合主正繼電器，斷開預充繼電器，完成高壓系統上電。下電過程則是先卸載，再斷開主負和主正繼電器。

上下電管理可從以下三方面來考慮控制策略；第一是高壓系統正常狀態下的上下電時序管理。正常狀態下初始化時對高壓系統安全監測和對預充電繼電器診斷完成，下電前先完成對高壓系統的卸載，防止主繼電器粘連；第二是對高壓電池故障、碰撞狀態下管理，整車發生碰撞后，軟件先進行保護和硬件延時斷開機制；第三是須考慮極端情況下的高壓主動放電功能。

2.3 駕駛員需求扭矩解析

駕駛員需求扭矩是一些扭矩需求的合集，其中包含了從電子油門踏板位置解析的駕駛員需求扭矩、自動爬行需求扭矩、制動回收需求扭矩、自動巡航需求扭矩及ESP所提供的限制需求扭矩，這些需求扭矩最終經過仲裁后得到輪上需求扭矩。

2.3.1 駕駛員需求扭矩管理

此扭矩解釋是根據加速踏板位置、車速、系統最大扭矩能力確定，解析的扭矩即為當前駕駛員所需求的整車車輪（軸）需求扭矩。如圖2三維表中所示，由車速、油門開度查表得到的軸上需求扭矩，同時要保證最終扭矩的輸出符合踏板感覺（Pedal Feeling）。

2.3.2 自動爬行需求扭矩管理

自動爬行控制（Creep）功能是在駕駛員不踩制動踏板，不踩油門踏板且在驅動擋的條件下，由后驅電機模擬帶液力變矩器自動變速器車輛提供較低的驅動扭矩供車輛在低速條件下行駛，提高城市擁堵路面等條件下的駕駛舒適性。

Creep的控制策略可以對后驅電機輸出扭矩進行開環控制，對電機轉速實行速度閉環控制，并能根據油門踏板開度和車速抵消Creep扭矩。Creep最終需求的扭矩計算是由電機反饋扭矩、坡道阻力矩、加速度阻力矩之和組成。

2.3.3 制動回收需求扭矩管理

圖3給出了串行模式時回收力矩與液壓制動區域劃分的示意，強混合動力系統前ISG與后TM電機可同時或分開進行制動能量回收，回收效率較高，可有效提高整車經濟性。

ESP解釋制動扭矩需求，HCU確定電機制動扭矩限制值，電機控制器進行再生制動扭矩的控制，且ESP根據電機實際制動扭矩和總制動扭矩需求，調節液壓制動力。

2.4 扭矩平滑

扭矩平滑是對ISG、TM和發動機三個扭矩輸出機構的平滑，常規的IIR濾波算法對處理單動力源的車型比較有利，但是在強混合動力系統的車輛上必須開發主動減振控制方法，減小前后驅系統傳動系統的扭振、齒輪間隙及發動機振動，特別是在車輛起步、急加速、急減速等過渡工況。

如圖4所示，主動減振控制是將扭矩平滑區域劃分為前進、倒擋和回收制動三個區域，每個區域內對扭矩的上升和下降分別做平滑。

2.5 車輛驅動模式判定

車輛驅動模式按照駕駛員需求、整車運行狀態及電驅動系統最大提供的扭矩綜合進行劃分，從初始化模式開始分為如下四種控制模式：

1）純電動驅動模式（EV）

由TM單獨提供扭矩輸出，發動機停機，前軸傳統系統保持在空擋位置不參與驅動。

2）串聯混合動力模式（Series）

HCU控制ISG啟動發動機進行暖機，帶動ISG電機給動力電池充電，充電量既可以用于后輪電機驅動整車，也可以將能量存儲在動力電池中。發動機雖然運行但是前軸TCU控制AMT系統保持在空擋位置，前軸不參與驅動。

3）并聯混合動力模式（Parallel）

發動機啟動并帶動ISG電機驅動整車，后輪純電動驅動系統關閉，AMT系統根據車速和當前油門開度掛入合適的檔位參與驅動。

4）四驅混合動力模式（4WD）

駕駛員需求或者低速大油門時，車輛智能進入四驅控制模式，前軸發動機和ISG電機輸出驅動扭矩，HCU會將前軸發動機和ISG的輸出扭矩累加后等效的油門踏板開度發送至TCU，TCU控制AMT系統結合合適的檔位。后軸TM電機輸出驅動扭矩，由電子后橋實施變速并帶動后軸驅動軸運轉，車輛完全處于四輪驅動模式。整個過程中ESP全程參與并提供實施監測。車輛退出四驅模式優先進入并聯混合動力驅動模式。

與此同時，HCU根據動力電池SOC的剩余量進行劃分能量消耗Charge Sustaining（CS）和能量保持Charge Depleting（CD）階段。圖5和圖6分別給出了電力驅動模式和混合動力驅動模式下的SOC與里程關系，發動機的開啟和關閉是為了保持動力電池電量平衡。

