插电式四驱强混汽车整车控制策略开发

肖 岩，何 彬

（奇瑞新能源汽车技术有限公司，芜湖 241002）

插电式混合动力系统作为新的混合动力系统的研究方向，越来越多汽车公司在发展混合动力汽车与电动车之际，都会将插电式系统考虑进去，基于混合动力技术和纯电动技术的插电式混合动力系统已呈趋势。

丰田普锐斯 Prius于1997年10月底问世，是世界上最早实现批量生产的混合动力汽车，采用了基于行星齿轮机构的强混合动力系统THS。插电式普锐斯基于第三代丰田混合动力系统进行了局部改进设计，在JC08日本工况下的纯电动行驶里程为23.4公里，能涵盖日本人50%每天行驶距离的要求。通用汽车公司于2010年11月正式量产增程式电动汽车Volt，该车采用行星齿轮机构加三个离合器的动力系统结构，纯电动行驶里程为64公里，能涵盖美国人75%每天行驶距离的要求。

本文所描述的控制策略是基于奇瑞已有的ISG、AMT和电驱技术而开发的四驱强混合动力系统。

1 系统结构

1.1系统方案

汽车前轮由ISG （Integrated Starter and Generator）电机与发动机同轴耦合组成动力系统驱动，后轮由电动机驱动的电子后桥驱动。两套动力系统可根据不同工况单独或同时工作，以取得良好的动力性和经济性。车载高性能锂电池作为电动机的驱动电源，电池可由车载的发电机充电，也可外接220伏电源充电。具体参见图1的四驱强混合动力系统结构图。

整车各附件系统采用电动化部件，包括电动空调、电动助力转向系统EPS、电动制动助力真空泵等。车辆配备ESP电子稳定性系统。

经济性方面有以下三点优势：纯电动模式不需要电动油泵，AMT传动效率高；低速串联模式，优化发动机冷启动暖机过程或优化发动机工作点；高速驱动电机可断开，减少摩擦、弱磁损耗。

动力性方面有以下两点优势：发动机、ISG、驱动电机三者驱动力可叠加，双电机之间不存在电功率循环，车辆加速性能好；可实现四轮驱动，提高车辆在低附着路面上的通过能力。

1.2 系统关键零部件

四驱强混合动力车辆的结构，前驱动力系统由发动机和ISG电机同轴组成，装载AMT手自一体变速器系统。ISG电机控制器结合逆变器一起完成对ISG电机的控制，实现ISG模式控制、扭矩输出和速度控制等多种功能。

EMS（Engine Management System）实现对发动机系统的管理，完成发动机的喷油点火、电子节气门、扭矩输出等的控制。在强混合动力系统中EMS不控制发动机主动输出扭矩，而是作为子系统之一响应混合动力控制器HCU （Hybrid Control Unit）的扭矩需求指令及自动停机功能。发动机的启动则是通过ISG电机启动，具有响应速度快、启动噪音低等优点。

后驱系统为一功率较大的驱动电机TM（Traction Motor），装载集成减速器与差速器的电子后桥系统，电子后桥的结合与断开都可由HCU完成管理。驱动电机控制器结合逆变器完成对后驱系统TM控制，实现驱动电机的扭矩输出、模式控制等功能。

高压动力电池为ISG电机与后驱电机的动力源，且经过DCDC转换器后还承担了对低压蓄电池和整车低压电气系统的负载能力。BMS（Battery Management System）承担对动力电池的管理，称之为动力电池管理系统，BMS通过采集动力电池的模组电压、电流、温度等信息并用大量的试验数据做校正计算动力电池的 SOC（State of Charge）、SOH（State of Health）及最大（小）允许放电电流等信息，并将这些信息发送至整车CAN网络中。

车载充电机（Charger）可完成对动力电池的外接充电功能，且在充电过程中充电机与BMS进行信息交互，确保充电过程安全可靠。

TCU是专门控制AMT机构进行选换挡动作的控制器，且选换挡控制指令则由混合动力控制器HCU负责发送。在此强混合动力控制系统中TCU并不对排挡杆位置进行采集，其采集油压、选换挡位置并结合前轴等效电子油门踏板开度、制动踏板等信息实现选换挡。

车辆稳定性控制系统ESP（Electronic Stability Program）通过采集轮速、方向盘转角、加速度等信息实现对车辆的动态稳定性监测，并实时向HCU发送最大许可安全扭矩，确保车辆在各种工况下驱动扭矩与再生制动扭矩在合理安全的范围内，进而保证车辆行驶安全。

混合动力控制器HCU是四驱强混合动力系统的核心，HCU 通过 CAN（Controller Area Network）网络实现与 TM 控制器、ISG 控制器、BMS、TCU、EMS、ESP等节点的连接与信息交互，并可实现对油门踏板、制动踏板位置、排挡杆位置、制动真空压力等信息的采集，综合各节点的信息控制车辆工作在合理的工作模式，将扭矩指令与工作模式通过CAN发给ISG、TM、EMS等扭矩执行机构执行。

