一種混合動力總成及其模式切換策略的研究

郝 成，宋文超，陳 賽，張 怡

（華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山 063000）

1 引言

本太陽能主流乘用車以太陽能電池為插電電源，在日常應用中實現以太陽能轉換的電能作為主要的能源動力。既繼承了電動車輛作為“綠色汽車”的節約能源和超低排放的優點，又彌補了電動車輛的續駛里程不足的缺點[1]。然而，該車在加速行駛引入發動機驅動的模式轉換過程中，存在發動機起動、離合器接合等動態過程，控制不當容易引起傳動系統輸出轉矩的突變，從而造成汽車輸出主軸轉速驟降，帶來整車沖擊問題，影響整車運行的平順性[2]。針對整車沖擊問題，文獻[3]提出了基于電機轉速閉環控制的混合動力汽車模式切換動態協調控制策略。采用基于斜率限制的發動機轉矩控制方法限制發動機轉矩變化率，減小了發動機轉矩突變造成的沖擊。文獻[4]則提出了一種“轉矩分配+發動機轉矩估計+電動機轉矩補償+補償系數修正”的協調控制策略。文獻[5]則利用功率流動態分配模型，根據駕駛員的期望狀態與車輛的實際狀態，提出了駕駛性能的指標函數，以此來提升汽車的駕駛性能。在文獻[6]中，針對從純電動切換到發動機驅動，提出“發動機調速+發動機/電機轉矩優化分配”協調切換控制策略。應用極大值原理，將二次型最優控制算法運用到控制策略中，并設計了狀態切換控制器，以保證動力傳遞的平穩性。文獻[7]通過各工作模式切換過程中機電動力耦合系統控制策略以及發動機和電機之間的動力協調控制算法，實現混合動力汽車各模式切換的平穩控制。

針對本太陽能主流乘用車模式切換的整車沖擊問題，提出了一種PID+Bang-Bang 控制的的發動機和電動機轉速差跟蹤控制策略。發動機和電動機轉速差按某一斜坡函數減小直至為零，通過PID+Bang-Bang 控制算法實現轉速差的跟蹤控制。實驗證明，此控制方法能夠有效保證模式切換時的整車平穩性。

2 動力總成結構及模式切換過程分析

2.1 太陽能主流乘用車動力總成結構

全自動一體化混合動力總成使用發動機和電機兩套獨立的動力系統驅動車輪，其結構特點是發動機和電動機動力在一根軸上混合，所采用的電機能工作在電動機和發電機狀態，完成啟動、驅動和發電工作，總體結構，如圖1 所示。在太陽能應用的背景下即使采用單軸并聯式混合動力系統這種最簡單的結構，其節能減排的指標也可以輕易超過市場上流行的最好的混合動力車型。

圖1 全自動一體化混合動力總成結構示意圖Fig.1 Fully Automatic Integrated Hybrid Powertrain Structure

2.2 模式切換過程分析

本太陽能主流乘用車總成智能控制器根據駕駛員加速踏板的開度等信息來確定車輛需求轉矩，加速運行情況下，智能控制器檢測到油門踏板控制信號持續增加，當電機的工作狀態無法滿足整車的轉矩需求，控制器即發出模式切換指令引入發動機運行。此時離合器接通發動機動力，電機提供發動機啟動動力，發動機和電機共同提供驅動功率。但離合器接合過程中，啟動發動機產生的負轉矩及發動機和電機動態響應特性的差異，會造成主軸轉速突變，進而影響整車的動力性和平順性。

3 動力總成原理及模式切換控制策略

3.1 動力總成及工作原理

全自動一體化混合動力總成采用單軸并聯式混合動力系統結構，其機械結構，如圖2 所示。其發動機和電動機均可以將動力傳遞至車輪，可以實現多種運行模式，即發動機、電動機既可以單獨傳遞動力，也可以同時傳遞[8]。

圖2 全自動一體化混合動力總成機械結構Fig.2 Structure of Fully Automatic Integrated Hybrid Powertrain

3.1.1 離合器及其原理

發動機和電機之間的動力傳輸采用電動摩擦離合器，如上圖所示，軸內彈簧彈力作用于帶有外花鍵的從動盤軸，使從動盤和摩擦片壓緊，接通發動機和電機軸動力傳遞。離合器接合過程中，可以通過從動盤上的電動推桿推動撥叉，控制離合器壓力的大小，撥叉帶有應變片，用來檢測撥叉彈力大小。離合器壓力可以表示為：

式中：Fs—軸內彈簧彈力；Fb—撥叉彈力。

3.1.2 發動機和電機的選取

本太陽能主流乘用車以太陽能轉換的電能為主要能源動力，故發動機功率只需滿足定速巡航即可，可選擇小功率發動機，并且不需要低速運行，可選擇較少的缸數。同時采用同步磁阻電機，其制造不需要消耗稀有金屬和稀土資源，以太陽能轉換的電能為主要能源及一體化的設計克服了同步磁阻電機體積重量較大不利于節能的缺點。

