基于电机转速闭环控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制策略*

张 娜，赵 峰，罗禹贡,张 红

(1.中国农业大学工学院，北京 100083; 2.清华大学, 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；3.潍柴动力股份有限公司,潍坊 261031)

前言

混合动力汽车在行驶过程中经常要在多种工作模式之间进行切换。由于发动机和电机动态特性的差异以及离合器自身特性的影响，在切换过程中可能会引起合成转矩发生较大波动，从而对传动部件造成冲击，导致动力传递不平稳，影响整车的动力性和乘坐舒适性[1]。

针对该问题，文献[2]中提出“发动机转矩开环+发动机动态转矩估计+电机转矩补偿”的动态协调控制算法，但在实际工程中，发动机转矩在线估计的方法不能满足实时性的要求；文献[1]中在限制发动机动态转矩变化率的同时利用电机进行转矩补偿，以满足驾驶员需求，但采用该方法难以精确获得发动机转矩。在此基础上文献[3]中进行了改进，利用PID算法控制节气门开度以实现发动机转矩的控制，利用模糊控制算法实现离合器的控制，但该方法也需要实时精确获得发动机转矩。丰田THS混联系统利用其特有的行星齿轮结构，通过电机补偿保证了模式切换的平顺性[4]，但由于行星齿轮结构的复杂性而无法普遍使用。

本文中以某款混合动力汽车为研究对象，针对模式切换问题，提出了一种基于电机转速闭环控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制策略。该控制策略以容易实时准确测量的电机转速为反馈控制量，解决了原有协调控制方法中发动机转矩在线实时精确估计的难题，降低了混合动力汽车模式切换过程的冲击度。最后利用Matlab/Simulink与AMESim搭建了联合仿真平台。仿真结果表明，该动态协调控制策略有效改善了混合动力汽车在模式切换过程中的行驶平顺性和乘坐舒适性。

1 模式切换动态协调控制策略

本文中所研究的混合动力汽车由发动机、主电机(PM)、副电机(BSG)、机械式自动变速器(AMT)和电池等主要部件组成[5]，如图1所示。其中，主电机布置在AMT后端，与主减速器、车轮直接相连；副电机连接于发动机的前端。

其驱动模式可以划分为纯电动模式和含有发动机驱动模式两大类。制定动态协调控制策略之前，首先对两大模式间的切换过程进行分析。

1.1 模式切换过程分析

所研究的混合动力系统由纯电动模式切换至含有发动机驱动模式共包括两个过程，分别为发动机起动过程和离合器接合过程。发动机起动过程由BSG完成，此时离合器完全分离，不会影响车辆行驶的平顺性。但在离合器接合过程中，由于发动机和电机动态响应的差异以及离合器自身特性的影响，可能会引起合成转矩的较大波动[3]。

含有发动机驱动模式切换至纯电动模式时，发动机转矩减小，离合器分离，电机转矩上升，同样由于发动机和电机的动态响应特性相差较大，引起合成转矩的波动。

1.2 模式切换动态协调控制系统总体结构

图2为混合动力汽车模式切换动态协调控制系统总体结构，包括驾驶员操作输入、整车能量管理策略、模式切换动态协调控制策略、部件执行系统和车辆系统。

模式切换动态协调控制策略包括进入控制逻辑、基于斜率限制的发动机转矩控制方法、基于转速闭环的电机转矩控制方法和退出控制逻辑4部分。其中，进入和退出控制逻辑用于判断是否进行动态协调；基于斜率限制的发动机转矩控制方法和基于转速闭环的电机转矩控制方法通过协调发动机转矩和电机转矩，解决模式切换过程中的冲击问题。

1.3 模式切换动态协调控制策略

所研究的模式切换动态协调控制策略主要针对从纯电动模式切换至含有发动机驱动模式和从含有发动机驱动模式切换至纯电动模式两个过程。这两个过程的动态协调控制思想和方法基本相同，只是进入逻辑和退出逻辑有所不同。

