复合功率分流混合电动轿车驱动模式切换的协调控制*

赵治国,代显军,王 晨,,张 彤,袁喜悦

(1.同济大学新能源汽车工程中心,上海 201804； 2.上海华普汽车有限公司,上海 201501)



2015046

复合功率分流混合电动轿车驱动模式切换的协调控制*

赵治国1,代显军1,王 晨1,2,张 彤2,袁喜悦1

(1.同济大学新能源汽车工程中心,上海 201804； 2.上海华普汽车有限公司,上海 201501)

为对带双行星排复合功率分流的混合动力轿车驱动模式切换过程中的转矩进行协调控制，采用基于转矩解耦的控制方法来求解不同切换阶段动力源的目标转矩。在此基础上，针对切换过程中输出端转矩波动和发动机实际转矩难以精确确定等问题，提出了基于发动机转矩估计和电机转矩补偿的模式切换协调控制策略，并在Matlab/Simulink软件平台下进行仿真验证。结果表明，该协调控制策略能有效降低切换过程中输出端的转矩波动和整车的冲击度。

发动机转矩估计；功率分流；模式切换；协调控制

前言

混合动力汽车在行驶过程中能根据工况要求自动切换运行模式，模式切换过程中整车对发动机和电机的转矩需求变化明显，由于发动机与电机的转矩响应速度不同和离合器或制动器自身非线性特性的影响，若在模式切换过程中控制不当，会直接导致动力系统输出端转矩大幅度波动，并产生冲击，从而影响车辆的行驶平顺性[1-4]。

针对上述问题，文献[5]中以典型单轴并联混合动力轿车为研究对象，利用最优控制法求解发动机和电机在模式切换过程中不同阶段的目标转矩，但该方法忽略了发动机和电机的瞬态转矩响应特性的差异。文献[6]中针对传统并联混合动力轿车，提出“发动机转矩开环+发动机转矩动态协调估计+电机转矩补偿”的动态协调控制算法，但实际切换过程中发动机转矩在线估计算法不能满足控制对实时性的要求。文献[7]中针对一种双模功率分流混合动力系统，探讨了其从输入功率分流模式切换到复合功率分流模式过程中变速器输出端转矩波动问题，并采用电机予以补偿，有效抑制了其转矩波动。文献[8]中以四轮驱动混合动力轿车为研究对象，针对其由纯电动驱动模式切换到混合驱动模式过程中驾驶性能变差问题，以混杂系统切换为理论依据，设计了无扰动模式切换控制策略，但是这些方法皆未考虑发动机转矩的瞬态响应特性。

本文中以一种复合功率分流混合动力轿车为研究对象，对其从纯电动驱动模式切换到混合驱动模式的动态过程进行动力学分析，并基于特有的行星齿轮机构的约束关系，利用实时可测的电机转矩直接推算发动机实际执行转矩，提出了基于发动机转矩估计和电机转矩补偿的模式切换动态协调控制策略，并在Matlab/Simulink平台进行仿真验证，结果表明，该协调控制策略能有效降低切换过程中输出端的转矩波动和整车的冲击度，提高了车辆的行驶平顺性。

1 复合功率分流系统结构

文中所研究的复合功率分流动力系统结构简图[9]如图1所示，主要由发动机、大电机MG2(motor/generator)、小电机MG1、湿式制动器B1(brake)、B2和功率分流装置组成。其中功率分流装置为共用行星架和齿圈的双行星轮系结构，如图2所示。图中，S1为前排轮系小太阳轮；P1为前排轮系短(粗)行星轮；P2为后排轮系长(细)行星轮；S2为后排轮系大太阳轮；CR12为前后排轮系共用行星架；R12为前后排轮系共用齿圈。

发动机连接行星架，小电机MG1连接前排小太阳轮，大电机MG2连接后排大太阳轮，三者动力经共用的齿圈复合后传递至输出端。制动器B1用于纯电动驱动时锁止发动机，提高系统效率，制动器B2用于高速时锁止小电机MG1，以避免其提供平衡转矩，防止电功率循环[10]。该复合功率分流系统典型工作模式如表1所示。