因此，一體化的發動機——電動/發電機中發動機部分2 缸750ml，電動機部分設計為額定功率6kW，峰值功率12kW 的同步磁阻電機，可使車輛達到主流乘用車所需要的基本性能指標。

3.2 模式切換控制策略

動力系統從電機單獨驅動切換至聯合驅動過程中，所需時間很短，我們可以看作切換時的汽車加速度不變，即電機、主軸轉速期望值恒定，發動機轉速從零快速上升至與電機轉速相同。智能控制器檢測電動機和發動機轉速，根據電動機和發動機轉速，按需要的特性控制離合器摩擦力的大小。針對動力切換時主軸轉速突變及整車沖擊問題，通過控制電動機和發動機轉速差按照某斜坡函數逐漸減小直至為零，以此實現模式切換時的整車平穩運行。斜坡函數可以表示為：

式中：Δn—電動機和發動機轉速差；c—轉速差初始值；k—系數。

同時，為實現電動機和發動機轉速差按期望值變化，采用“PID+Bang-Bang 控制”的控制方法對轉速差進行跟蹤控制。轉速差控制系統結構圖，如圖3 所示。其中，e（k）表示電動機和發動機轉速差期望值和實際值的偏差。

圖3 電動機和發動機轉速差控制系統流程圖Fig.3 Flow Chart of Motor and Engine Speed Difference Control System

3.2.1 Bang-Bang 控制

Bang-Bang 控制是一種時間最優控制，其結構簡單、操作便捷，能夠加快系統響應速度。采用Bang-Bang 控制，控制器輸出只有兩種狀態，即最大和最小兩個極限位置，當轉速差偏差大于某一閾值時，輸出量取最大，反之取最小[9]。Bang-Bang 控制表達式為：

3.2.2 PID 控制

模式切換過程中，采用Bang-Bang 控制可以實現切換時間上的最優，然而由于其只存在最大和最小兩種輸出狀態，無法滿足轉速精度上的控制，故引入PID 控制。PID 控制具有良好的適應性和靈活性，能夠在切換過程中獲得很好的控制效果[10]。當|e（k）|≤ε時，系統進入PID 控制環節，使其控制精度大大提升。其控制方程表示為：

式中：u（t）—控制器輸出；e（t）—轉速差期望值和實際值的偏差；KP—比例系數；TI—積分系數；TD—微分系數。

4 仿真與結果分析

針對提出的混合動力總成，通過Matlab/Simulink 建立單軸并聯式混合動力系統模式切換仿真模型，動力系統仿真模型主要參數，如表1 所示。

表1 太陽能主流乘用車主要參數Tab.1 Main Parameters of Solar Mainstream Passenger Cars

動力模式切換前，電機單獨驅動，當智能控制器發出模式切換指令，引入發動機驅動，發動機轉速按需要的特性快速上升至與電機相同轉速，通過試驗，斜坡函數系數取值為-176 效果最佳，發動機、電機轉速仿真結果，如圖4 所示。從圖中可以看出，動力切換時電機轉速為265rad/s 保持不變，電動機和發動機達到同速所需時間為1.2s。

圖4 切換時發動機和電機轉速Fig.4 Engine and Motor Speed when Switching

在離合器接合過程中，電機不僅需要驅動汽車運行，還需提供發動機啟動動力，故離合器接合初始階段主軸轉速會發生驟降。此外，由于發動機和電機切換時動態差異而造成的轉矩波動，同樣會對主軸轉速產生影響。太陽能主流乘用車有無模式切換控制策略的仿真結果對比，如圖5、圖6 所示。

圖5 切換過程中主軸轉速誤差Fig.5 Spindle Speed Error During Switching

圖6 切換過程中整車沖擊度Fig.6 Overall Vehicle Impact During Switching

由圖5、圖6 可知，使用模式切換控制策略的最大主軸轉速誤差為18rad/s，完成切換所需時間為1.2s，整車沖擊度最大絕對值為8，小于德國的沖擊度限制值10。而未使用模式切換控制策略調的最大主軸轉速誤差為27rad/s，完成切換所需時間為1.5s，整車沖擊度最大絕對值為13.5，大于所要求的限制值。對比兩種控制效果可知，使用所提模式切換控制策略能夠有效地減小動力切換時主軸轉速波動，同時切換所需時間及整車沖擊度也得到明顯改善，達到了太陽能主流乘用車動力平穩切換的目的。

5 結論

（1）所提出的一種針對太陽能主流乘用車的全自動一體化混合動力總成，其動力性能能夠達到傳統主流乘用車的要求。

（2）針對混合動力汽車加速運行情況下，引入發動機驅動而造成的整車沖擊問題，提出的一種基于“PID+Bang-Bang 控制”的發動機和電動機轉速差跟蹤控制策略，能夠有效地實現乘用車動力模式切換時的平穩運行，可行性通過仿真實驗得到驗證。