HCU同时还可实现对整车附件系统的管理，比如根据制动真空压力打开或关闭真空助力泵，帮助驾驶员实现有效且轻松的刹车动作，根据ISG/TM电机温度打开或关闭冷却水泵和冷却风扇实现对电驱动系统的冷却，根据动力电池模组温度、单体电压等信息计算动力电池最大（小）充放电功率等。

1.3 系统网络构架

由于强混合动力系统结构复杂，电控节点也较多，全部在一条CAN网络上会造成CAN网络负载率过高，因此有必要设计两条CAN网络分别搭载网络信息，且以HCU为转发网关。混合动力系统节点如 HCU/BMS/ISG/TM/充电机/均衡器/EPS（Electronic Power Steering）可以搭载在 CAN1，EMS/ESP/TCU/仪表及车身控制器可以搭载在CAN2，这样既可靠，又方便了信息交互。

2 系统功能

2.1 功能概述

此系统可以有效的实现智能四轮驱动、纯电力驱动及其常规混合动力的串、并联式驱动方式，并在各驱动模式下智能分配再生制动扭矩来实现能量的回收。系统控制策略施行分层化控制，由混合动力控制器HCU来协调控制各子系统实现。整车控制主要功能如下：

1）高压系统上下电管理；

2）驾驶员需求扭矩解析；

3）扭矩平滑；

4）车辆驱动模式判定；

5）扭矩分配；

6）换挡控制；

7）电驱动系统过温、过压、过流、堵转等保护策略；

8）在线故障诊断；

9）扭矩安全监控。

2.2 高压系统上下电管理

高压系统继电器分布分为主正、主负和预充继电器，即吸合时先吸合预充和主负继电器，待预充电阻端电压达到一定值时，吸合主正继电器，断开预充继电器，完成高压系统上电。下电过程则是先卸载，再断开主负和主正继电器。

上下电管理可从以下三方面来考虑控制策略；第一是高压系统正常状态下的上下电时序管理。正常状态下初始化时对高压系统安全监测和对预充电继电器诊断完成，下电前先完成对高压系统的卸载，防止主继电器粘连；第二是对高压电池故障、碰撞状态下管理，整车发生碰撞后，软件先进行保护和硬件延时断开机制；第三是须考虑极端情况下的高压主动放电功能。

2.3 驾驶员需求扭矩解析

驾驶员需求扭矩是一些扭矩需求的合集，其中包含了从电子油门踏板位置解析的驾驶员需求扭矩、自动爬行需求扭矩、制动回收需求扭矩、自动巡航需求扭矩及ESP所提供的限制需求扭矩，这些需求扭矩最终经过仲裁后得到轮上需求扭矩。

2.3.1 驾驶员需求扭矩管理

此扭矩解释是根据加速踏板位置、车速、系统最大扭矩能力确定，解析的扭矩即为当前驾驶员所需求的整车车轮（轴）需求扭矩。如图2三维表中所示，由车速、油门开度查表得到的轴上需求扭矩，同时要保证最终扭矩的输出符合踏板感觉（Pedal Feeling）。

2.3.2 自动爬行需求扭矩管理

自动爬行控制（Creep）功能是在驾驶员不踩制动踏板，不踩油门踏板且在驱动挡的条件下，由后驱电机模拟带液力变矩器自动变速器车辆提供较低的驱动扭矩供车辆在低速条件下行驶，提高城市拥堵路面等条件下的驾驶舒适性。

Creep的控制策略可以对后驱电机输出扭矩进行开环控制，对电机转速实行速度闭环控制，并能根据油门踏板开度和车速抵消Creep扭矩。Creep最终需求的扭矩计算是由电机反馈扭矩、坡道阻力矩、加速度阻力矩之和组成。

2.3.3 制动回收需求扭矩管理

图3给出了串行模式时回收力矩与液压制动区域划分的示意，强混合动力系统前ISG与后TM电机可同时或分开进行制动能量回收，回收效率较高，可有效提高整车经济性。

ESP解释制动扭矩需求，HCU确定电机制动扭矩限制值，电机控制器进行再生制动扭矩的控制，且ESP根据电机实际制动扭矩和总制动扭矩需求，调节液压制动力。

2.4 扭矩平滑

扭矩平滑是对ISG、TM和发动机三个扭矩输出机构的平滑，常规的IIR滤波算法对处理单动力源的车型比较有利，但是在强混合动力系统的车辆上必须开发主动减振控制方法，减小前后驱系统传动系统的扭振、齿轮间隙及发动机振动，特别是在车辆起步、急加速、急减速等过渡工况。

