并联混合动力汽车驱动模式切换协调控制研究综述

张胜根，李军

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400041）

并联混合动力汽车驱动模式切换协调控制研究综述

张胜根，李军

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400041）

混合动力汽车逐渐成为汽车行业发展的趋势，并已经在市场上取得了突破性的进展。混合动力系统中两动力源需要根据行驶路况进行能量管理和驱动模式的切换。由于发动机与电机动态响应特性的不同，单独按照各自的特性进行目标转矩控制，来达到总的需求转矩，但这样会导致整车运行模式切换过程中动力中断或出现转矩波动现象。本文主要研究运行模式切换过程中发动机与电机输出转矩的动态协调控制，目的是避免电机突增负载造成的震荡，希望在模式切换过渡过程中拥有足够的动力来保持整车快速、平稳行驶。

混合动力汽车；驱动模式；切换；协调控制

CLC NO.:U469.7Document Code:BArticle ID:1671-7988(2015)07-139-05

引言

并联混合动力汽车在工作过程中，存在纯电动、发动机驱动、混合驱动、行车充电、能量回馈等多种工作模式，所以整车的状态切换过程有多种。如从发动机驱动切换到纯电动或混合驱动，从纯电动切换到发动机驱动或混合驱动，从混合驱动切换到发动机驱动或电机驱动等等。不同的切换过程，其动力学原理是基本类似的。根据驾驶员的需求或实际工况，整车控制器选择在适合于当前工况的一种模式下工作。当工况发生变化时，整车的工作模式也跟着变化，即整车需要进行不同工作模式之间的状态切换。状态切换过程是一个短暂的动态过程如果不对这一过程进行协调控制，整车的平顺性和舒适性将会受到较大影响[1-2]。

1、并联混合动力基本运行模式分析

并联混合动力汽车中由于存在两种动力源（发动机和电动机），其中，电机又兼有驱动和再生制动的功能，并与车辆其他部件的功能进行结合，会排列出多种运行模式，为了清晰明了，本文根据研究目的和实际情况，及考虑到以下情形，列出了表1中整车驱动力系统各种运行模式。

表1 并联混合动力汽车各运行模式

说明:

1）由于倒车属于特殊情况，与本文研究对象无直接关系，所以在此不做研究。

2）由于本文控制策略所基于的样本中，车辆的助力转向，制动系的气压装置及空调等其他动力源仍是发动机，在纯电动等模式并不需要发动机参与时，发动机怠速并不关闭，所以不存在关闭发动机的环节而以发动机怠速环节代替。

3）电动机起步与发动机起步分别并入电机单独驱动模式和发动机单独驱动模式中，所以，不单独设立电动机起步与发动机起步模式。

以上不同模式之间在实际运行过程的转换是由整车控制策略实时决定，在运行之初，首先判断驾驶员是否有换挡需求或是否正在换挡，如果有则换挡优先，直至换挡完毕，进而判断车辆是否处于静止或前进，若静止则进行启动前相应准备，如果判断处于前进状态，则进而检测制动踏板、加速踏板、驾驶员需求转矩、蓄电池SOC等信号，进入相应工作模式。整车在实际行驶过程中，不能同一个模式一直运行，会在不同模式间相互切换，因此，需对模式间的切换过程进行详细分析。

2、混合动力汽车模式切换过程协调控制问题

混合动力汽车的控制系统，具有分层次的控制结构。上层（组织级）控制模块，在监测车辆运行状态和道路情况、识别和判断驾驶员意愿的基础上，决策动力系统工作模式、根据功率需求进行动力源的功率分配；中层（协调级）控制模块在需要进行工作模式切换时，负责多动力源与传动系统零部件之间的动态扭矩和转速的协调控制；下层（执行级）控制模块，负责混合动力系统各部件（柴油机、电动机等）以及各执行机构的运动和动力（扭矩）控制。

在混合动力汽车的控制领域，对属于上层（组织级）控制功能的能量管理策略方面，可查询到大量的学术论文，国内外学者进行了关于能量管理策略的多方面研究，一些研究成果已运用到实际产品中。发动机、电机属于混合动力系统的能量转换部件，二者的控制问题属于混合动力系统的执行级的控制范畴，其控制理论与技术方面的研究已比较成熟。

相对而言，针对混合动力系统协调级的动态控制理论、算法和技术方面的研究，还比较薄弱。对于采用AMT变速箱的单轴并联式混合动力系统，动态协调控制涉及到模式切换扭矩协调的问题，其协调控制内容更为复杂。对该系统的动态协调控制方法的研究，既有学术价值，也有工程应用价值。