表1 复合功率分流系统典型工作模式

2 切换过程建模和转矩解耦控制

2.1 动力系统动态建模

复合功率分流混合动力轿车具有多个工作模式，不同模式下动力源的目标转矩有所不同。为方便分析，求解切换过程中的动力源目标转矩，对动力系统结构进行简化，将车轮转动惯量和车辆平动质量统一折算到变速器输出轴，忽略旋转黏性阻尼、轴承与轴承座间的弹性和齿轮啮合弹性，得到如图3所示的动力学模型。图中TICE在发动机点火之前为拖转阻力矩，点火后为驱动转矩，αICE为发动机角加速度，JICE为发动机等效转动惯量(包括曲轴、飞轮、制动器B1从动盘和行星架CR12)，TCR12为行星架端转矩，TMG1为电机MG1转矩，αMG1为其角加速度，JMG1为电机MG1端等效转动惯量(包括电机MG1转子、太阳轮S1)，TS1为太阳轮S1端转矩，TMG2为电机MG2转矩，αMG2为其角加速度，JMG2为电机MG2端等效转动惯量(包括电机MG2转子、太阳轮S2)，TS2为太阳轮S2端转矩，TR12为齿圈端转矩，JR12为折算到齿圈端的等效转动惯量(包括齿圈R12、半轴、车轮、整车)，αR12为齿圈输出端角加速度，TL为折算到齿圈输出端的等效阻力矩。

行星排各轴上的转矩方程为

TICE-JICEαICE=TCR12

(1)

TMG1-JMG1αMG1=TS1

(2)

TMG2-JMG2αMG2=TS2

(3)

行星排转矩平衡方程为

TCR12+TR12+TS1+TS2=0

(4)

TR12+i1TS1+i2TS2=0

(5)

角加速度关系方程为

αMG1=i1αR12+(1-i1)αICE

(6)

αMG2=i2αR12+(1-i2)αICE

(7)

式中：i1、i2分别为前后行星排传动比。由式(1)～式(7)所组成的线性方程组共有16个变量，其中已知变量5个，分别为JICE、JMG1、JMG2、i1和i2；未知变量11个，分别为TICE、TMG1、TMG2、TCR12、TS1、TS2、TR12、αICE、αMG1、αMG2和αR12。只须再根据整车不同模式任意给定其中4个参数，即可求解其他变量。根据系统动态转矩控制的需求，通过求取有用的函数组合，可以求解出目标转矩TICE、TMG1、TMG2，分别作为发动机、电机MG1和电机MG2各自控制器的转矩控制指令。

假定已知TMG1、TR12、αICE、αR12，此种情况下求取目标转矩TMG2、TICE，将要求解的转矩计算函数命名为TMG2_TICE_fun(TMG1，TR12，αICE，αR12)，联立式(1)～式(7)，利用Matlab求解方程组即可求解，鉴于篇幅原因，这里不再赘述。

2.2 纯电动驱动模式切换到混合驱动模式过程分析和转矩解耦控制

整车模式切换协调控制流程如图4所示。车辆起步首先以纯电动模式行驶，当驾驶员转矩需求Treq大于纯电动最大转矩阈值TEV_max、蓄电池SOC小于最低阈值SOC_low或要求车速v大于纯电动最大车速阈值vEV_max时，整车控制器接收模式切换请求信号，制动器B1迅速打开，并进行MG1、MG2转矩协调控制，等到B1完全打开后，MG1、MG2协调控制输出转矩拖转发动机，当其转速nICE大于怠速转速nidle后，发动机点火，进入混合驱动模式。由于发动机瞬态转矩响应的延时，须适时估计其动态转矩并利用MG1、MG2进行转矩补偿协调控制，以满足驾驶员的转矩需求，降低输出端的转矩波动，减小车辆冲击。整个模式切换过程包括B1锁止时的纯电动、B1打开过程的纯电动、起动和混合动力4个阶段。

2.2.1 B1锁止时的纯电动阶段

利用杠杆法[11-12]分析此阶段系统的工作状况，如图5所示。大电机MG2提供驱动转矩TMG2，制动器B1锁止，提供平衡转矩TB1，两者合力矩与输出端OUT阻力矩TL平衡，小电机MG1空转。此阶段转矩控制框图如图6所示。

此阶段的已知变量、目标变量和转矩求解函数如表2中序号(a)所示，其中TR12利用车速和踏板行程从驾驶员转矩需求MAP查得，再根据TR12求得该阶段大电机MG2、制动器B1的目标转矩分别为

表2 不同阶段目标转矩求解

TMG2=-TR12/i2

(8)

(9)

2.2.2 B1打开过程的纯电动阶段

当车辆加速或需要爬坡时，纯电动满足不了需求，须起动发动机，此时制动器B1迅速打开，为控制发动机在零转速点，大小电机转矩TMG1、TMG2共同驱动，此阶段系统等效杠杆和控制框图分别如图7和图8所示。

