混合动力汽车发动机电机拖动策略和起动性能的研究*

李理光，李献菁，陆海峰，邓 俊

(1.同济大学汽车学院，上海 200092； 2.同济大学中德学院，上海 200092)

2016022

混合动力汽车发动机电机拖动策略和起动性能的研究*

李理光1，2，李献菁1，陆海峰1，邓 俊1

(1.同济大学汽车学院，上海 200092； 2.同济大学中德学院，上海 200092)

本文围绕ISG型混合动力汽车起动工况，研究了冷却水温和拖动转速对发动机起动阻力矩、电机电流特性和系统转速特性的影响。结果显示：冷却水温对电机拖动策略及起动性能有重要影响，当冷却水温低于约45℃时，发动机平均起动阻力矩随温度升高而明显降低，且拖动转速的升高对平均起动阻力矩的影响较为明显；而当冷却水温高于约45℃后平均起动阻力矩变化平缓；从降低阻力矩的角度出发，应采用低速起动。转矩控制模式下，热机和低速起动时，起动瞬间电机电流出现较大畸变，适当提高拖动转速或降低起动转矩有利于减小起动瞬间的冲击电流；转速控制模式下，起动瞬间产生更大的冲击电流，提高拖动转速有利于减小起动初期电机电流的突变。为实现快速起动，应根据冷却水温确定电机的起动控制策略，冷却水温高于约45℃时，采用转矩控制模式，低于约45℃时，采用转速控制模式。

混合动力汽车；快速起动；拖动策略；电流特性

前言

发动机怠速起停是ISG型混合动力汽车的重要工作模式，是提高整车燃油经济性和降低排放的重要措施，研究表明[1]，在城市工况下取消发动机怠速工况可以节省燃油消耗8%。根据我国城市驾驶循环工况，发动机怠速时间约占整个循环时间的25%～40%[2]，可见，利用ISG将发动机拖动到怠速转速，取消发动机在低转速下的加浓喷油过程，将使油耗和排放大为降低。

对ISG型混合动力的研究主要集中在参数匹配[3-7]、ISG电机控制系统[8-10]和整车能量管理策略等方面[11-13]。文献[14]中分析了ISG系统发动机冷/热起动过程中的运行阻力矩，并提出了发动机起动过程的3个阶段电机转矩的控制策略和控制方法。文献[15]中分析了低温环境下ISG柴油机起动性能的主要影响因素，结合柴油机的起动阻力矩、最低起动转速和ISG电机工作特性等因素，确定了ISG电机的最大输出功率，并研究了起动阻力矩与ISG电机功率和蓄电池容量之间的匹配关系，得到了起动阻力矩随环境温度和起动转速的变化规律。文献[16]中对ISG混合动力汽车的起动及加速策略进行优化，对冷、热机起动空燃比进行控制，提出了ISG快慢转矩的概念，以ISG转矩代替传统车的瞬态燃油，确定了理想的混合动力起动和加速的控制参数，NEDC循环测试结果表明，混合动力起动避免了传统车起动时的过浓喷油，ISG转矩有效地取代了传统汽车加速时的瞬态燃油，使混合动力汽车在节油的同时较大地改善了排放性能。文献[17]中对比不同电机起动策略对直喷汽油机起动持续时间、起动电压和电流的影响。以最大转矩拖动发动机起动，转速上升到250r/min时开始喷油点火，290ms后达到怠速转速，电压和电流在起动初始瞬间发生急剧变化，转速超调较大；而以50%最大转矩软起动拖动发动机，达到怠速转速才喷油点火，580ms后达到怠速转速，电压和电流的变化相对较缓慢，降低了转速超调。

可见，快速起动过程中，发动机与起动电机的相互作用和起动电机的控制对车辆的起动性能有重要影响，因此，本文中通过考察不同冷却水温下发动机的起动阻力矩以及电机的工作特性，对起动过程电机控制策略进行匹配，为改善发动机快速起动性能提供指导。

