復合功率分流混合電動轎車驅動模式切換的協調控制*

趙治國,代顯軍,王 晨,,張 彤,袁喜悅

(1.同濟大學新能源汽車工程中心,上海 201804； 2.上海華普汽車有限公司,上海 201501)

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2015046

復合功率分流混合電動轎車驅動模式切換的協調控制*

趙治國1,代顯軍1,王 晨1,2,張 彤2,袁喜悅1

(1.同濟大學新能源汽車工程中心,上海 201804； 2.上海華普汽車有限公司,上海 201501)

為對帶雙行星排復合功率分流的混合動力轎車驅動模式切換過程中的轉矩進行協調控制，采用基于轉矩解耦的控制方法來求解不同切換階段動力源的目標轉矩。在此基礎上，針對切換過程中輸出端轉矩波動和發動機實際轉矩難以精確確定等問題，提出了基于發動機轉矩估計和電機轉矩補償的模式切換協調控制策略，并在Matlab/Simulink軟件平臺下進行仿真驗證。結果表明，該協調控制策略能有效降低切換過程中輸出端的轉矩波動和整車的沖擊度。

發動機轉矩估計；功率分流；模式切換；協調控制

前言

混合動力汽車在行駛過程中能根據工況要求自動切換運行模式，模式切換過程中整車對發動機和電機的轉矩需求變化明顯，由于發動機與電機的轉矩響應速度不同和離合器或制動器自身非線性特性的影響，若在模式切換過程中控制不當，會直接導致動力系統輸出端轉矩大幅度波動，并產生沖擊，從而影響車輛的行駛平順性[1-4]。

針對上述問題，文獻[5]中以典型單軸并聯混合動力轎車為研究對象，利用最優控制法求解發動機和電機在模式切換過程中不同階段的目標轉矩，但該方法忽略了發動機和電機的瞬態轉矩響應特性的差異。文獻[6]中針對傳統并聯混合動力轎車，提出“發動機轉矩開環+發動機轉矩動態協調估計+電機轉矩補償”的動態協調控制算法，但實際切換過程中發動機轉矩在線估計算法不能滿足控制對實時性的要求。文獻[7]中針對一種雙模功率分流混合動力系統，探討了其從輸入功率分流模式切換到復合功率分流模式過程中變速器輸出端轉矩波動問題，并采用電機予以補償，有效抑制了其轉矩波動。文獻[8]中以四輪驅動混合動力轎車為研究對象，針對其由純電動驅動模式切換到混合驅動模式過程中駕駛性能變差問題，以混雜系統切換為理論依據，設計了無擾動模式切換控制策略，但是這些方法皆未考慮發動機轉矩的瞬態響應特性。

本文中以一種復合功率分流混合動力轎車為研究對象，對其從純電動驅動模式切換到混合驅動模式的動態過程進行動力學分析，并基于特有的行星齒輪機構的約束關系，利用實時可測的電機轉矩直接推算發動機實際執行轉矩，提出了基于發動機轉矩估計和電機轉矩補償的模式切換動態協調控制策略，并在Matlab/Simulink平臺進行仿真驗證，結果表明，該協調控制策略能有效降低切換過程中輸出端的轉矩波動和整車的沖擊度，提高了車輛的行駛平順性。

1 復合功率分流系統結構

文中所研究的復合功率分流動力系統結構簡圖[9]如圖1所示，主要由發動機、大電機MG2(motor/generator)、小電機MG1、濕式制動器B1(brake)、B2和功率分流裝置組成。其中功率分流裝置為共用行星架和齒圈的雙行星輪系結構，如圖2所示。圖中，S1為前排輪系小太陽輪；P1為前排輪系短(粗)行星輪；P2為后排輪系長(細)行星輪；S2為后排輪系大太陽輪；CR12為前后排輪系共用行星架；R12為前后排輪系共用齒圈。

發動機連接行星架，小電機MG1連接前排小太陽輪，大電機MG2連接后排大太陽輪，三者動力經共用的齒圈復合后傳遞至輸出端。制動器B1用于純電動驅動時鎖止發動機，提高系統效率，制動器B2用于高速時鎖止小電機MG1，以避免其提供平衡轉矩，防止電功率循環[10]。該復合功率分流系統典型工作模式如表1所示。