車輛在不同的模式切換之間，HCU結合當前發動機水溫、駕駛艙車門、引擎蓋是否關閉等信息決定發動機的啟停。例如當車輛由Series或Parallel驅動模式切換至EV模式時，若上述條件都滿足，HCU會在進入EV模式之前就發送停機指令給EMS，發動機停機完成后車輛驅動模式進入EV，反之亦然。

2.6 扭矩分配

為了提高車輛燃油經濟性，扭矩分配需要考慮的因素也日益增多，目前大致可分為如下幾種：

1）電池充放電優化區域；

2）電機效率優化區域；

3）發動機最佳油耗工作區域；

4）系統儲備扭矩、修正因素；

5）各關鍵部件工作邊界限制；

6）發動機瞬態油耗優化。

電驅動系統的扭矩能力應加入多重條件限制，如系統保護扭矩限制、ISG/TM驅動能力限制、故障扭矩限制及動力電池能力扭矩限制。發動機、ISG電機、TM電機的最終扭矩協調加入ESP、AMT換擋扭矩限制等。安全監控扭矩限制則被放置在最后一個層次，從而形成了三重扭矩限制，確保了發動機、ISG、TM的扭矩輸出都在安全可控的范圍內。

2.7 換擋控制

換擋控制主要是指HCU與TCU協調控制AMT系統的策略，該策略包含如下幾個方面的內容。

2.7.1 換擋中斷扭矩補償

AMT的換擋過程中前軸發動機動力會中斷，而且發動機扭矩恢復時間慢，影響駕駛感覺，可以使用后驅電機進行扭矩補償。后驅電機補償扭矩應是扭矩需求和車速的函數，AMT檔位結合后發動機增扭過程中，該補償扭矩逐步衰減。4WD模式下，后驅電機扭矩不補償前軸換擋動力中斷扭矩。

2.7.2 發動機與離合器轉速同步

AMT機構換擋完成后，此時發動機轉速與離合器轉速是不同步的，傳統方法是控制發動機扭矩上升并抬高轉速使之同步，而強混汽車則可通過控制ISG電機進入速度控制模式，可快速將發動機拖至換擋前離合器工作轉速，從而實現二者的速度快速同步，提高換擋舒適性并降低換擋沖擊。

2.7.3 前軸等效油門位置

Charge Sustaining模式下即加速踏板位置，Charge Depleting模式下，為加速踏板位置減去后軸等效油門位置。后軸等效油門位置一般為車速的函數，需考慮后驅系統斷開、后驅系統功率大幅受限和后驅故障等多重情況下的等效油門位置。

2.7.4 擋位請求

后驅電機驅動時需向TCU發送空擋請求，前軸驅動時需根據當前駕駛員操作排擋的動作向TCU發送R/D/B請求。前軸驅動時，HCU發送B（Brake）檔請求給TCU時由TCU控制AMT系統掛低速擋，滿足爬（下）坡和制動需求。

2.7.5 TCU扭矩限制

HCU應響應TCU的換擋增減扭矩需求，并將該需求發給EMS執行，極限情況須快速響應TCU的限制扭矩請求，保護AMT換擋機構。

2.8 系統保護策略

系統保護涵蓋了對整車關鍵系統的保護，比如對動力電池的保護、對電驅動系統的保護、對發動機系統保護和對傳動系統的保護，主要的保護策略都集成在HCU內。

動力電池保護指保護動力電池不能被過充、過放、過壓、欠壓、過溫、低溫等的保護，高層次的保護還涵蓋對動力電池碰撞和絕緣保護等。

電驅動系統保護包括前ISG電機和后TM電機的溫度限制、電壓限制、瞬時功率限制、堵轉保護等。

對發動機系統保護則指在不同冷卻水溫下對發動機最大輸出扭矩進行限制。

傳動系統保護則是對AMT換擋機構和離合器進行保護，不能頻繁的進行換擋，且不能在較大扭矩時強制離合器結合，避免離合器盤燒毀。

2.9 在線故障診斷

強混合動力系統的在線診斷系統應該涵蓋對發動機、ISG電機、TM電機、AMT系統、DCDC轉換器、電動空調、電動助力轉向、車身附件系統（真空泵、冷卻水泵、冷卻風扇、電子油門踏板、制動踏板、排擋、儀表）等系統的全面故障診斷與存儲。當HCU探測并確認系統確實存在故障時，則點亮儀表上的故障報警燈提示駕駛員。

由于系統帶了發動機系統和純電力驅動系統，因此強混合動力系統對發動機的EOBD的診斷可能要區別于傳統發動機，具體的診斷策略EMS應結合車輛驅動模式進行修改。

控制策略需要研究的是對故障形成的機理、故障原因、故障部件、故障的探測方法、故障發生后的快速響應機制等內容，底層軟件則重點開發故障累加、故障信息顯示、故障數據傳輸、故障存儲和清除機制。