1 GDI发动机快速起动试验台架

图1为ISG型混合动力车用发动机快速起动试验台架总体布置示意图。试验平台主要由直喷汽油机及其控制系统、永磁同步伺服电机及其控制系统和数据采集系统等组成。

试验用发动机怠速转速为800r/min，永磁同步电机与发动机同轴连接，电机主要技术参数见表1[18]。

表1 电机主要技术参数

快速起动过程中涉及电机的两种控制模式：转矩模式和转速模式。转矩控制模式是电机控制器算法中应用转矩闭环控制，控制目标是电机输出转矩；转速控制模式是电机控制器算法中应用速度闭环控制，控制目标是电机输出转速。每种控制模式都需要对伺服控制单元内部指令进行设置，并在伺服控制单元相应的引脚上输入模拟电压来确定运行模式和运行特性。

2 发动机阻力矩分析

起动阻力矩可分为平均起动阻力矩和瞬时起动阻力矩，发动机的起动过程是一段时间内进行的，而瞬时起动阻力矩是在起动过程中某个时刻所产生的量，若对ISG电机进行实时控制，使其输出转矩跟踪发动机阻力矩变化，将大大增加电机控制器件的开闭频率，对元件寿命产生不利影响，故只考虑平均起动阻力矩，并采用倒拖法进行测量。

根据动力学知识，电机的驱动力矩和发动机起动阻力矩决定了发动机拖动过程的快慢。当发动机冷起动时，润滑油黏度大、流动性差，造成发动机内曲轴与轴瓦等摩擦面之间供油不足，气缸壁磨损加剧，导致各摩擦器件间的运动阻力增大，发动机的起动阻力也随之增大，加剧发动机的起动困难。随着冷却水温升高，润滑油温度升高，润滑油黏度降低，各活塞环槽中的润滑油供给充足，润滑较好，热起动时的阻力矩也相对较小[19-20]。

为使混合动力发动机满足快速起动的要求，电机需提供足够的转矩以克服阻力矩，拖动转速不同，需求的转矩也不同，因此需要针对不同冷却水温下的阻力矩匹配电机的拖动转矩及拖动转速。图2为冷却水温对发动机平均起动阻力矩的影响。由图可知，冷却水温低于45℃时，平均起动阻力矩随冷却水温升高而快速减小；冷却水温高于45℃时，平均起动阻力矩趋于平缓。试验中发现，冷却水温低于10℃时，该电机不易将发动机转速拖动至800～1 200r/min，因此在该转速范围内，只考察冷却水温高于25℃的情况。当冷却水温从25℃升高至45℃时，1 200r/min下的平均阻力矩下降最多，约为50%，而冷却水温从45℃升高至85℃时，各转速下的平均阻力矩变化较小。

由于冷却水温低于45℃时，起动阻力矩增加较快，此时若高速拖动发动机，将进一步增加发动机的阻力矩，导致发动机磨损严重，因此，电机的拖动策略应考虑冷却水温的影响，低温时采用低速起动利于降低阻力矩。

3 快速起动过程中电机的电流特性

电机拖动策略的匹配不仅要考虑阻力矩的变化，还要兼顾不同策略下电机自身的性能，为此考察不同冷却水温下拖动策略对电机性能的影响规律，主要分析其电流特性。

3.1 转矩控制模式下电机的电流特性

试验中分别以100%额定转矩和80%额定转矩将发动机拖动到不同转速，到达目标转速后对转速进行闭环控制。

图3为100%额定转矩起动发动机时各转速下电机电流的变化情况，图中仅给出单相电流的测试结果。由图3(a)可见，冷却水温度为25℃、拖动转速为400r/min时，起动初始0.03s内电流大小接近0，之后电流迅速增大，波形呈近似正弦波形，0.18s之后无规则变化，电流最大幅值为48A；800r/min时，起动初始0.05s内电流接近0，由于转速不同引起的起动阻力矩不同，电机静止时间与400r/min时的也不同，接着电流迅速上升，近似呈正弦波形，其最大幅值与400r/min时相等，0.45s之后电流波形呈无规则变化。