表1 復合功率分流系統典型工作模式

2 切換過程建模和轉矩解耦控制

2.1 動力系統動態建模

復合功率分流混合動力轎車具有多個工作模式，不同模式下動力源的目標轉矩有所不同。為方便分析，求解切換過程中的動力源目標轉矩，對動力系統結構進行簡化，將車輪轉動慣量和車輛平動質量統一折算到變速器輸出軸，忽略旋轉黏性阻尼、軸承與軸承座間的彈性和齒輪嚙合彈性，得到如圖3所示的動力學模型。圖中TICE在發動機點火之前為拖轉阻力矩，點火后為驅動轉矩，αICE為發動機角加速度，JICE為發動機等效轉動慣量(包括曲軸、飛輪、制動器B1從動盤和行星架CR12)，TCR12為行星架端轉矩，TMG1為電機MG1轉矩，αMG1為其角加速度，JMG1為電機MG1端等效轉動慣量(包括電機MG1轉子、太陽輪S1)，TS1為太陽輪S1端轉矩，TMG2為電機MG2轉矩，αMG2為其角加速度，JMG2為電機MG2端等效轉動慣量(包括電機MG2轉子、太陽輪S2)，TS2為太陽輪S2端轉矩，TR12為齒圈端轉矩，JR12為折算到齒圈端的等效轉動慣量(包括齒圈R12、半軸、車輪、整車)，αR12為齒圈輸出端角加速度，TL為折算到齒圈輸出端的等效阻力矩。

行星排各軸上的轉矩方程為

TICE-JICEαICE=TCR12

(1)

TMG1-JMG1αMG1=TS1

(2)

TMG2-JMG2αMG2=TS2

(3)

行星排轉矩平衡方程為

TCR12+TR12+TS1+TS2=0

(4)

TR12+i1TS1+i2TS2=0

(5)

角加速度關系方程為

αMG1=i1αR12+(1-i1)αICE

(6)

αMG2=i2αR12+(1-i2)αICE

(7)

式中：i1、i2分別為前后行星排傳動比。由式(1)～式(7)所組成的線性方程組共有16個變量，其中已知變量5個，分別為JICE、JMG1、JMG2、i1和i2；未知變量11個，分別為TICE、TMG1、TMG2、TCR12、TS1、TS2、TR12、αICE、αMG1、αMG2和αR12。只須再根據整車不同模式任意給定其中4個參數，即可求解其他變量。根據系統動態轉矩控制的需求，通過求取有用的函數組合，可以求解出目標轉矩TICE、TMG1、TMG2，分別作為發動機、電機MG1和電機MG2各自控制器的轉矩控制指令。

假定已知TMG1、TR12、αICE、αR12，此種情況下求取目標轉矩TMG2、TICE，將要求解的轉矩計算函數命名為TMG2_TICE_fun(TMG1，TR12，αICE，αR12)，聯立式(1)～式(7)，利用Matlab求解方程組即可求解，鑒于篇幅原因，這里不再贅述。

2.2 純電動驅動模式切換到混合驅動模式過程分析和轉矩解耦控制

整車模式切換協調控制流程如圖4所示。車輛起步首先以純電動模式行駛，當駕駛員轉矩需求Treq大于純電動最大轉矩閾值TEV_max、蓄電池SOC小于最低閾值SOC_low或要求車速v大于純電動最大車速閾值vEV_max時，整車控制器接收模式切換請求信號，制動器B1迅速打開，并進行MG1、MG2轉矩協調控制，等到B1完全打開后，MG1、MG2協調控制輸出轉矩拖轉發動機，當其轉速nICE大于怠速轉速nidle后，發動機點火，進入混合驅動模式。由于發動機瞬態轉矩響應的延時，須適時估計其動態轉矩并利用MG1、MG2進行轉矩補償協調控制，以滿足駕駛員的轉矩需求，降低輸出端的轉矩波動，減小車輛沖擊。整個模式切換過程包括B1鎖止時的純電動、B1打開過程的純電動、起動和混合動力4個階段。