1.3.1 进入控制逻辑

(1) 纯电动模式切换至含有发动机驱动模式

当混合动力汽车处于纯电动模式，而根据加速踏板和车速计算结果，须切换至发动机驱动模式时，进入模式切换动态协调控制策略。

(2) 含有发动机驱动模式切换至纯电动模式

当混合动力汽车处于发动机驱动模式，而根据加速踏板和车速计算结果，须切换至纯电动模式时，进入模式切换动态协调控制策略。

以上条件均不满足时，发动机和电机仍然执行整车能量管理策略制定的期望发动机转矩和期望电机转矩。

1.3.2 退出控制逻辑

(1) 纯电动模式切换至含有发动机驱动模式

当实际发动机转矩和能量管理策略制定的期望发动机转矩之差和离合器两端转速差在一定范围内时，退出模式切换动态协调控制策略。

(2) 含有发动机驱动模式切换至纯电动模式

当实际发动机转矩逐渐减小至某一值，并且离合器处于完全分离状态时，退出模式切换动态协调控制策略。

1.3.3 基于斜率限制的发动机转矩控制方法

发动机转矩控制方法的基本思想为：限制发动机转矩变化率，使其转矩平稳变化，避免发动机转矩发生突变，达到减小冲击的目的。

(1)

式中：K为比例因子；t为模式切换累计发生时间；T0为发生模式切换时发动机转矩。

1.3.4 基于转速闭环的电机转矩控制方法

混合动力汽车模式切换过程很短，可认为此过程驾驶员的驾驶意图并未发生改变，也就是说模式切换过程中车辆的加速度并未发生变化。

假设路面附着条件良好，车轮为纯滚动，该混合动力系统主电机角加速度α为

(2)

式中：ωpm为主电机角速度，rad/s；v为车速，km/h；rw为车轮半径，m；ifd为主减速器传动比。

由此可知，该混合动力系统模式切换过程的车辆加速度不变也就意味着主电机的角加速度不变。

据此，提出了如下的电机转矩控制方法。

首先以发生模式切换前n个控制周期的主电机平均角加速度为模式切换过程中主电机目标角加速度αd，即

(3)

式中：ωr为发生模式切换时主电机实际角速度；ωr-1为发生模式切换前1个控制周期的主电机实际角速度；ωr-n为发生模式切换时前n个控制周期的主电机实际角速度；Δt为控制周期。

然后维持模式切换过程中主电机角加速度不变，即可求得模式切换过程中的主电机目标角速度。

ωd=ωr+αdt

(4)

式中：ωd为主电机目标角速度；t为模式切换累计发生时间。

(5)

式中nd为主电机目标转速。

最后以主电机目标转速和实际转速的差值作为输入，以电机转矩为输出，采用如图3所示的PID控制算法，保证模式切换过程中主电机转速和车速平稳变化，以减小模式切换过程中的冲击，提高车辆的平顺性。

图中nr为电机反馈的实际转速。

主电机转矩PID控制算法的传递函数如下：

(6)

式中：KP、KI、KD为比例、积分和微分环节的参数。

2 仿真验证与分析

针对提出的基于电机转速闭环控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制策略，利用Matlab/Simulink和AMESim搭建了联合仿真实验平台，并对动态协调控制策略进行了仿真验证。

2.1 联合仿真实验平台

搭建的Simulink和AMESim联合仿真实验平台结构如图4所示。

在Matlab/Simulink环境下搭建了驾驶员模型[6]、能量管理策略模型、模式切换动态协调控制策略模型和S-Function函数接口；在AMESim环境下完成了整车动力学模型，包括发动机模型、电机模型、变速器模型、整车模型和Interface接口。

