電動四驅混合動力汽車扭矩分配控制

李紅超 劉徹

（長城汽車股份有限公司；河北省汽車工程技術研究中心）

在混合動力車型的開發過程中，國內外各大汽車公司根據市場定位、技術路線等的不同，推出了多種不同的混合動力車型，其中電動四驅（E4WD）混合動力汽車是近年來較新的車型，它是在ISG/BSG混動車的基礎上，加入了一個后軸驅動電機（Electric Rear Axle Drive Motor），該電機通過減速齒輪與后軸相連。E4WD車型具有良好的經濟性，同時具有良好的操縱性能。混合動力整車控制器（HCU）通過使用或禁用不同的動力源可實現兩驅、四驅和純電3種不同的驅動模式，同時在滑行和制動工況下，可實現能量回收。E4WD混合動力車型結構簡單，易于在傳統汽車的基礎上進行改造，已成為各大車企重點研發的車型[1]。為此，文章對電動E4WD動力系統的工作模式進行分析，并在技術上對其關鍵控制參數進行設計。

1 系統結構

E4WD混合動力汽車是在發動機前置前驅的基礎上，通過增加前電機和后電機以及電池構成E4WD混合動力系統。前軸由發動機和前電機聯合提供動力，并通過變速器將動力輸出，經前軸差速器分配給兩前輪。后軸由后電機提供動力，經后軸差速器分配給兩后輪。前電機和后電機均為可逆電機，既可以工作在電動機模式為汽車提供驅動力，也可以工作在發電機模式產生電能。電池作為儲能裝置存儲電機產生的電能和向電機提供電能。

2 行駛工況

2.1 起步工況

傳統內燃機汽車在起步工況下，需要在低轉速下輸出較大的扭矩，此時的燃油經濟性較差。因此，為避免出現這樣的情況，當汽車在10 km/h的速度閥值以下，高壓電池荷電狀態（SOC）水平高于閥值時，汽車起步為后軸電機輸出100%的扭矩。若電池的SOC低于閥值，則發動機也將參與汽車的起動，汽車起步工況能量流，如圖1所示。

圖1 電動四驅混合動力汽車起步工況能量流圖

2.2 勻速工況

汽車以10～70 km/h的速度勻速行駛時，系統認為汽車在中低速行駛，此時可實現E4WD功能。在轉角為0°的情況下，HCU將前后橋扭矩比例調整至60/40，此時起動功能發電機（BSG）將提供一個持續的能量給電池和后軸電機供電，以保證電池有足夠的能量提供給電機，滿足有可能產生的加速工況。中低速勻速工況能量流，如圖2所示。

圖2 電動四驅混合動力汽車中低速勻速工況能量流圖

汽車以70 km/h以上的速度進行勻速行駛時，系統將認為汽車在高速行駛。為保證汽車的行駛穩定性，降低電池的電量消耗，HCU將前后橋扭矩分配比例提高，直至前橋輸出100%的扭矩，同時前軸BSG電機將持續給電池充電。高速勻速工況能量流，如圖3所示。

圖3 電動四驅混合動力汽車高速勻速工況能量流圖

2.3 加速工況

在高壓電池的SOC水平高于閥值，汽車速度低于70 km/h，并有小加速的情況下，HCU將增大后軸電機的扭矩輸出比例，以保證汽車扭矩輸出的及時性，使顧客有較好的加速體驗。E4WD混合動力汽車小加速工況能量流，如圖4所示。

圖4 電動四驅混合動力汽車小加速工況能量流圖

如果駕駛員繼續增加油門踏板力度，高壓電池SOC水平高于閥值，HCU將同時增加發動機及后電機的扭矩,以保證汽車具有良好的動力性。E4WD混合動力汽車大加速工況能量流，如圖5所示。

圖5 電動四驅混合動力汽車大加速工況能量流圖

當車速超過70 km/h后，為了保證行駛穩定性，HCU將降低后電機扭矩，同時增高發動機扭矩輸出，此扭矩比例調整過程保證了總的扭矩輸出依照油門踏板深度的增加而增加，期間轉化過程平順，駕駛員不易察覺。

2.4 減速工況

當駕駛員踩下制動踏板后，制動能量回收系統將協調液壓和電機制動力矩，同時控制真空制動助力器的電動真空泵。駕駛員通過踩下制動踏板解耦后軸的制動回路，有意增大制動踏板的行程，汽車最初會僅由連接到后軸的電機施加制動，并產生電力，系統能通過踏板的位置判斷出需要多大的發電機力矩。E4WD混合動力汽車制動能量回收工況能量流，如圖6所示。

圖6 電動四驅混合動力汽車制動能量回收工況能量流圖

如果駕駛員加大踏板的力度，額外的液壓制動力矩將按普通的方式施加于汽車的前軸，從而使得汽車前后軸都實施制動。如果發電機無法在后軸上產生足夠的制動力矩，系統會利用液壓調節器生成額外的制動壓力。液壓和電動機間的轉換過程十分平順，駕駛員甚至察覺不到，汽車的表現和踏板感也與普通汽車無異[2]。

3 行駛經濟性影響參數調整

決定整車經濟性的關鍵控制參數可分為2類。

一類參數影響工作模式的選擇，根據當前的運行狀態選擇最經濟的工作模式。汽車速度對模式的選取起到重要的作用，所以速度閥值的選取直接影響工作模式的選擇。上述模式以低于10 km/h為低速工況，高于10 km/h低于70 km/h為中速工況，高于70 km/h為高速工況，此閥值的選取應綜合考慮汽車動力性、行駛穩定性及燃油經濟性，發動機的性能參數將對其速度閥值的選取起到決定性影響作用。

另一類參數影響給定工作模式下不同動力源之間的扭矩分配，從而在該工作模式下獲得最優的經濟性，高壓電池SOC閥值就為這一類參數。上述大部分模式均為SOC高于閥值時的能量流，但是如果某個模式下高壓電池SOC低于閥值，那電池中的能量將不可用，此時HCU必將增加發動機的扭矩比例以補充后電機扭矩減小的空缺，此閥值的選取受到電池充電、放電能力的影響[3]。

4 結論

文章通過對E4WD混合動力汽車扭矩分配控制的分析，提高了E4WD車型控制邏輯及各類閥值的匹配設計能力，克服了控制邏輯設計不當導致的經濟性下降、動力性不足的問題，同時作為新能源汽車E4WD車型，其克服了純電動汽車續航里程短、充電時間長的缺點，彌補了傳統四驅汽車燃油經濟性差的不足，為今后各大車企提高新能源車型開發能力提供了參考。