由图3(b)可见，冷却水温为45℃时，各转速下电机静止时间均不超过0.05s，由于冷却水温度升高，阻力矩降低，采用闭环控制时电机转速时电流幅值降低。

由图3(c)可见，冷却水温85℃时，400r/min下电机拖动瞬间，电流波形出现较大畸变，0.01s时刻电流幅值达到59A，随后电流值逐渐下降，其最大幅值接近30A；800r/min下，起动初始0.05s内电流值为0，随后电流逐渐上升，最大幅值为40A；600r/min的情况与800r/min时接近。

起动初期，电流大小接近0，这是由于电机处于起动静止阶段，电流不能立刻上升到目标幅值，电机转矩尚未能克服阻力矩的缘故。随着电机电流上升，电机转矩达到目标值，进入起动加速阶段[14]，系统转速达到目标转速之后，电机开始进行转速闭环控制。由于发动机阻力矩随活塞位置变化而变化，为了平衡发动机阻力矩，电机输出转矩也相应变化，加上电机低速控制时不稳定，电流幅值也改变，三相电流不再按对称的正弦波形变化，这主要由电机的磁路结构和永磁电机的永磁体性能决定[21-22]。

图4为拖动转矩降低到80%额定转矩后，各转速下电机电流的变化趋势。由图可见，各转速下电机电流的变化趋势与图3的一致，但整体上电流处于0值的时间更长。

冷却水温为25℃时，400r/min时电流值在0.05s内持续为0，在0.1s时刻达到最大幅值39A；800r/min时电流在0.1s内持续为0，0.15s时刻达到最大幅值。冷却水温为45℃时，0.05s后各转速下的电流值逐渐增大，但幅值较低。冷却水温升高到85℃后，在400和800r/min时电流持续为0的时间分别为0.05和0.15s，随后两者电流均无规则变化。相比100%额定转矩拖动的情况，起动转矩下降，起动瞬间电流的瞬时值也降低。

可见，冷却水温不同，同一拖动策略下电机的电流特性也不同。冷却水温为25℃时，100%额定转矩拖动，电流幅值为额定值，若以80%额定转矩拖动，电流幅值降低，电机静止时间延长；冷却水温为45℃时，两种拖动转矩下，电机电流幅值均不会超出额定值；冷却水温为85℃，采用大转矩拖动，低速下电流出现畸变。从本试验情况来看，转矩控制模式下，当冷却水温高于45℃时，将拖动转速提高至600～800r/min或将起动转矩降低至80%额定转矩，以防止电流超调；当冷却水温低于45℃时，采用低速拖动。

3.2 转速控制模式下电机的电流特性

转速控制模式下电机起动过程电流的变化情况如图5所示。由图可见，与转矩控制模式相比，转速控制模式下电流幅值更高，电流处于0值的时间缩短。

由图5(a)可见，25℃冷却水温、400r/min拖动转速下，电机起动初始时，电流瞬间升高，在0.04s时刻电流达到最大幅值，在0.06s时刻进入转速闭环控制；800r/min拖动时，电机电流同样在0.04s时刻达到最大幅值，在0.13s时刻进入转速闭环控制；600r/min下，电机达到最大幅值的时刻与400r/min的相同，进入转速闭环控制的时刻介于400与800r/min之间。

由图5(b)可见，冷却水温为45℃时，各拖动转速下的电流响应快，且幅值均在额定值内。由图5(c)可见，冷却水温升高到85℃时，400r/min拖动起动瞬间出现较大的冲击电流，0.05s时刻电流瞬时值超出电机电流瞬时最大值，对电机寿命极为不利，0.15s后电流逐渐过渡到平稳脉动的阶段；600r/min和800r/min拖动时，电流过渡较平稳，未出现瞬间过大电流的情况，0.05s以后电流整体变化较均衡。一方面，电机低速控制不稳定易出现超调[21-22]，另一方面，转速控制模式下，起动瞬间电机按最大转矩输出，冷却水温较低时，起动阻力矩增加，刚好抑制电机转矩控制超调。