3、动态协调控制问题的提出

在混合动力系统工作模式切换过程中，为了使车辆行驶平稳，系统输出扭矩必须保持稳定，不能出现扭矩突变。但是发动机是一个复杂的非线性系统，其动态响应与电动机相比较慢。因此当工作模式切换发生时，需要协调控制系统内的两个能量转换部件（发动机和电机）的输出扭矩，两者之间的动态协调控制是研究的首要目标。以动力系统各环节的扭矩为控制参数，通过扭矩估计和扭矩动态调节，实现模式切换过程的动态协调控制。

4、国内外研究现状

国外最早将混合动力汽车推入市场的是日本的丰田公司。1997年，第一款量产混合动力车PRUIS由丰田推入日本市场，当年售出18000辆[3]。丰田公司的混合动力系统采用独特的行星齿轮结构，巧妙地解决了模式切换过程中的动态协调问题。如图1.2所示，动力系统主要由发动机、发电机、动力耦合机构和减速齿轮等组成[4]。动力耦合机构为行星齿轮机构，太阳轮、齿圈和行星架分别与发电机、电动机和发动机相连接，同时齿圈还与减速齿轮啮合。由于齿轮机构为二自由度的机构，因此只要行星架、太阳轮和齿轮中任意两个的转速或者扭矩确定，那么第三个的转速和扭矩也就固定下来，这是丰田PRUIS系统可以解决模式切换过程中动态协调控制的关键所在[5]。

丰田混合动力系统很好地解决了动态协调控制问题，其最核心的技术是利用了精心设计的动力分配机构，实现了对发动机转矩的反馈，从而保证电动机转矩补偿的作用。然而，其他类型不具备动力分配机构的混合动力系统是不可能用类似的方法获取发动机转矩的，必须探索新的方法解决动态协调控制问题。因此，丰田混合动力系统解决动态协调控制问题的方法具有特殊性，而不具有普遍性。对于本文所研究的具有普遍意义的并联式混合动力系统的动态协调控制问题，丰田混合动力的控制方法并不能直接适用，但是，该方法中发动机转矩反馈和电动机转矩补偿控制等具体方法却为本文的研究工作提供了很有价值的参考。

在混合动力汽车模式切换控制方面，美国俄亥俄州立大学 Kerem Koprubasi 等[6]将混合动力汽车的模式切换视为混杂系统的切换控制问题，将混合动力汽车的工作模式划分为不同子域并设计了相应的控制器，进行了从纯电动切换至混合驱动的仿真分析，通过实验证明了基于混杂系统的切换控制能有效减小模式切换过程对车辆产生的冲击。

Kazunari Moriya等[7-8]针对丰田普锐斯混合动力系统，利用行星齿轮两自由度运转时具有转矩成比例的特点，通过可测的发电机转矩直接计算出发动机转矩，再通过电动机转矩对发动机转矩进行动态调整，很好地解决了模式切换之间的动态协调控制问题。

R.beck 等[9]对一种双电机单离合器的并联式混合动力汽车从纯电动切换至混合驱动过程的平稳过渡问题进行了研究，建立了并联式混合动力系统动力学模型，针对该模式切换过程提出了模型预测控制的方法。仿真结果表明该控制方法能有效保证模式切换过程的平稳过渡。

Sangjoon Kim 等[10]针对一种并联式混合动力系统，为了提高 EV/HEV 之间模式切换性能，提出了三种离合器接合压力控制方法，制定了模式切换过程中的协调控制规则，根据仿真结果确定了在不同驱动条件下的最优离合器压力控制方法。

Anthony Smith,Yongsheng He 等[11-12]对单轴并联式混合动力汽车纯电动行进中启动发动机进行了研究，提出了电机转矩与离合器恒定压力控制相结合的闭环控制策略，通过台架试验证明了控制策略的有效性。

美国西南研究院对除丰田混合动力系统以外的混合动力系统(并联式混合动力系统)中的动态协调控制问题进行了研究。A.Nedungadi 等人[13]针对等速工况下状态切换对混合动力汽车驾驶性能的影响进行了研究，图2是切换过程时的车速轨迹曲线，汽车车速在 40 s 时加速至40 mph，并保持 80 s，然后在 20 s 内减至 0。将车速保持在 40 mph，进行人工干预的切换过程:A) 第 45 s 时从充电状态切换至发动机和电动机共同工作的状态；B) 第 65 s 从共同工作状态切换至纯电动状态；C) 第 95 s 从纯电动状态切换至共同工作状态。