如图4所示，主动减振控制是将扭矩平滑区域划分为前进、倒挡和回收制动三个区域，每个区域内对扭矩的上升和下降分别做平滑。

2.5 车辆驱动模式判定

车辆驱动模式按照驾驶员需求、整车运行状态及电驱动系统最大提供的扭矩综合进行划分，从初始化模式开始分为如下四种控制模式：

1）纯电动驱动模式（EV）

由TM单独提供扭矩输出，发动机停机，前轴传统系统保持在空挡位置不参与驱动。

2）串联混合动力模式（Series）

HCU控制ISG启动发动机进行暖机，带动ISG电机给动力电池充电，充电量既可以用于后轮电机驱动整车，也可以将能量存储在动力电池中。发动机虽然运行但是前轴TCU控制AMT系统保持在空挡位置，前轴不参与驱动。

3）并联混合动力模式（Parallel）

发动机启动并带动ISG电机驱动整车，后轮纯电动驱动系统关闭，AMT系统根据车速和当前油门开度挂入合适的档位参与驱动。

4）四驱混合动力模式（4WD）

驾驶员需求或者低速大油门时，车辆智能进入四驱控制模式，前轴发动机和ISG电机输出驱动扭矩，HCU会将前轴发动机和ISG的输出扭矩累加后等效的油门踏板开度发送至TCU，TCU控制AMT系统结合合适的档位。后轴TM电机输出驱动扭矩，由电子后桥实施变速并带动后轴驱动轴运转，车辆完全处于四轮驱动模式。整个过程中ESP全程参与并提供实施监测。车辆退出四驱模式优先进入并联混合动力驱动模式。

与此同时，HCU根据动力电池SOC的剩余量进行划分能量消耗Charge Sustaining（CS）和能量保持Charge Depleting（CD）阶段。图5和图6分别给出了电力驱动模式和混合动力驱动模式下的SOC与里程关系，发动机的开启和关闭是为了保持动力电池电量平衡。

车辆在不同的模式切换之间，HCU结合当前发动机水温、驾驶舱车门、引擎盖是否关闭等信息决定发动机的启停。例如当车辆由Series或Parallel驱动模式切换至EV模式时，若上述条件都满足，HCU会在进入EV模式之前就发送停机指令给EMS，发动机停机完成后车辆驱动模式进入EV，反之亦然。

2.6 扭矩分配

为了提高车辆燃油经济性，扭矩分配需要考虑的因素也日益增多，目前大致可分为如下几种：

1）电池充放电优化区域；

2）电机效率优化区域；

3）发动机最佳油耗工作区域；

4）系统储备扭矩、修正因素；

5）各关键部件工作边界限制；

6）发动机瞬态油耗优化。

电驱动系统的扭矩能力应加入多重条件限制，如系统保护扭矩限制、ISG/TM驱动能力限制、故障扭矩限制及动力电池能力扭矩限制。发动机、ISG电机、TM电机的最终扭矩协调加入ESP、AMT换挡扭矩限制等。安全监控扭矩限制则被放置在最后一个层次，从而形成了三重扭矩限制，确保了发动机、ISG、TM的扭矩输出都在安全可控的范围内。

2.7 换挡控制

换挡控制主要是指HCU与TCU协调控制AMT系统的策略，该策略包含如下几个方面的内容。

2.7.1 换挡中断扭矩补偿

AMT的换挡过程中前轴发动机动力会中断，而且发动机扭矩恢复时间慢，影响驾驶感觉，可以使用后驱电机进行扭矩补偿。后驱电机补偿扭矩应是扭矩需求和车速的函数，AMT档位结合后发动机增扭过程中，该补偿扭矩逐步衰减。4WD模式下，后驱电机扭矩不补偿前轴换挡动力中断扭矩。

2.7.2 发动机与离合器转速同步

AMT机构换挡完成后，此时发动机转速与离合器转速是不同步的，传统方法是控制发动机扭矩上升并抬高转速使之同步，而强混汽车则可通过控制ISG电机进入速度控制模式，可快速将发动机拖至换挡前离合器工作转速，从而实现二者的速度快速同步，提高换挡舒适性并降低换挡冲击。

2.7.3 前轴等效油门位置

Charge Sustaining模式下即加速踏板位置，Charge Depleting模式下，为加速踏板位置减去后轴等效油门位置。后轴等效油门位置一般为车速的函数，需考虑后驱系统断开、后驱系统功率大幅受限和后驱故障等多重情况下的等效油门位置。

2.7.4 挡位请求

后驱电机驱动时需向TCU发送空挡请求，前轴驱动时需根据当前驾驶员操作排挡的动作向TCU发送R/D/B请求。前轴驱动时，HCU发送B（Brake）档请求给TCU时由TCU控制AMT系统挂低速挡，满足爬（下）坡和制动需求。

