混合動力汽車電動機輔助控制策略研究

薛濤

延安職業技術學院，陜西延安 716000

0 引言

隨著全球環境和資源等問題的日益突顯，為降低汽車排放，目前全球主要汽車制造企業的發展方向已從傳統燃油汽車轉向新能源汽車。現階段我國新能源汽車技術處于快速發展和推廣期，同時隨著驅動電機、動力電池的不斷技術突破與創新，新能源汽車產業成為我國節能減排的重要途徑。新能源汽車目前主要包括純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車3種類型，其中混合動力汽車是傳統汽車向純電動汽車過渡的理想方案。2021年中國新能源汽車產量達354.5萬輛，較2020年增加了217.90萬輛，同比增長159.52%，占全國汽車總產量的13.59%。新能源汽車占比增加，可有效平衡能源與經濟發展之間的矛盾，目前也是我國汽車發展的一項重要措施。混合動力汽車相較于傳統燃油車動力結構，主要增加了驅動電機，且動力電池作為儲能裝置。本文通過制定合理的電動機輔助控制策略可實現整車最優動力性和經濟性，在車輛開發仿真階段中，控制策略邏輯設計發揮著重要的作用。

1 整車結構與技術參數

1.1 整車結構

混合動力汽車結構主要分為串聯式、并聯式以及混聯式3種類型，其中混聯式結構兼顧了前兩種結構的優點，系統可有效發揮整車動力性和經濟性。本文以混聯式結構為研究基礎，動力系統中發動機與驅動電機MG2分別在輸出端設置離合器與變速器連接，可實現兩種動力源獨立驅動車輛，如圖1所示。另外，系統還設置發電起動一體機MG1及蓄電池。變速器采用“兩軸+平行軸”結構，分別與驅動電機和發動機連接，最后共同作用于主減速器輸出動力。系統結構的主要特點表現在發動機和驅動電機MG2輸出軸上安裝離合器，動力系統在工作時，控制策略根據動力需求控制離合器工作，通過各部件協調輸出動力，滿足車輛行駛，最后可實現車輛的多種動力需求。

圖1 混聯式混合動力汽車結構

1.2 系統技術參數

本文以較為成熟的混合動力汽車作為研究對象，依據整車動力總成系統參數，并利用AVL CRUISE軟件完成整車仿真模型的建立及仿真分析。選用某公司生產的混合動力汽車作為仿真測試的參考車型，動力系統基本技術參數見表1,其中驅動電機MG2類型為永磁同步電機，發電機MG1類型為ISG。測試車型技術參數見表2，其中車輪規格為205/55 R16。

表1 動力系統基本技術參數 單位:kW

表2 測試車型技術參數

2 整車模型

根據車型結構建立整車模型,如圖2所示。在仿真軟件中根據需求設置車輛各部件，主要完成整車參數、發動機、蓄電池、離合器、發電機MG1、驅動電機MG2、變速器等主要動力系統部件。同時根據控制策略需求設置駕駛員和Matlab-Interface等控制模塊，其中動力和能量傳遞部件主要通過機械連接和電氣連接來完成。機械連接主要表現為動力傳遞方向，由發動機、驅動電機、離合器、變速器等部件來完成；電氣連接主要表現為能量流傳遞方向，由動力電池、發電機和驅動電機來完成。機械連接和電氣連接信號遵循整車控制策略的輸入和輸出變量。

圖2 整車仿真模型

3 控制策略設計

3.1 電動機輔助控制策略

能量控制策略是混合動力汽車整車運行的頂層邏輯，其合理性可有效協調各動力部件的輸出效率，最后提升整體性能。另外，能量控制策略的穩定性決定車輛工作模式的切換，隨車輛動力需求的變化，控制策略的快速響應同樣影響車輛的整體性能。現階段能量控制策略可分為兩類：基于規則和基于優化的能量控制策略。本文根據車型需求與控制變量選擇基于邏輯規則中的電動機輔助控制策略，其動力系統轉矩與速度的邏輯關系如圖3所示。

圖3 動力系統轉矩與速度的邏輯關系

電動機輔助控制策略特征主要體現在通過蓄電池的狀態變化來控制發動機和驅動電機的工作狀態，車輛行駛中所需功率主要根據需求功率變化來判斷發動機的工作與否和驅動電機的介入情況。電動機輔助控制策略劃分了發動機工作區域和驅動電機介入條件。動力系統可實現動力部件獨立工作，也可驅動電機輔助動力。發動機和動力電池兩者協調動力輸出，保持整車運行穩定，同時也能保持蓄電池充電和放電正常，延長其循環壽命和避免過充和過放。

3.2 控制參數確定

根據電動機輔助控制策略設置運行模式，詳見表3。

表3 運行模式設置

根據運行模式，需設置蓄電池上下限值、發動機介入車速、制動能量回收最低車速、充電最大轉矩和充電功率上限。相關控制變量參數見表4。

表4 相關控制變量參數

3.3 基于SIMULINK控制策略設計

控制策略模塊如圖4所示，主要包括輸入信號、輸出信號、模式切換模塊、轉矩計算模塊和轉矩分配模塊。其中輸入信號和輸出信號是控制策略與仿真模型連接的數據，根據輸入信號數據，控制策略可計算出車輛此時所需轉矩等參數需求;模式切換模塊主要根據參數需求進行模式選擇，從而進行各動力部件的轉矩分配和信號輸出，滿足車輛行駛要求。

圖4 控制策略模塊

4 控制策略驗證

4.1 AVL CRUISE與MATLAB數據連接

CRUISE-Interface控制參數如圖5所示，驗證控制策略是否滿足仿真車型需求，需通過Interface模塊與控制策略連接實現信號數據處理。

圖5 CRUISE-Interface控制參數

4.2 仿真測試

圖6為車輛速度跟隨曲線，由圖可知，所設計控制策略可滿足NEDC循環工況。預期車速與實際車速吻合，只有在最高車速處，曲線出現輕微偏差。

圖6 車輛速度跟隨曲線

動力電池運行曲線如圖7所示。根據蓄電池電壓、等參數變化，蓄電池容量保持在60%左右，可穩定驅動電機供電。

圖7 動力電池運行曲線

整理仿真數據，可得出仿真車型動力性與經濟性參數，詳見表5。

表5 仿真車型動力性與經濟性參數

根據仿真測試數據可驗證此控制策略的正確性和穩定性，并得出電動機輔助控制策略符合設計方案，仿真測試數據符合車型相關技術參數要求。

5 結論

能量控制策略是汽車研發過程中的重要步驟，通過研究混合動力汽車控制策略，利用仿真軟件測試其合理性。仿真結果驗證了該控制策略符合車型技術參數要求，可實現各個運行模式切換，滿足車型不同動力需求，且經濟性能良好。由于此類型混合動力系統需要實現發動機和驅動電機系統耦合，為更精確控制系統需要，從參數匹配方式、軟件模型、控制策略和實車測試等方面進行優化。