2.2.1 B1鎖止時的純電動階段

利用杠桿法[11-12]分析此階段系統的工作狀況，如圖5所示。大電機MG2提供驅動轉矩TMG2，制動器B1鎖止，提供平衡轉矩TB1，兩者合力矩與輸出端OUT阻力矩TL平衡，小電機MG1空轉。此階段轉矩控制框圖如圖6所示。

此階段的已知變量、目標變量和轉矩求解函數如表2中序號(a)所示，其中TR12利用車速和踏板行程從駕駛員轉矩需求MAP查得，再根據TR12求得該階段大電機MG2、制動器B1的目標轉矩分別為

表2 不同階段目標轉矩求解

TMG2=-TR12/i2

(8)

(9)

2.2.2 B1打開過程的純電動階段

當車輛加速或需要爬坡時，純電動滿足不了需求，須起動發動機，此時制動器B1迅速打開，為控制發動機在零轉速點，大小電機轉矩TMG1、TMG2共同驅動，此階段系統等效杠桿和控制框圖分別如圖7和圖8所示。

此階段的已知變量、目標變量和轉矩求解函數如表2中序號(b)所示，其中TICE等于制動器B1傳遞的轉矩TB1，求得該階段電機MG1、MG2的目標轉矩分別為

(10)

(11)

2.2.3 起動發動機階段

等到制動器B1完全打開后，小電機MG1在當前純電動驅動轉矩TMG1上疊加額外拖轉轉矩TMG1′拖轉發動機至怠速轉速。同時，大電機MG2在當前純電動驅動轉矩TMG2上疊加補償轉矩TMG2′以消除MG1拖轉轉矩對輸出端造成的影響，此階段系統等效杠桿和控制框圖分別如圖9和圖10所示。

此階段的已知變量、目標變量和轉矩求解函數如表2中序號(c)所示，TICE為發動機的拖轉阻力矩，通過電機控制器反饋比較準確的電機轉速nMG1、nMG2計算得到發動機的實際轉速nICE，從發動機拖轉阻力矩MAP查得其阻力轉矩TICE，發動機的角加速度可根據目標怠速轉速nidle和起動時間確定。該階段電機MG1、MG2的目標轉矩分別為

TMG1=((i2-1)TR12+i2TICE-(JMG1(i1-1)(i1-i2)+

i2JICEαICE))/(i1-i2)

(12)

TMG2=-((JMG2(i2-1)(i1-i2)-i1JICE)αICE+

(i1-1)TR12+i1TICE)/(i1-i2)

(13)

2.2.4 混合動力階段

當發動機轉速達到怠速轉速后，迅速噴油點火，發動機、MG1、MG2共同輸出轉矩，驅動車輛行駛。由于發動機動態轉矩響應的延遲，須估算出其實際發出的轉矩，利用MG1、MG2轉矩補償控制來滿足駕駛員的轉矩需求，此階段系統等效杠桿和控制框圖分別如圖11和圖12所示。

圖12中TICE_op、nICE_op分別為混合動力階段發動機的最優目標轉矩與最優目標轉速，可以根據動力系統效率最優，利用當前車速和踏板行程從發動機最優轉矩MAP和最優轉速MAP查得，得到的最優發動機目標轉矩送入發動機控制器，發動機目標角加速度利用當前發動機實際轉速和目標發動機轉速確定。

此階段的已知變量、目標變量和轉矩求解函數如表2中序號(d)所示，函數中TICE為發動機實際發出的轉矩，可根據式(1)～式(7)進行估算：

TICE_estimate=((i1-1)(TMG1_act-JMG1αMG1)+(i2-1)·

(TMG2_act-JMG2αMG2)+JICE(αMG2i1+αMG1i2))/(i1+i2)

(14)

式中TMG1_act、TMG2_act可由電機控制器反饋的實際轉矩信號得到，αMG1、αMG2可由電機控制器反饋的實際轉速信號求導得到。求得該階段電機MG1、MG2的目標轉矩分別為