2.7.5 TCU扭矩限制

HCU应响应TCU的换挡增减扭矩需求，并将该需求发给EMS执行，极限情况须快速响应TCU的限制扭矩请求，保护AMT换挡机构。

2.8 系统保护策略

系统保护涵盖了对整车关键系统的保护，比如对动力电池的保护、对电驱动系统的保护、对发动机系统保护和对传动系统的保护，主要的保护策略都集成在HCU内。

动力电池保护指保护动力电池不能被过充、过放、过压、欠压、过温、低温等的保护，高层次的保护还涵盖对动力电池碰撞和绝缘保护等。

电驱动系统保护包括前ISG电机和后TM电机的温度限制、电压限制、瞬时功率限制、堵转保护等。

对发动机系统保护则指在不同冷却水温下对发动机最大输出扭矩进行限制。

传动系统保护则是对AMT换挡机构和离合器进行保护，不能频繁的进行换挡，且不能在较大扭矩时强制离合器结合，避免离合器盘烧毁。

2.9 在线故障诊断

强混合动力系统的在线诊断系统应该涵盖对发动机、ISG电机、TM电机、AMT系统、DCDC转换器、电动空调、电动助力转向、车身附件系统（真空泵、冷却水泵、冷却风扇、电子油门踏板、制动踏板、排挡、仪表）等系统的全面故障诊断与存储。当HCU探测并确认系统确实存在故障时，则点亮仪表上的故障报警灯提示驾驶员。

由于系统带了发动机系统和纯电力驱动系统，因此强混合动力系统对发动机的EOBD的诊断可能要区别于传统发动机，具体的诊断策略EMS应结合车辆驱动模式进行修改。

控制策略需要研究的是对故障形成的机理、故障原因、故障部件、故障的探测方法、故障发生后的快速响应机制等内容，底层软件则重点开发故障累加、故障信息显示、故障数据传输、故障存储和清除机制。

2.10 扭矩安全监控

强混合动力的扭矩安全可以在HCU内增加安全监控芯片对电驱动系统的扭矩进行监测，发动机系统的扭矩监测可通过在HCU控制策略里增加监控算法与EMS协调实现。安全芯片从CAN网络中接收电驱动系统电流、电压、扭矩等数据，从ESP接收车速信息，并单独对油门和电流进行采集处理，若CAN系统无故障即用硬件采集的数据，若硬件采集出现故障即用CAN网络的数据。

如图7所示，HCU里的算法为A，安全芯片内的算法为B，当二者之差大于一定值，安全芯片切断HCU外发的CAN数据并切断对电驱系统的使能。

3 试验结果

本文提出的插电式四驱强混整车控制策略已在奇瑞自主开发的整车控制器上得以实现，并完成了在整车仿真平台上的仿真验证和在插电式混合动力样车上的试验验证。

3.1 试验工况

控制策略在欧3/4排放标准的一型试验工况NEDC下运行，该工况由4个ECE循环和一个EUDC循环组成。图8为整车测试台架上的车速数据。

3.2 ECE工况TM扭矩与车速关系

ECE工况驾驶员需求扭矩较低，TM能够满足扭矩输出要求，驱动模式为纯电动驱动，见图9。

3.3 ECE制动回收经济性分析

对于制动能量回馈系统经济性的评价，本文提出一种基于循环工况的 “经济性贡献率δ”评价指标，以其作为制动能量回馈对整车经济性改善的评价方式，其计算公式如下：

式中：Ereg为母线处的制动回收的能量；Edrive为母线处在驱动过程消耗的能量；ηcharge为电池的充电效率；ηdischarge为电池的放电效率。充放电效率各取90%得出下表中再生制动对经济性的贡献率。制动能量回馈在ECE工况下对整车的平均经济性贡献率δ达到 27.33%，相比并行回收制动模式，经济性有明显改善。

表1 ECE纯电动并行回收制动经济性分析表

3.4 并联驱动发动机与ISG扭矩关系

EUDC下油门需求较大，系统进入并联驱动模式，由发动机与ISG共同驱动车辆，同时ISG电机在松开油门或制动时进行能量回收，见图10。

3.5 自动爬行控制

图11中的TM驱动扭矩，正向扭矩表示前进，反之则为倒退，系统根据车速使用PID算法自动调节电机扭矩大小。

3.6 AMT换挡扭矩辅助

AMT系统在换挡时要求发动机动力中断，HCU请求TM电机给予换挡扭矩补偿，增加换挡舒适性，如图12所示。

3.7 主动减震控制

图13为加入主动减震控制前后的电机扭矩、转速对比，可见该算法对消除振动非常行之有效。

4 结论

本文是对插电式四驱强混汽车的控制策略进行了详细功能划分并提出设计思想，并经过仿真验证初步达到设计目的。

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