低速运行平稳性主要由电机的特性和控制器性能决定，包括位置传感器精度限制、电机输出电磁转矩的波动和各类扰动转矩[21-22]。拖动过程发动机的瞬时阻力矩对电机造成不同程度扰动，不同的冷却水温及不同拖动转速下发动机阻力矩不同，导致电机起动时负载不一致，对电机起动性能产生影响，因此电机的拖动策略应该依据冷却水温及目标拖动转速来匹配。

转速控制模式下，电机电流普遍较高，冷却水温低于45℃时，电流幅值逼近电机允许最大幅值；冷却水温为45℃时，各转速下电流幅值降低，均不超出额定值；冷却水温为85℃时，应提高拖动转速至600～800r/min，以防止电流超调。

综合电机两种控制模式，从保护电机的角度出发，为防止拖动时电流过大，起动过程尽量采取转矩控制模式。

4 快速起动过程中ISG的转速特性

ISG的转速特性由起动阻力矩和电机驱动力矩共同决定，由于电机与发动机同轴连接，两者转速相等。转速变化影响到起动的平顺性，因此电机拖动策略的匹配需考虑转速的变化，为此考察不同冷却水温下，电机拖动策略对起动转速的影响规律。

4.1 转矩控制模式下ISG的转速特性

本试验中，在转矩控制模式下该电机能提供的最大转矩为额定转矩，转矩过低发动机起动困难，因此主要考察100%额定转矩和80%额定转矩拖动发动机时的转速特性。电机将发动机拖动到目标转速后进入转速闭环控制，若干循环后电机卸载。100%额定转矩拖动时的转速特性见图6，以80%额定转矩拖动时发动机转速特性如图7所示。

由图可知，拖动初始，ISG转速有一短暂的接近0的状态，与前面电机电流特性一致，主要是因为电机处于静止阶段，尚未克服起动阻力矩。电机克服阻力矩后，转速迅速升高，但不同冷却水温下达到相同目标转速的快慢不同。冷却水温为25℃时，电机将发动机拖动到800r/min所用的时间约为0.4s，拖动到1 100r/min约需要0.6s，短时间内拖动转速的继续提升有限；冷却水温为45℃时，相同拖动转矩下，电机将发动机拖动到800r/min所用的时间小于0.3s，拖动到1 100r/min为0.3s左右，与25℃冷却水温时的相比，达到目标转速的时间缩短，且在0.4s内电机的拖动转速仍可以继续提高；与45℃冷却水温相比， 85℃时，电机将发动机拖动到各目标拖动转速所用的时间变化不大。

由图7可见，25℃冷却水温下，电机将发动机拖动到400r/min约需要0.4s，尽管电机电流在0.1s内达到最大值，但转速的上升存在0.3s的滞后，在该转矩下，拖动转速在1s内很难上升到800r/min。结合平均起动阻力矩的分析，在该冷却水温条件下，800r/min时的平均起动阻力矩及瞬时最大阻力矩也较大，起动时不能克服第一个压缩过程的阻力矩，导致转速无法继续上升。冷却水温升至85℃，各转速下的平均起动阻力矩降低，达到目标转速所用的时间缩短，转速达到400r/min的时间少于0.4s，达到800r/min所用的时间接近0.6s，未能达到混合动力快速起动要求。

由于冷起动时机油温度低导致其黏度较大，增加了发动机各运转部件之间的摩擦阻力矩，起动阻力矩较大，导致拖动到目标转速所用的时间增加。冷却水温为25℃时发动机快速起动转速提升缓慢，起动较困难，可考虑按传统起动方式起动，冷却水温升高到45℃后，更利于发动机在转矩模式下实现快速起动。结合图2可知，冷却水温为25℃时，与400r/min的阻力矩相比， 600r/min下的阻力矩增加12%，而1 200r/min的阻力矩增加36%，因而极大增加了发动机冷起动的困难。