AMESim具有丰富的模型库，用户可按照实际物理系统构建自定义模块或仿真模型，无须推导复杂的数学模型；它采用复合接口，简化了模型的规模；它采用智能求解器自动从多种数字积分方法中选择最有效的计算方法，而且具有多种仿真运行方式，得到精度和稳定性很高的仿真结果。Simulink能够借助Matlab强大的数值计算能力，建立系统框图和仿真环境。因此，所搭建的联合仿真平台，可以充分发挥两套软件分别在系统建模仿真与数据处理能力方面的优势[7-8]。

为检验联合仿真实验平台的效果，利用NEDC循环工况进行了仿真验证，结果如图5所示。

从图5中可以看出，在整个循环中联合仿真车速与目标车速变化趋势一致，最大误差在8%以内。该联合仿真实验平台可用于混合动力汽车模式切换动态协调控制策略的验证。

2.2 协调控制策略的仿真验证

在上述联合仿真实验平台上，针对NEDC循环工况，对所提模式切换动态协调控制策略进行了仿真验证，结果如图6所示。

为了更清楚地反映控制效果，对循环中部分模式切换过程进行了局部放大，如图7～图9所示。

2.2.1 纯电动模式切换至含有发动机驱动模式

从图7中可以看出，在51.41s混合动力系统从纯电动模式切换到发动机驱动加发电模式。在该过程中，无动态协调控制时，车速和主电机转速都有较大波动，最大值分别达到0.25m/s和50r/min；采用动态协调控制策略后，车速和主电机转速的波动仅为0.1m/s和20r/min。结果表明，动态协调控制策略有效改善了模式切换过程中的冲击问题，提高了混合动力汽车的平顺性。

由图8可见，在90.05s混合动力系统从纯电动模式切换到发动机驱动加充电模式。无动态协调控制时，主电机转速波动的最大值达到26r/min；经动态协调控制后，主电机转速的波动仅为12r/min。由此可以看出，所提出的动态协调控制策略能够有效减小混合动力汽车模式切换过程中的冲击。

2.2.2 含有发动机驱动模式切换至纯电动模式

由图9可以看出，在184.32s混合动力系统从发动机驱动加发电模式切换到纯电动模式。从仿真结果来看，无动态协调控制时，由于电机的动态响应速度非常快，该模式切换过程对车辆平顺性的影响较小，主电机转速最大波动仅为3r/min。采用动态协调控制后，主电机转速基本上没有波动，车辆的平顺性得到进一步改善。

3 结论

(1) 提出基于电机转速闭环控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制策略，通过对发动机和电机系统的动态协调控制，减小了混合动力汽车模式切换过程中的冲击，提高了混合动力汽车的平顺性。

(2) 提出的基于电机转速闭环控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制策略以容易实时准确测量的电机转速作为反馈控制量，解决了原有协调控制方法中发动机转矩在线实时精确估计的难题。

[1] 冀尔聪.并联混合动力汽车模式切换中的协调控制问题研究[D].长春:吉林大学,2006.

[2] 童毅,欧阳明高,张俊智.并联式混合动力汽车控制算法的实时仿真研究[J].机械工程学报,2003,39(10):158-160.

[3] 杨阳,杨文辉,秦大同,等.强混合动力汽车驱动模式切换扭矩协调控制策略[J].重庆大学学报,2011,34(2):74-81.

[4] Michael Douba, Henry Ng, Robert Larsen. Characterization and Comparison of Two Hybrid Electric Vehicles(HEVs)-Honda Insight and Toyota Prius[C]. SAE Paper 2001-01-1335.

[5] Li Keqiang, Chen Tao, Luo Yugong. A New Concept of Intelligent Environmental Friendly Vehicle China, CN200810223099[P].2009-02-04.

[6] 戴一凡.一种新型混合动力结构的控制策略[J].汽车工程,2009,31(10):919-923.

[7] 胡安平.基于AMESim-Simulink联合仿真的再生制动系统研究[D].长春:吉林大学,2006.

[8] 李瑾.AMESim与Simulink联合仿真及应用[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2004,26(5):62-64.