并联式混合动力系统模式切换控制策略*

吴海啸 叶进 马承广

（1.南京汽车集团有限公司汽车工程研究院；2.南京依维柯汽车有限公司）

双离合器单轴并联式混合动力系统具备发动机和ISG 电机2 个动力源，整车控制器通过控制2 个动力源的相互配合来提升汽车的动力性、经济性、排放性及舒适性等性能指标。2 个动力源的相互配合使得混合动力汽车具备了纯电动行驶、发动机驱动、联合驱动及行车发电等工作模式以及各个模式之间切换的中间过程[1]。文章对该模式切换控制技术进行了分析，并在此基础上，设计了用于不同工况的模式切换控制策略，对离合器、发动机及电机进行协调控制，最后通过试验对模式切换控制策略的效果进行了评估。

1 技术方案

本项目所设计的混合动力系统控制策略主要根据电池的电量SOC 和驾驶员的需求扭矩等参数对发动机和ISG 电机的工作状态进行选择，对其驱动扭矩进行控制。根据2 个动力源参与工作情况可以把该混合动力系统的工作模式分为：纯电动行驶模式、发动机驱动模式、联合驱动模式及行车发电模式。前离合器采用电控电动式结构，后离合器为传统机械式结构。系统主要技术参数，如表1所示。系统保留了原发动机的发电机和启动电机，ISG 和启动电机都可以单独启动发动机，在电驱动系统发生故障的情况下，汽车还可以保证基本的行驶能力，大大提高了可靠性。

表1 单轴并联式混合动力系统技术参数

开发的混合动力客车所采用的双离合器单轴并联式混合动力系统的结构原理，如图1所示，包含发动机、ISG 电机、锂电池及双离合器等部件。

各个模式之间的切换控制是混合动力系统的一项关键技术。文章主要对从纯电动/停车模式到发动机参与驱动模式的切换进行研究，该项目是其各个模式切换中最复杂的一种。从纯电动/停车模式到发动机参与驱动模式的切换过程，根据启动发动机的方式不同，可分为：利用传统启动方式的模式切换和利用ISG 启动方式的模式切换。

2 利用传统启动方式的模式切换

当电驱动系统发生故障时，为了保证汽车的正常行驶，需要通过传统启动机来启动发动机驱动汽车；当电驱动系统正常工作时，若在电机的驱动转速小于发动机启动需求转速的情况下，控制策略需要启动发动机，也需要通过传统启动机来启动发动机。当系统有从纯电动/停车模式到发动机参与驱动模式的切换需求时，如果满足利用传统启动方式的模式切换的条件时，进入该模式切换控制策略。该模式切换的控制策略分为：启动发动机、转速同步及发动机驱动3 个阶段。

启动发动机的控制逻辑，如图2所示。检测发动机故障状态，如果正常则给发动机启动电机供电，检测发动机是否启动成功，如果不成功则等待后重新进行启动，如果启动成功则进入转速同步阶段。

转速同步是控制电控离合器使发动机开始进入驱动阶段。电控离合器的控制需要在保证结合平稳和发动机不熄火等条件下，达到发动机转速与驱动电机转速的同步。文章所采用的离合器控制策略应用最优控制策略并运用极小值原理对模式切换控制策略进行优化，兼顾了汽车纵向冲击度、离合器滑摩发热量2 个控制目标[2]，实现了HEV 传动系统动力的平顺切换，既提高了HEV 乘坐舒适性，又延长了离合器使用寿命。在实现转速同步后，可完全结合电控离合器，并给予发动机所需求的目标扭矩，让发动机开始驱动汽车。

3 利用ISGf启动方式的模式切换

由从纯电动模式到发动机参与驱动模式切换需求时，在电驱动系统工作正常、驱动电机转速高于发动机的启动需求转速及ISG 电机的储备扭矩足够等条件下，为减少启动电机的使用频率，延长其使用寿命，使用ISG 电机，在驱动汽车行驶的过程中，通过控制电控离合器的结合来平稳启动发动机。

3.1 驱动电机扭矩的确定

这种情况下，驱动汽车的扭矩和启动发动机的扭矩都由驱动电机提供，则驱动电机的扭矩（Tm/N·m）计算公式为：

式中：Td——汽车需求的驱动扭矩，N·m；

Te——启动发动机所需求的扭矩，N·m；

k——离合器扭矩传递系数。

汽车所需求的驱动扭矩可以直接由整车能量分配策略获得，而启动发动机所需求的扭矩可通过计算发动机启动时所受到的阻力获得。一般情况下，发动机在启动时受到的阻力主要包括：缸内气体的压缩阻力、活塞环与缸壁间的摩擦阻力、活塞裙部与缸壁间的摩擦阻力、气门机构的摩擦阻力、活塞组往复运动的惯性力、旋转部件惯性力以及附属部件的运行阻力。这些阻力共同作用在曲轴上，产生相应的阻力矩[3]。