此阶段的已知变量、目标变量和转矩求解函数如表2中序号(b)所示，其中TICE等于制动器B1传递的转矩TB1，求得该阶段电机MG1、MG2的目标转矩分别为

(10)

(11)

2.2.3 起动发动机阶段

等到制动器B1完全打开后，小电机MG1在当前纯电动驱动转矩TMG1上叠加额外拖转转矩TMG1′拖转发动机至怠速转速。同时，大电机MG2在当前纯电动驱动转矩TMG2上叠加补偿转矩TMG2′以消除MG1拖转转矩对输出端造成的影响，此阶段系统等效杠杆和控制框图分别如图9和图10所示。

此阶段的已知变量、目标变量和转矩求解函数如表2中序号(c)所示，TICE为发动机的拖转阻力矩，通过电机控制器反馈比较准确的电机转速nMG1、nMG2计算得到发动机的实际转速nICE，从发动机拖转阻力矩MAP查得其阻力转矩TICE，发动机的角加速度可根据目标怠速转速nidle和起动时间确定。该阶段电机MG1、MG2的目标转矩分别为

TMG1=((i2-1)TR12+i2TICE-(JMG1(i1-1)(i1-i2)+

i2JICEαICE))/(i1-i2)

(12)

TMG2=-((JMG2(i2-1)(i1-i2)-i1JICE)αICE+

(i1-1)TR12+i1TICE)/(i1-i2)

(13)

2.2.4 混合动力阶段

当发动机转速达到怠速转速后，迅速喷油点火，发动机、MG1、MG2共同输出转矩，驱动车辆行驶。由于发动机动态转矩响应的延迟，须估算出其实际发出的转矩，利用MG1、MG2转矩补偿控制来满足驾驶员的转矩需求，此阶段系统等效杠杆和控制框图分别如图11和图12所示。

图12中TICE_op、nICE_op分别为混合动力阶段发动机的最优目标转矩与最优目标转速，可以根据动力系统效率最优，利用当前车速和踏板行程从发动机最优转矩MAP和最优转速MAP查得，得到的最优发动机目标转矩送入发动机控制器，发动机目标角加速度利用当前发动机实际转速和目标发动机转速确定。

此阶段的已知变量、目标变量和转矩求解函数如表2中序号(d)所示，函数中TICE为发动机实际发出的转矩，可根据式(1)～式(7)进行估算：

TICE_estimate=((i1-1)(TMG1_act-JMG1αMG1)+(i2-1)·

(TMG2_act-JMG2αMG2)+JICE(αMG2i1+αMG1i2))/(i1+i2)

(14)

式中TMG1_act、TMG2_act可由电机控制器反馈的实际转矩信号得到，αMG1、αMG2可由电机控制器反馈的实际转速信号求导得到。求得该阶段电机MG1、MG2的目标转矩分别为

TMG1=((i2-1)TR12+i2TICE_estimate-

(JMG1(i1-1)(i1-i2)+i2JICEαICE))/(i1-i2)

(15)

TMG2=-((JMG2(i2-1)(i1-i2)-i1JICE)αICE+

(i1-1)TR12+i1TICE_estimate)/(i1-i2)

(16)

3 仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真平台对所提出的转矩协调控制策略进行仿真验证，各关键零部件参数如表3所示，仿真结果如图13和图14所示。

表3 动力系统关键零部件参数

图13为有无发动机转矩估计电机转矩补偿协调控制的对比仿真结果。图中运行模式不同的值代表不同阶段，4、5、2、1分别表示B1锁止纯电动阶段、B1打开纯电动阶段、起动阶段和混合动力阶段。图14为模式切换过程动力源转矩仿真结果。从图13可以看出，整车控制器在8.15s发出模式切换指令，制动器B1迅速打开，进入纯电动阶段，在8.35s B1完全打开后，MG1、MG2协调控制拖转发动机，发动机从静止到怠速的时间为0.3s，稳定0.5s后，发动机喷油点火进入混合驱动模式。此时如果不进行发动机转矩估计，仅进行稳态转矩分配，即电机MG1、MG2未进行转矩补偿控制，其转矩会产生突变(见图14中的实线)，并且由于实际过程中发动机瞬态转矩的延迟，会导致齿圈输出端的转矩大幅波动，其峰峰值达68N·m，整车冲击度较大，其绝对值的最大值大于德国的冲击度限制值10m/s3；若进行发动机转矩估计，并利用估计值进行电机转矩补偿协调控制，则电机MG1、MG2转矩变化平缓(见图14中的虚线)，齿圈输出端转矩(发动机和电机MG1与MG2转矩的耦合结果)波动峰峰值减小至32.5N·m，整车冲击度小于其现值10m/s3。