TMG1=((i2-1)TR12+i2TICE_estimate-

(JMG1(i1-1)(i1-i2)+i2JICEαICE))/(i1-i2)

(15)

TMG2=-((JMG2(i2-1)(i1-i2)-i1JICE)αICE+

(i1-1)TR12+i1TICE_estimate)/(i1-i2)

(16)

3 仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真平臺對所提出的轉矩協調控制策略進行仿真驗證，各關鍵零部件參數如表3所示，仿真結果如圖13和圖14所示。

表3 動力系統關鍵零部件參數

圖13為有無發動機轉矩估計電機轉矩補償協調控制的對比仿真結果。圖中運行模式不同的值代表不同階段，4、5、2、1分別表示B1鎖止純電動階段、B1打開純電動階段、起動階段和混合動力階段。圖14為模式切換過程動力源轉矩仿真結果。從圖13可以看出，整車控制器在8.15s發出模式切換指令，制動器B1迅速打開，進入純電動階段，在8.35s B1完全打開后，MG1、MG2協調控制拖轉發動機，發動機從靜止到怠速的時間為0.3s，穩定0.5s后，發動機噴油點火進入混合驅動模式。此時如果不進行發動機轉矩估計，僅進行穩態轉矩分配，即電機MG1、MG2未進行轉矩補償控制，其轉矩會產生突變(見圖14中的實線)，并且由于實際過程中發動機瞬態轉矩的延遲，會導致齒圈輸出端的轉矩大幅波動，其峰峰值達68N·m，整車沖擊度較大，其絕對值的最大值大于德國的沖擊度限制值10m/s3；若進行發動機轉矩估計，并利用估計值進行電機轉矩補償協調控制，則電機MG1、MG2轉矩變化平緩(見圖14中的虛線)，齒圈輸出端轉矩(發動機和電機MG1與MG2轉矩的耦合結果)波動峰峰值減小至32.5N·m，整車沖擊度小于其現值10m/s3。

仿真結果表明，基于發動機轉矩估計+電機轉矩補償的模式切換動態協調控制策略能有效降低輸出端轉矩波動，減小切換過程車輛沖擊度，在滿足駕駛員轉矩需求的前提下，提高了車輛的行駛平順性。

4 結論

(1) 建立了復合功率分流混合動力系統的動力學模型，并基于轉矩解耦的控制方法來求解不同模式下動力源的目標轉矩，解決了功率分流系統多自由度的轉矩協調和轉矩平衡控制問題。

(2) 利用杠桿法分析了系統從純電動驅動模式切換到混合驅動模式每一階段的控制策略，并利用轉矩求解函數得到各階段動力源的目標轉矩，在此基礎上提出了發動機轉矩估計+電機轉矩補償的轉矩協調控制策略，以抑制模式切換過程中輸出端的轉矩波動。

(3) 所提出的模式切換轉矩協調控制策略能夠有效減小復合功率分流混合動力系統由純電動驅動模式切換到混合驅動模式過程中輸出端轉矩波動和整車的沖擊度，提高了車輛的行駛平順性。

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Coordinated Control of Driving Mode Switching ofCompound Power-Split Hybrid Electric Car

Zhao Zhiguo1, Dai Xianjun1, Wang Chen1,2, Zhang Tong2& Yuan Xiyue1

1.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.ShanghaiMapleAutomobileCo.,Ltd.,Shanghai201501

For the coordinated control of torque in the driving-mode switching process of a hybrid electric car with double-planetary-gear-based compound power split system, a control technique based on torque decoupling is adopted to solve out the objective torque of power source at different switching phases. On this basis, aiming at the problem of output torque ripple and the difficulty in accurately determining the actual torque of engine, a coordinated control strategy for driving-mode switching is proposed based on engine torque estimation and motor torque compensation, and a verification simulation is conducted on Matlab/Simulink platform. The results show that the proposed strategy can effectively reduce the output torque ripple and vehicle jerk in driving-mode switching process.

engine torque estimation; power split; mode switching; coordinated control

*國家自然科學基金(51275355)和國家863計劃項目(2012AA111201)資助。

原稿收到日期為2014年8月13日，修改稿收到日期為2014年11月15日。