对于发动机的某个缸，其阻力扭矩为：

式中：Tg——缸内气体的压缩阻力扭矩，N·m；

TFr——活塞环与缸壁间的摩擦阻力扭矩，N·m；

TFg——活塞裙部与缸壁间的摩擦阻力扭矩，N·m；

Tv——气门机构的摩擦阻力扭矩，N·m；

Tre——活塞组往复运动的惯性力扭矩，N·m；

Tα——旋转部件惯性力扭矩，N·m；

Ta——附属部件的运行阻力扭矩，N·m。

发动机某缸的阻力扭矩也可用以ω 和θ 为变量的函数表示为：

式中：ω——曲轴角速度，rad/s；

θ——曲轴转角，rad。

则其他3 个缸的阻力扭矩可表示为[4]：

该四缸发动机启动时需求的总扭矩为：

3.2 模式切换控制策略

为简化模式切换控制难度，在模式切换过程中，汽车行驶所需求的驱动扭矩全部由驱动电机提供，发动机的动力仅配合离合器结合过程而不参与驱动汽车。所设计的模式切换控制策略的Simulink 仿真模型，如图3所示。

利用ISG 电机启动发动机进行模式切换，主要进行两项工作：1）控制离合器结合启动发动机，2）控制驱动电机扭矩。第1 项工作需要保证发动机启动过程的快速和平稳；第2 项工作需要保证在启动发动机的过程中不影响驱动汽车，而且2 个控制过程相互耦合。

从整车能量分配策略可获得驱动汽车所需要的目标扭矩。从发动机EMS 可获得发动机的转速和相位等参数，从整车控制策略获得发动机启动速度，根据文章3.1 节的计算方法，可以计算出发动机在启动过程中各个时刻的目标启动扭矩，再根据离合器状态计算出启动发动机所需要的施加在离合器上的目标扭矩。将汽车的目标驱动扭矩与施加在离合器上的目标扭矩相加，即可得到驱动电机的目标扭矩，将目标扭矩发送给驱动电机控制器，即可控制驱动电机的扭矩输出。离合器控制目标计算方法根据目标发动机转速、发动机真实转速、驱动电机转速、离合器位移、驱动电机目标扭矩及发动机目标扭矩等综合确定离合器目标位移和结合速度。离合器结合控制策略采用PID 控制器，通过对离合器的运动方向和PWM 控制量对离合器的位移和结合速度进行控制，以达到控制效果。在发动机启动完成后，控制发动机转速到驱动电机转速，完成离合器结合，发动机开始参与驱动汽车。

4 试验与分析

4.1 利用传统启动方式的模式切换策略试验

利用传统启动方式的模式切换控制过程进行了试验。在原地急加速起步，由于驱动电机的输出扭矩不能满足汽车的驱动要求，需要启动发动机参与驱动，而此时驱动电机转速较低，不能利用ISG 电机启动发动机，需要利用传统启动方式进行启动。试验结果，如图4所示。

从图4 可以看出，初始阶段，由驱动电机单独驱动汽车，当驾驶员驾驶需求扭矩增大，驱动电机开发提高驱动扭矩，汽车加速度开始增大。当驱动电机的扭矩不足以满足汽车的需求，需要启动发动机参与驱动汽车，此时由于驱动电机转速低于发动机启动转速，故需要由传统启动电机启动发动机，发动机启动完成以后，开始控制离合器结合使发动机开始参与驱动汽车。离合器结合后，发动机与驱动电机同时驱动汽车行驶，汽车获得更大的加速度。从图4 还可以看出，离合器结合介入驱动过程约0.8 s，整个模式切换过程约2 s，模式切换控制过程迅速，切换平稳。

4.2 利用ISG启动方式的模式切换策略试验

对利用ISG 启动方式的模式切换控制过程进行了试验，试验结果，如图5所示。在原地起步加速，最初是由驱动电机单独驱动汽车，在2 挡时电机加速能力不够，开始启动发动机。通过控制离合器的结合带动发动机到800 r/min 左右，发动机启动完成开始正常工作，控制发动机转速跟踪驱动电机转速，完全结合离合器，发动机开始参与驱动，汽车加速度增大。从图5 可以看出，在启动发动机的过程中，电机转速（车速）有一定顿挫，该控制策略还有待进一步优化。从模式切换时间看，该过程共耗时1.6 s，优于利用传统启动方式的模式切换策略。

5 结论

文章在对并联式混合动力系统从纯电动/停车模式到发动机参与驱动模式的切换过程进行分析的基础上，提出了用于不同工况的模式切换控制策略，并在实车上对所设计的2 种控制策略进行了试验，试验结果表明：2 种控制方法模式切换控制过程迅速且切换平稳，能够较好地实现系统模式切换的控制要求。

在利用ISG 启动方式的模式切换过程中，汽车存在一定的顿挫感，后续还需要对控制策略进行进一步优化来提高车辆的平顺性和舒适性。