2.10 扭矩安全監控

強混合動力的扭矩安全可以在HCU內增加安全監控芯片對電驅動系統的扭矩進行監測，發動機系統的扭矩監測可通過在HCU控制策略里增加監控算法與EMS協調實現。安全芯片從CAN網絡中接收電驅動系統電流、電壓、扭矩等數據，從ESP接收車速信息，并單獨對油門和電流進行采集處理，若CAN系統無故障即用硬件采集的數據，若硬件采集出現故障即用CAN網絡的數據。

如圖7所示，HCU里的算法為A，安全芯片內的算法為B，當二者之差大于一定值，安全芯片切斷HCU外發的CAN數據并切斷對電驅系統的使能。

3 試驗結果

本文提出的插電式四驅強混整車控制策略已在奇瑞自主開發的整車控制器上得以實現，并完成了在整車仿真平臺上的仿真驗證和在插電式混合動力樣車上的試驗驗證。

3.1 試驗工況

控制策略在歐3/4排放標準的一型試驗工況NEDC下運行，該工況由4個ECE循環和一個EUDC循環組成。圖8為整車測試臺架上的車速數據。

3.2 ECE工況TM扭矩與車速關系

ECE工況駕駛員需求扭矩較低，TM能夠滿足扭矩輸出要求，驅動模式為純電動驅動，見圖9。

3.3 ECE制動回收經濟性分析

對于制動能量回饋系統經濟性的評價，本文提出一種基于循環工況的 “經濟性貢獻率δ”評價指標，以其作為制動能量回饋對整車經濟性改善的評價方式，其計算公式如下：

式中：Ereg為母線處的制動回收的能量；Edrive為母線處在驅動過程消耗的能量；ηcharge為電池的充電效率；ηdischarge為電池的放電效率。充放電效率各取90%得出下表中再生制動對經濟性的貢獻率。制動能量回饋在ECE工況下對整車的平均經濟性貢獻率δ達到 27.33%，相比并行回收制動模式，經濟性有明顯改善。

表1 ECE純電動并行回收制動經濟性分析表

3.4 并聯驅動發動機與ISG扭矩關系

EUDC下油門需求較大，系統進入并聯驅動模式，由發動機與ISG共同驅動車輛，同時ISG電機在松開油門或制動時進行能量回收，見圖10。

3.5 自動爬行控制

圖11中的TM驅動扭矩，正向扭矩表示前進，反之則為倒退，系統根據車速使用PID算法自動調節電機扭矩大小。

3.6 AMT換擋扭矩輔助

AMT系統在換擋時要求發動機動力中斷，HCU請求TM電機給予換擋扭矩補償，增加換擋舒適性，如圖12所示。

3.7 主動減震控制

圖13為加入主動減震控制前后的電機扭矩、轉速對比，可見該算法對消除振動非常行之有效。

4 結論

本文是對插電式四驅強混汽車的控制策略進行了詳細功能劃分并提出設計思想，并經過仿真驗證初步達到設計目的。

［1］ Mitch Olszewski，Program Manager，OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY EVALUATION OF THE 2008 LEXUS LS 600H HYBRID SYNERGY DRIVE SYSTEM［J］.ORNL/TM-2008/185.

［2］ Ihab S.Soliman，Fazal U.Syed，Mark Yamazaki，SAE International，Control of Electric to Parallel Hybrid Drive Transition in a Dual-Drive Hybrid Powertrain ［J］.2010-01-0819.

［3］ Anthony M.Phillips，Ryan A.McGee，J.Tony Lockwood，Ray A.Spiteri， Judy Che，John R.Blankenship，Ming L.Kuang，SAE International Control System Development for the Dual Drive Hybrid System［J］.2009-01-0231.

［4］ Donghyun Kim，Sungho Hwang，Hyunsoo Kim，IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY VOL.57，NO.2，Vehicle Stability Enhancement of Four-Wheel-Drive Hybrid Electric Vehicle Using Rear Motor Control［J］.MARCH 2008.

［5］ Michael Panagiotidis，George Delagrammatikas，Dennis Assanis，SAE International Development and Use of a Regenerative Braking Model for a Parallel Hybrid Electric Vehicle［J］.2000-01-0995.

［6］ 余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［7］陳清泉.現代電動汽車技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

［8］童毅，歐陽明高，張俊智.并聯式混合動力汽車控制算法的實時仿真研究［J］.機械工程學報，2003，39（10）.

［9］陳全世，楊宏亮，田光字.混合動力電動汽車結構分析［J］.汽車技術，2001（9）.

［10］陳清泉，孫逢春.混合電動車輛基礎［M］.北京：北京理工大學出版社，2001.