混合動力汽車模式切換控制策略

彭耀潤，王金航，徐 寅，吳 蒙，李 歡

混合動力汽車模式切換控制策略

彭耀潤，王金航，徐 寅，吳 蒙，李 歡

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

混合動力汽車動力電池充電能力低時，電池充電能力無法兼顧模式切換調速發電和能量回收發電，滑行能量回收過程模式切換會引起整車不平順。針對此問題，提出一種混合動力汽車能量回收過程的模式切換控制策略。根據車輛實時信息識別模式切換類型和能量回收的狀態，模式切換類型為串聯切換并聯并且車輛處于能量回收狀態，通過降低發動機扭矩至斷油扭矩和延長模式切換的調速時間，減小調速過程發電機的發電功率。整車標定試驗結果表明，本研究的模式切換控制策略能夠保證輪端按照目標回收扭矩進行回收，并顯著提升了滑行能量回收過程模式切換的整車平順性。

混合動力汽車；能量回收；模式切換；調速發電；整車平順性

混合動力汽車因其節約能源、污染排放低等優點，成為當今汽車研究與發展的熱門領域[1-2]。混合動力汽車行駛過程中，其能量分配策略會根據具體行駛工況將混合動力汽車控制在不同的工作模式，然后在各個工作模式下分別控制各個動力源的工作狀態[3]。混合動力汽車在模式切換過程中常常伴隨離合器同步器的分離與接合，所以在模式切換過程中可能造成整車動力輸出不足或總輸出轉矩波動較大的問題，由此引起的瞬態沖擊會對整車的行駛平順性和乘坐舒適性產生影響[4-6]。

混合動力汽車在能量回收過程中，需要通過發電機發電將發動機轉速下拉以完成模式切換。混合動力汽車動力電池在低溫或滿電的情況下，電池充電功率小，能量回收和調速發電產生的充電功率遠大于電池的充電功率，如何實現電池低充電功率下能量回收與模式切換的協調控制，并保證電池不過充和整車平順性成為關鍵技術難點之一。本文以提高整車平順性為目標，對模式切換過程進行動力學分析并制定相應的控制策略，最后在低溫環境下進行整車標定試驗，試驗結果表明，設計的模式切換控制策略顯著提升了滑行能量回收過程模式切換時的整車平順性。

1 混合動力系統結構

本文所研究的混合動力汽車為串并聯構型的混合動力汽車，動力總成配置由發動機、動力電池、發電機、驅動電機、2擋混動專用變速箱等組成，如圖1所示。

圖1 混合動力汽車構型

該混動系統具備純電、串聯和并聯三種模式。通過控制離合器/制動器的接合或斷開組合形式，實現串聯模式與并聯模式之間的切換，以及并聯模式下不同擋位之間的切換。

2 混合動力汽車模式切換原理

混合動力汽車目標模式和當前模式不一致時，整車控制器通過控制離合器/制動器的斷開或接合，從當前模式切換到目標模式。在串聯模式，離合器和制動器斷開，發動機轉速和車速解耦。并聯模式分為并聯1擋和并聯2擋，發動機轉速和車速耦合。在并聯1擋，制動器接合，離合器分離，在并聯2擋，制動器分離，離合器接合。在并聯模式1擋和2擋切換時，切換過程離合器斷開，為增程模式，并聯模式擋位切換過程為并聯模式當前擋位-串聯模式-并聯模式目標擋位。駕駛員需求扭矩大時，目標模式為串聯模式，駕駛員需求扭矩小時，目標模式為并聯1擋或并聯2擋。當駕駛員踩大油門后松油門，整車會從驅動狀態變為能量回收狀態，動力擋切換至非動力擋，即從串聯模式切換至并聯1擋/2擋或并聯1擋切換至并聯2擋。動力擋對應的發動機轉速高，非動力擋對應的發動機轉速低，動力擋切換非動力擋時，發動機轉速需要下拉至非動力擋對應的發動機轉速。本文主要研究能量回收過程串聯模式切換并聯模式的模式切換控制，將串聯切換并聯的過程分為兩個階段，調速階段和離合器/制動器接合階段。