图8对比了各冷却水温下，电机以不同拖动转矩将发动机拖动到400和800r/min时所用的时间。由图可见，所考察条件下，将发动机拖动至400r/min的时间均在0.4s内。冷却水温为25℃、目标拖动转速为800r/min时，若以80%额定转矩拖动需要1.8s，而以100%额定转矩拖动时可缩短约1.4s； 冷却水温为85℃时，以80%的额定转矩拖动时，起动时间比100%额定转矩拖动时的增加了0.3s，未能满足快速起动的需要。转矩控制模式下，为实现快速起动，将目标拖动转速提高至800r/min时，冷却水温需高于45℃，且须采用100%额定转矩拖动。冷却水温低于45℃时，考虑低速起动。

4.2 转速控制模式下ISG的转速特性

电机采用转速控制模式，将发动机拖动到400～1 200r/min后，保持目标拖动转速不变，发动机起动过程转速特性曲线如图9所示。

由图可见，10℃冷却水温下，转速上升较缓慢，其余水温条件下，转速上升均较快，在所考察水温条件下，电机均能在0.3s内将发动机拖动到怠速转速。结合前述电机电流特性，以转速控制模式拖动发动机时，电机起动瞬间电流值陡升，幅值接近最大允许电流值，即电机瞬间提供大转矩拖动发动机，使发动机转速快速上升。

图10为转速控制模式下起动时间随冷却水温的变化关系。由图可知，各水温条件下，电机将发动机拖动到400r/min所用的时间几乎相等；拖动转速为800r/min，冷却水温从10升高到25℃时，起动时间从0.24s降到0.15s；而冷却水温从25升高到85℃时，拖动时间仅缩短0.01s，说明此时起动时间受冷却水温的影响不大。

综上所述，低温冷起动时，转速控制模式仍可以保证发动机曲轴转速的加速度恒定，使系统转速快速上升。

5 结论

通过分析冷却水温对混合动力发动机起动阻力矩、电机电流特性和起动转速特性的影响规律，得出如下结论。

(1) 电机的拖动策略应考虑冷却水温的影响，低温时采用低速起动利于降低阻力矩。在本文中研究条件下，冷却水温低于45℃时，起动阻力矩增加较快，拖动转速升高使发动机阻力矩进一步增加。

(2) 转矩控制模式下，当冷却水温高于45℃时，将拖动转速提高至600～800r/min或将起动转矩降低至80%额定转矩，以防止电流超调；当冷却水温低于45℃时，采用低速拖动。

(3) 转速控制模式下，电机电流普遍较高，冷却水温低于45℃时，电流幅值逼近电机允许最大幅值；冷却水温高于45℃时，提高拖动转速至600～800r/min，可防止电流超调。

(4) 综合起动阻力矩、电机电流特性和起动转速特性，起动过程电机应尽量采用转矩控制模式，并根据冷却水温来调整拖动转矩和转速。当冷却水温低于45℃时采用低速起动，冷却水温高于45℃时可提高拖动转速，实现快速起动。

[1] HOHENBERG G，INDRA F. Lexus RX 400h-Drivetrain Analysis and Test Results[C]. Fortschritt-Berichte VDI. Reihe 12，Verkehrstechnik/Fahrzeugtechnik，VDI Verlag GmbH， 2006：180-203.

[2] 叶小平. 基于循环工况的多模式控制策略开发[D]. 长春：吉林大学，2006.

[3] SUN Yongzheng，LI Xianjing，DENG Jun, et al. Power Matching and Control Strategy of Plug-in Series Hybrid electric Car[C].SAE Paper 2010-01-2195.