仿真结果表明，基于发动机转矩估计+电机转矩补偿的模式切换动态协调控制策略能有效降低输出端转矩波动，减小切换过程车辆冲击度，在满足驾驶员转矩需求的前提下，提高了车辆的行驶平顺性。

4 结论

(1) 建立了复合功率分流混合动力系统的动力学模型，并基于转矩解耦的控制方法来求解不同模式下动力源的目标转矩，解决了功率分流系统多自由度的转矩协调和转矩平衡控制问题。

(2) 利用杠杆法分析了系统从纯电动驱动模式切换到混合驱动模式每一阶段的控制策略，并利用转矩求解函数得到各阶段动力源的目标转矩，在此基础上提出了发动机转矩估计+电机转矩补偿的转矩协调控制策略，以抑制模式切换过程中输出端的转矩波动。

(3) 所提出的模式切换转矩协调控制策略能够有效减小复合功率分流混合动力系统由纯电动驱动模式切换到混合驱动模式过程中输出端转矩波动和整车的冲击度，提高了车辆的行驶平顺性。

[1] Kim Sangjoon, Park Joonyoung. Transient Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle During Mode Change [C]. SAE Paper 2009-01-0228.

[2] 侯献军,杜常清,颜伏伍,等.混合动力系统状态切换技术研究[J].内燃机工程,2009,30(6):72-76.

[3] 古艳春,殷承良,张建武.并联混合动力汽车转矩协调控制策略仿真研究[J].系统仿真学报,2007,19(3):170-175.

[4] 王庆年,赵子亮,刘东秦.并联混合动力汽车控制策略与仿真分析研究[J].机械工程学报,2005,41(12):13-18.

[5] Koprubasi K, Westervelt E R, Rizzoni G. Toward the Systematic Design of Controllers for Smooth Hybrid ElectricVehicle Mode Changes[C]. The American Automatic Control Council, Proceedings of the 2007 American Control Conference, New York, AACC,2007:2985-2990.

[6] 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.

[7] Choi W, Kang J, Hong S, et al. Development of a Control Algorithm to Reduce Torque Variation for the Dual Mode HEV During Mode Change[C]. Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC),2011:1-6.

[8] 赵治国,何宁,朱阳,等.四轮驱动混合动力轿车驱动模式切换控制[J].机械工程学报,2011,47(4):100-109.

[9] Yu Haisheng, Zhang Jianwu, Zhang Tong. Control Strategy Design and Experimental Research on a Four-Shaft Electronic Continuously Variable Transmission Hybrid Electric Vehicle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering,2012,226(12):1594-1612.

[10] Schulz M. Circulating Mechanical Power in a Power-Split Hybrid Electric Vehicle Transmission[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering,2004,218(12):1419-1425.

[11] 冯樱.运用杠杆法计算汽车行星齿轮变速器的传动[J].湖北汽车工业学院学报,2008,22(3):17-20.

[12] Bendord H, Leising M. The Lever Analogy: a New Tool in Transmission Analysis[C]. SAE Paper 810102.

Coordinated Control of Driving Mode Switching ofCompound Power-Split Hybrid Electric Car

Zhao Zhiguo1, Dai Xianjun1, Wang Chen1,2, Zhang Tong2& Yuan Xiyue1

1.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.ShanghaiMapleAutomobileCo.,Ltd.,Shanghai201501

For the coordinated control of torque in the driving-mode switching process of a hybrid electric car with double-planetary-gear-based compound power split system, a control technique based on torque decoupling is adopted to solve out the objective torque of power source at different switching phases. On this basis, aiming at the problem of output torque ripple and the difficulty in accurately determining the actual torque of engine, a coordinated control strategy for driving-mode switching is proposed based on engine torque estimation and motor torque compensation, and a verification simulation is conducted on Matlab/Simulink platform. The results show that the proposed strategy can effectively reduce the output torque ripple and vehicle jerk in driving-mode switching process.

engine torque estimation; power split; mode switching; coordinated control

*国家自然科学基金(51275355)和国家863计划项目(2012AA111201)资助。

原稿收到日期为2014年8月13日，修改稿收到日期为2014年11月15日。