在串聯模式，驅動電機扭矩為

d=l/d（1）

式中，l為輪端扭矩；d為驅動電機至輪端的速比。

整車處于能量回收狀態時，d為負扭矩，能量回收產生的電池充電功率為

式中，d為驅動電機轉速；d為驅動電機的發電效率。

發動機處于工作狀態時，產生的電池充電功率為

式中，g為發電機扭矩；g為發電機轉速；g為發電機的發電效率；e為發動機扭矩；e為發動機轉速；e為發動機至發電機的機械傳動效率。

串聯模式，能量回收和發動機工作發電產生的電池充電功率為

在串聯模式切換并聯模式的調速階段，需要將發動機轉速下拉至并聯1擋或并聯2擋對應的發動機轉速。在調速階段，離合器/制動器斷開，還屬于串聯模式，能量回收產生的電池充電功率為

發動機調速是通過提高發電機扭矩將發動機轉速下拉，根據動力學公式有

f=gg（7）

式中，f為換算到發動機端的發電機扭矩；g為發電機扭矩；g為發動機到發電機的速比。

由式（6）和式（7）可知發動機調速過程需要的發電機扭矩為

式中，e為發動機及與發動機相連部件組成的整個部件的轉動慣量。

發動機調速過程產生的電池充電功率為

輪端能量回收和調速產生的電池充電功率為

可以看出發動機調速階段產生的功率由輪端回收功率、發動機工作和發動機調速產生的功率三部分組成。

離合器/制動器接合階段產生的電池充電功率為

在并聯模式，離合器完全接合，使用驅動電機進行發電，產生的電池充電功率表由能量回收功率和發動機的發電功率組成：

式中，ed為發動機到驅動電機的機械傳動效率。

由上述分析可知，在調速過程，調速會產生更多的發電功率。低溫下電池充電功率小，若輪端回收和發動機工作產成的功率大于或接近電池充電功率，此時模式切換調速會增加更多的充電功率。以往策略為保證模式切換成功且電池不過充，通過減小輪端回收扭矩，轉讓部分功率用于調速，但會造成輪端回收扭矩不線性，整車平順性差，因此，有必要制定合適的模式切換控制策略，提升模式切換過程的整車平順性。

3 混合動力汽車模式切換控制策略

由式（10）可知，模式切換調速階段影響電池充電功率的能量回收、發動機扭矩和發動機調速，減小上述各方面的功率，均可以減小對電池的充電功率。本文從減小發動機扭矩和發動機調速速度兩方面著手，設計模式切換過程的控制策略。檢測到輪端扭矩為負值時，判斷為整車處于能量回收狀態，設計的能量回收過程模式切換控制策略如圖2所示。

圖2 能量回收過程模式切換控制

在調速階段，發動機調速控制、發動機扭矩控制和離合器/制動器油壓控制同時進行。

1.發動機調速控制

根據發動機目標轉速和實際轉速進行比例、積分和微分（Proportional Integral Derivative, PID）閉環控制計算發電機目標扭矩，控制發動機實際轉速按照目標轉速逐漸過渡至目標擋位對應的發動機轉速。

2.發動機扭矩控制

輪端扭矩為負值時，發動機目標扭矩從當前扭矩快速按一定斜率減小至發動機斷油扭矩，使發動機徹底斷油。

請求發動機扭矩響應的方式為快扭方式，快扭能夠提升發動機扭矩響應的速度，快速減小發動機扭矩，避免發動機扭矩響應不及時，發動機的發電功率減小過慢。在發動機扭矩減小至斷油扭矩后，請求發動機扭矩響應的方式為慢扭方式，此時發動機斷油，無需發動機扭矩快速響應。

3.離合器/制動器壓力控制

目標擋位離合器/制動器的油壓預充至半接合點，不傳遞扭矩。

發動機實際轉速和目標擋位對應的發動機轉速間的轉速差小于一定閥值時，進入離合器/制動器接合階段。

離合器/制動器接合階段，控制離合器/制動器油壓快速上升，快速接合離合器/制動器。

在離合器/制動器接合階段的時間大于一定時間閥值時，判斷為模式切換完成，進入并聯模式。

在并聯模式下，發動機目標扭矩從斷油扭矩快速變化至0 Nm，然后按一定斜率逐漸恢復至發動機原始目標扭矩。

4 整車標定驗證

根據上述混合動力汽車模式切換控制策略進行軟件編寫，并進行模式切換控制優化前和優化后（本研究的模式切換控制策略）的整車標定試驗，優化前和優化后的整車試驗結果如圖3和圖4所示。