[4] LI Xianjing，SUN Yongzheng，DENG Jun et al. Optimization of Control Strategy for Engine Start-stop in a Plug-in Series Hybrid Electric Vehicle[C]. SAE Paper 2010-01-2214.

[5] 呼和. 增程式纯电动车动力系统参数匹配与优化研究[D].长春：吉林大学，2012.

[6] 于水. 混合动力汽车汽油机起动工况瞬态燃烧和排放特性研究[D]. 上海：上海交通大学，2009.

[7] 谌文文.ISG混合动力汽车动力系统匹配与参数优化的研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[8] 董顶峰. ISG系统用永磁同步电机起动性能与数字控制系统研究[D].镇江：江苏大学，2008.

[9] 何代杰. 增程式电动摩托车ISG电机控制器的设计与研究[D]. 重庆：西南大学，2013.

[10] 周孟喜. 电动汽车驱动工况下的整车控制策略研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[11] 敖国强. ISG混合动力城市客车动力系统集成与优化控制研究[D]. 上海：上海交通大学，2008.

[12] STEINMAURE G, DEL RE L. Optimal Energy Management for Mild Hybird Operation of Vehicles with an Integrated Starter Generator[C].SAE Paper 2005-01-0280.

[13] 钟虎.ISG柴电混合动力汽车多能源管理策略研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[14] 李红朋. 基于HEV发动机起动性能的ISG转矩控制与仿真研究[D]. 重庆：重庆大学，2005.

[15] 魏长河，王忠，叶飞飞，等. 低温环境下ISG技术柴油机起动性能分析[J]. 农业机械学报，2010，41(9)：8-14.

[16] 王存磊，殷承良，罗刚，等. ISG混合动力汽车起动及加速策略[J]. 内燃机学报，2012， 30(1)：79-84.

[17] FESEFELDT T, MÜLLER S. Optimization and Comparison of Quick and Hybird Start[C]. SAE Paper 2009-01-1340.

[18] ΣⅡ系列SGMGH/SGDH用户手册[M]. 株式会社，安川电机，2003.

[19] 林琼. 基于试验与仿真分析的发动机运动件摩擦耦合动力学研究[D]. 杭州：浙江大学，2008.

[20] 周龙保，等. 内燃机学[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[21] 纪科辉. 低速交流电机伺服系统的研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2013.

[22] 陈为奇. 永磁同步电机低速控制策略研究[D]. 北京：北方工业大学，2012.

A Study on the Motor Cranking Strategy and Start Performance of a HEV Engine

Li Liguang1,2, Li Xianjing1, Lu Haifeng1& Deng Jun1

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai200092； 2.CDHK,TongjiUniversity,Shanghai200092

In this paper, the effects of coolant temperature and cranking speed on the starting resistance moment of engine, the current characteristics of electric motor and the speed characteristics of system for an ISG hybrid electric vehicle under starting condition are studied. The results indicate that the coolant temperature has an important effect on the motor cranking strategy and starting performance. When coolant temperature is below around 45℃, the average starting resistance moment significantly reduces with the rise of coolant temperature, and obviously decreases with the fall in cranking speed, and when the coolant temperature is higher than around 45℃, the average starting resistance moment tends to be stable. From a point of view of reducing resistance moment, low speed starting should be adopted. Under torque control mode, the transient current of motor shows a larger distortion in low-speed and hot start, but the reasonably increasing cranking speed or decreasing starting torque are conducive to the reduction of transient starting current surges; while under speed control mode, larger crrent surge appears in starting instant, and the increase of cranking speed helps reduce the abrupt change of motor current in the initiate phase of starting. For achieving quick start, the starting control strategy of motor should be determined according to coolant temperature: torque control mode should be adopted when coolant temperature is above 45℃, and speed control mode for coolant temperature below 45℃.

HEV； quick start； cranking strategy； current characteristics

*上海市科学技术委员会(11DZ2260400)和国家自然科学基金项目(51376139)资助。

原稿收到日期为2014年8月19日，修改稿收到日期为2014年9月22日。