研究结果表明，如果车速变化幅度不超过 2 mph，驾驶员是感觉不到状态切换的。图 2是切换过程中差速器前转矩波动的曲线，40 s 以前由于汽车处于加速过程中，为克服飞轮的转动惯量使得转矩产生较大幅度的波动(驾驶员模型的增益也未优化)。A、B、C 三处分别是上述三个切换过程造成的转矩波动，从发动机和电动机共同工作的状态切换至纯电动状态的转矩变化幅度最小，而从纯电动状态切换至发动机和电动机共同工作的状态的转矩变化幅度最大。虽然短时间较大幅度的转矩变化并没有导致速度的大幅度变化，但美国通用汽车公司的 Hubbard 等人[14]指出，汽车驾驶舒适性要求汽车在加速或者由于振动冲击造成的车速的加速度变化不能超过 0.3 m/s2，而且，较大幅度的转矩变化也会对传动系统部件造成冲击和振动，因此，图2(a)和图2(b)的状态切换的控制仍需进一步优化。A. Nedungadi 等人的研究工作虽然已经涉及了对其他类型混合动力系统的动态协调控制问题的研究，但只是描述了当混合动力系统状态切换时的车速变化和差速器前的转矩变化的过程，指出了动态协调控制的所要达到的目标，并没有透露具体的动态协调控制方法以及控制方法改进的方向。因此，A.Nedungadi 等人的研究工作对本文中如何开发动态协调控制算法并没有直接的参考价值。但是，研究工作中所采用的试验方法和提出的车速波动幅度的评价指标，以及 Hubbard 等人指出的加速度的变化指标都为本文在对动态协调控制算法进行验证时提供了参考。

童毅等[15-16]针对离合器结合变速器在挡的情况，提出了基于模型匹配控制的动态协调控制方法，开发出双驱动电动机结构的硬件在环仿真实验平台硬件系统。采用“发动机转矩开环+发动机转矩动态估计+电动机转矩补偿”控制算法对典型的模式切换问题完成了理论分析、算法开发、仿真研究和台架试验，试验结果表明该方法有效地减小了输出转矩的波动。其动态协调控制算法基本算法示意图如图3所示。

张娜等[17]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。

钱立军等[18]采用自适应模糊 PID 算法，建立了驾驶员模型。使用基于发动机输出转矩最优的能量管理控制策略，简述了驱动模式判别条件及转矩分配方法。提出 1 种“发动机调速+离合器模糊 PID控制+发动机动态转矩查表+双电机转矩补偿控制”转矩协调控制方法，简述了模式切换步骤。在 dSPACE 实时仿真系统上对控制策略进行了硬件在环仿真。仿真结果表明，该控制策略在能量管理方面控制效果良好，动力部件的输出与控制策略完全吻合且平均车速误差下降 37.1%。引入转矩协调之后，整车最大冲击度下降 47.5%。

倪成群等[19]对一种单轴并联式混合动力客车动力切换进行了分析，重点研究了从纯电动模式到纯发动机模式和混合驱动模式的切换过程，在离合器结合之前和结合过程中，采用发动机转速自适应模糊比例积分微分闭环控制跟随电动机转速，在离合器结合后，利用电动机补偿发动机动态转矩，并进行了台架试验验证了控制策略的有效性。

朱军等[20]对转矩控制方法进行了研究，判断运行模式在确定当前需求转矩不受转矩限制且可用转矩满足电动机转矩需求的情况下，将电动机需求转矩确定为电动机最终目标转矩，电动机控制器收到信号后采用当前混合动力模式的第1、2转矩变化率逐步提升电动机转矩至目标转矩，这种控制方法避免了模式切换时发生的转矩阶跃式升高或降低。

通过以上分析可以发现目前相关研究具有以下特点:

1) 从协调控制策略看，多数研究利用电动机转矩补偿控制的方法实现动力切换协调控制。

2) 从发动机转矩参数实时获取方式看，目前主要有以下方法:①发动机直接提供实时转矩数据;②根据发动机状态参数的MAP图标定法;③神经网络模型、平均值模型等模型估计法；④曲轴瞬时转速、缸内离子电流等信号检测分析法。方法①对发动机有要求，通用性差;方法②简单易行，但精度和适应性较差；方法③中平均值模型在稳态和动态试验大负荷情况下估计结果会出现较大偏差，神经网络模型估计精度较好但适应性不佳，如果通过在线的实时训练来更新网络权值，所需要的硬件资源将会很高;方法比较复杂，对硬件要求较高。方法④使用电子信号检测实时参数，由于电子信号较好的瞬时性，能够获得精确度高的目标检测量，但缸内离子电流对检测设备的要求较高，试验成本会大大增加。