模式切換控制優化前，松油門后輪端按目標扭矩進行能量回收，在模式切換時，調速發電產生一定的電池充電功率，為保護電池不進行過充，減小輪端回收扭矩。輪端回收扭矩在模式切換調速階段時減小至0 Nm，模式切換調速完成后逐漸恢復到目標回收扭矩，滑行過程整車加速度變化幅度達0.9 m/s2，平順性差。

模式切換控制優化后，松油門后輪端按目標扭矩進行能量回收，在調速開始時檢測到輪端扭矩為負值，發動機扭矩從當前扭矩減小至斷油扭矩，發動機調速時間有所延長，發動機扭矩響應方式為快扭，模式切換過程輪端始終保持按目標扭矩進行回收，滑行過程整車減速度無變化，整車平順。

圖3 優化前整車試驗結果

圖4 優化后整車試驗結果

5 結論

分析了混合動力汽車模式切換過程的原理，提出了能量回收過程的模式切換控制策略，包括發動機調速控制、發動機扭矩控制和離合器/制動器油壓控制的控制策略，調速階段通過降低發動機扭矩至斷油扭矩，使發動機斷油，并延長模式切換的調速時間，減小調速過程的發電機的發電功率。整車試驗結果表明，本研究的模式切換控制策略能夠在動力電池充電功率無法兼容能量回收功率和模式切換調速發電的情況下，能夠確保輪端按照設計的目標回收扭矩進行回收，顯著提升了滑行能量回收過程模式切換的整車平順性。

[1] 劉翠,初亮,郭建華,等.并聯混合動力汽車驅動模式切換扭矩協調控制[J].華中科技大學學報(自然科學版),2013,41(12):85-89.

[2] 舒紅,秦大同,胡明輝,等.輕度混合動力汽車再生制動能量管理策略[J].機械工程學報,2009,45(1):167- 173.

[3] 巴特,高印寒,曾小華,等.混合動力汽車工作模式切換控制方案[J].吉林大學學報(工學版),2016,46(1): 22-27.

[4] 張欣,崔宇軒,薛奇成.PHEV行進間啟動發動機的轉矩協調控制策略[J].華南理工大學學報(自然科學版),2021,49(8):130-139.

[5] 梁俊毅,張建龍,殷承良.某型混合動力汽車協調換擋控制策略的研究[J].汽車工程,2015,37(12):1371- 1377.

[6] 于洋.搭載DCT的并聯混合動力汽車模式切換及協調控制研究[D].長春:吉林大學,2018.

A Mode Switching Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle

PENG Yaorun, WANG Jinhang, XU Yin, WU Meng, LI Huan

( Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

When the charging capacity of the power battery of the hybrid electric vehicle is low, the charging capacity of the battery cannot take into account the mode switching speed regulation power generation and energy recovery power generation, and the mode switching during the coasting energy recovery process will cause the vehicle irregularity. To solve this problem, a mode switching control strategy for energy recovery process of hybrid electric vehicle is proposed. According to the real-time information of the vehicle, the mode switching type and the state of energy recovery are identified. The mode switching type is series switching parallel and the vehicle is in the state of energy recovery. By reducing the engine torque to the oil cut-off torque and the speed regulation time of mode switching is extended to reduce the power generation of the generator during the speed regulation process. The results of vehicle calibration test show that the mode switching control method in this study can ensure that the wheel end can recover according to the target recovery torque, and significantly improve the vehicle ride comfort of mode switching during the coasting energy recovery process.

Hybrid electric vehicle; Energy recovery; Mode switching; Speed regulation power generation; Vehicle ride comfort

U468.7

A

1671-7988(2023)18-47-05

彭耀潤（1985－），男，碩士，工程師，研究方向為整車控制，E-mail:pyr1211@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.010