3) 从车辆动力学建模工具看，很多研究采用了Matlab/Simulink软件，其中很多对传动系进行了简化，例如，文献[19]对蓄电池、发动机、电动机做了相应简化。也有采用了AVL/Cruis、AMESim软件建模仿真的，采用这类软件可以大大简化建模工作。

4) 从试验方法来看，绝大多数研究采用了离线仿真的方法，少数采用了硬件在环仿真和台架试验，极少数进行了整车试验。

5、混合动力切换协调控制关键技术

为了解决协调控制问题，需要研究并联混合动力电动汽车在发动机和电动机状态切换时的系统协调机理，确定相应的控制策略，控制发动机和电动机输出转矩的波动，并推导系统稳定性判断依据。目前需要解决的关键技术如下:

1) 并联混合动力电动汽车动力切换的瞬态特性与整车动力学建模。研究发动机、电池、电动机、离合器等总成在不同使用工况下的特性，分别建立其反映动态特性的动力学模型。建立转矩模型观测器对发动机转矩进行实时反馈，获得发动机的动态变化特性模型；研究电池特性和电动机的动力特性；分析离合器接合特性;研究并联混合动力电动汽车各动力源动力输出的相互关系，建立整车动力学模型，研究发动机与电动机联合作用的耦合规律。

2) 基于模型预测的电动机转矩补偿控制。分析驾驶意图，动力切换稳定时间和行驶工况信息等因素对动力切换的瞬态稳定性的影响，利用动力输出的稳定性控制参数补偿汽车行驶中不确定因素引起的频繁切换，保证汽车动力切换的稳定。

3) 并联混合动力系统动力切换动态协调控制的试验研究。仿真研究得出的结论距整车实验有一定差距，通过搭建硬件在环仿真实验台模拟实际系统，进行并联混合动力系统动力切换控制的硬件在环仿真研究，能够协调各子系统的控制策略和性能指标，从而可以验证和修正典型状态切换的动态协调控制算法，而台架试验和整车道路试验是该项研究真正实用化的关键技术。

4) 并联混合动力电动汽车动力切换时的瞬态稳定性。为了决策出最佳的动力模式切换，既要考虑当前行驶工况所对应的动力模式(属于离散变量)，也要考虑当前模式下动态系统对应的连续变量状态值(如汽车车速，安全车距等)。一旦准备切换到新的工作模式，又必须考虑工作模式切换所造成的连续变量动态系统的稳定性问题。建立汽车不同动力模式切换的统一混杂动态系统模型。明确各状态的边界和约束条件，建立动力切换系统稳定性判据的李雅普诺夫函数。

6、结论

建立合理准确的部件模型和整车动力学模型可正确反映部件的稳态动态特性，提高仿真结果的准确性，为试验研究积累基础。试验研究初期利用软件离线仿真可以初步测试控制策略的效果，利用硬件在环仿真可以方便地对控制器的功能进行检验，台架试验可以实现从零部件到整车的各种试验，试验过程易于操控，在经济条件允许的情况下整车试验能够给动力系统施加真实的道路负载，准确反映动力系统的实际性能。动力切换的协调控制能够防止混合动力系统动力切换时可能发生的发动机，电动机输出转矩突变问题，提高动力传递的平顺性。分析动力切换控制过程的稳定性，确保协调控制方法具有很好的自适应性和容错能力，才能为协调控制策略的真正应用奠定基础。

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Reviewe of parallel hybrid electric vehicle drive mode switches coordination control study

Zheng Shenggen, Li Jun
( School of electrical and mechanical and automotive engineering Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074 )

Hybrid electric vehicles are becoming the trend of the development of the automotive industry, and have achieved a breakthrough in the market. In hybrid system, the two sources of power need to switch energy management and drive mode according to the driving traffic. Owing to the different dynamic response characteristics of the engine and the motor, using the target torque to control the total demand torque according to their respective characteristics, this may lead to the power interruption and the torque oscillation in the process of vehicle running mode switching. This paper studies the dynamic coordination control of the output torque of the engine and the motor in the process of operation mode switch, the purpose is to avoid electrical shock caused by the exploding load, hoping to keep the vehicle running smoothly and fast comfort in the process of mode switching transition.

hybrid electric vehicles; drive mode; switch; coordination control

U469.7

B

1671-7988(2015)07-139-05

张胜根，就读于重庆交通大学,机电与汽车工程学院。