混合动力汽车转矩分配策略优化研究

李灿， 杨靖,， 冯仁华， 邓华， 江武， 张宇

(1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南 长沙 410082； 2. 重庆理工大学汽车零部件及先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

混合动力汽车转矩分配策略优化研究

李灿1， 杨靖1,2， 冯仁华2， 邓华1， 江武1， 张宇1

(1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南 长沙 410082； 2. 重庆理工大学汽车零部件及先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

以搭载改型后的Atkinson循环发动机并带有双离合器的单轴并联式混合动力三厢轿车为研究对象，采用逻辑门限值控制方法对发动机和电机的转矩进行合理分配，使混合动力系统在各种行驶工况模式下能够实时切换到高效工作区；引入各个驾驶工况模式控制策略的瞬时优化算法，进一步提高混合动力总成系统的整体效率。仿真和试验对比分析表明，提出的控制策略能够有效地降低NEDC循环工况百公里油耗，提高了搭载Atkinson循环发动机混合动力汽车的燃油经济性。

Atkinson循环； 混合动力； 逻辑门限值； 控制策略； 瞬时优化

目前受技术发展的制约，新能源汽车的动力电池、电机等技术还不够成熟可靠，因此需要一种过渡的油电混合驱动汽车(hybrid-electric vehicle，HEV)[1]。合理分配转矩的控制策略是优化混合动力总成的关键技术之一。目前国内对混合动力客车的研究已经较多，但是对以现有传统Otto循环发动机平台为原型，将其改型为车用专用混合动力总成系统的研究较少。

本研究以某三厢乘用车传统发动机为原型，将其改为单轴并联式混合动力总成系统。利用Atkinson发动机的优势将其作为主要动力源，在进行关键零部件选型匹配的基础上，采用逻辑门限值控制策略合理分配发动机、电机转矩，能够实时切换混合动力几种典型工作模式。在此基础上对各个模式控制策略进行瞬时优化，即在驾驶员功率请求下，保持整车动力性不变，以动力总成系统效率最高为目标函数，确保整个动力总成系统的效率达到最高。

1 HEV动力汽车结构

1.1 混合动力参数及设计指标

原型三厢乘用车整车参数见表1。该混合动力汽车设计指标如下：

1) 0—100 km/h加速时间t<15 s；

2) 最高车速v≥145 km/h；

3) 最大爬坡度(混合驱动)大于等于30%；

4) NEDC循环工况100 km燃油消耗量小于4.5 L。

表1 整车参数

1.2 动力总成方案设计

在原型车Otto循环发动机的基础上，通过重新设计活塞、优化燃烧室容积、重新设计配气机构、调整气门正时等技术手段实现Atkinson循环，具体实施及参数选择可参考文献[2]。串联式混合动力汽车对传输效率要求不高，但能量传递方式单一，且对电机要求高，成本高；混联式混合动力汽车结构复杂、零部件多、控制难度大且成本较高；并联式混合动力汽车有其独特的优点，结构、控制策略相对混联式简单得多[3]；尺寸、整车质量相对串联式汽车小。从动力性、续驶里程及整车效率方面看，并联式混合动力汽车更适合于城市工况。综合考虑，本研究选择带双离合器的单轴并联式结构(见图1)，动力系统零部件参数见表2。

图1 动力系统结构示意

部件参数Atkinson发动机最大功率/kW60．84最大转矩/N·m117．6最低燃油消耗率/g·(kW·h)-1234．8ISG电机最大功率/kW26额定功率/kW15额定转矩/N·m48最大转矩/N·m96额定转速/r·min-12800最大转速/r·min-16000磷酸铁锂电池电池组容量/A·h20电池单体数量/个96电池组总电压/V316．8CVT无级变速器速比0．442～2．432主减速比5．297

2 控制策略

混合动力控制系统可以根据驾驶员的转矩要求合理分配发动机和电机的转矩，尽可能地提高混合动力汽车整车燃油经济性，从而达到节能减排的目标[4]。目前混合动力控制策略主要采用逻辑门限值、模糊逻辑和动态自适应等方法。其中，逻辑门限值控制策略目前应用最多。

2.1 控制策略的设计原则

根据本研究设计的双离合ISG 混合动力汽车的动力总成特点和性能要求，控制策略的设计应遵循以下原则[5]:

1) 电机尽可能工作在高效区，发动机工作在髙效低排放工况区；

2) 为保证其使用寿命，要确保动力电池的SOC 处于合理、高效范围内，避免频繁和过度充放电；

3) 若动力电池电量允许，在起动工况和低负荷工况尽可能采用ISG电机起动和驱动，在怠速停车时，应考虑关闭发动机；

4) 在整车运行过程中，应尽量避免工作模式频繁切换。

2.2 整车控制策略的设计

混合动力汽车最终的能量来源于发动机，因此，设计控制策略时尽量使发动机在其高效率区工作。根据驾驶员的转矩请求来分配发动机和电机之间的转矩[6]，具体实施步骤如下：

1) 确定驾驶员转矩需求；

2) 选择工作模式；

3) 合理分配发动机、电机之间的转矩并进行CVT速比的控制。

本研究混合动力汽车动力总成中，Tr=Te+TISG。式中：Tr为驾驶员需求转矩；Te为发动机输出转矩；TISG为ISG电机输出转矩。

整车需求转矩数学模型：

驱动状态，Tr=a·Ta_max；

制动状态，Tr=b·Tb_max。

式中：Tr为整车需求转矩；a为油门踏板开度；b为制动踏板开度；Ta_max为整车动力源外特性转矩；Tb_max为整车最大制动转矩。

2.3 工作模式的划分及转矩分配

发动机逻辑门限值的设定主要包括发动机转速、转矩和电池的荷电状态(见图2)。发动机是混合动力汽车最终的能量来源，因此控制策略尽量使发动机在其高效率区工作，为此，以线1、线2、线3、线5、线7为界，将Atkinson循环发动机分为A，B，C，D，E5个区域。其中线1为发动机起动、关闭分界转速，本研究中取值1 200r/min；线2为电机常用工况外特性转矩(T2)曲线；线3为发动机高效工

图2 发动机工作区域划分

作区最低转矩(T3)曲线；线4为Atkinson循环发动机燃油消耗率最优曲线；线5为发动机高效工作区最高转矩(T5)曲线；线6为Atkinson循环发动机外特性转矩曲线；线7为发动机+ISG电机外特性转矩(T7)曲线。电池荷电状态SOC的门限值主要基于充放电频率和电机驱动整车的时间进行考虑，本研究中电池工作的荷电状态SOC值变化范围在0.3～0.8之间。

混合动力汽车动力总成的转矩分配策略如下：

1) 汽车起步时，CVT输入轴转速处于A区，即车速V≤15 km/h或输入轴转速nin≤1 200 r/min，电池荷电量SOC>0.3，ISG电机单独驱动；低负荷匀速请求转矩处于B区时，即车速V>15 km/h且nin≤1 200 r/min，Tr0.3，ISG电机单独驱动。以上称为纯电机驱动模式，发动机与电机的离合器C1断开，电机与CVT离合器C2闭合。

2) 当SOC≤0.3或者请求转矩处于C区即T215 km/h且nin>1 200 r/min，SOC<0.8时，发动机带动电机发电，称为主动充电模式，此时C1和C2都闭合。

3) 当请求转矩在动力源转矩再分配区，即T315 km/h且nin>1 200 r/min，SOC>0.3时，在发动机保持动力性不变的前提下以动力总成效率ηsys最大为目标，采用纯发动机驱动模式，此时C1和C2都闭合。

4) 当驾驶员请求转矩位于E区，此时已超出发动机高效区最高扭矩，即T515 km/h且nin>1 200 r/min，SOC>0.3，采用发动机电机混合驱动模式，此时C1和C2都闭合。

根据驾驶员需求转矩合理分配发动机和电机的工作状态，使汽车行驶时在不同模式间切换[7]。混合动力汽车工作模式和能量流动见图3。

图3 混合动力汽车工作模式及能量流动

为了验证搭载Atkinson循环发动机的混合动力汽车转矩分配控制策略是否正确合理，在整个NEDC循环工况中，对发动机的工作点进行采样，工作点统计分布见图4。

以电机将动力电池的电能转换成的机械能与发动机将汽油的热能转换成的机械能为等价关系，计算电能消耗对应的等价油耗，进而求得整车100 km综合油耗。从表3看出，搭载Atkinson循环发动机的混合动力汽车较搭载原Otto循环发动机的混合动力汽车综合燃油消耗量可降低17.6%，这表明对于混合动力车而言，Atkinson循环发动机比传统的Otto循环发动机更有节能优势。

图4 Atkinson循环发动机工作点分布

发动机类型100km燃油消耗量/L100km电能消耗量/kW·h100km综合燃油消耗量/LOtto循环发动机4．841．985．45Atkinson发动机4．360．414．49

3 动力总成系统的效率优化

混合动力源包括发动机和ISG电机，虽然逻辑门限值控制具有很好的鲁棒性和较高的计算效率，但是逻辑门限值转矩分配策略是基于Atkinson发动机在整个万有特性图中最低燃油消耗率而制定的，所以整个动力总成系统的效率并不是最高。为了克服上述缺陷，引入瞬时优化算法对以上转矩分配策略进行校正和优化[8]。

3.1 不同驱动模式效率优化

由于发动机、ISG电机和CVT效率基于试验测试测得，没有数学模型进行具体描述，而且拟合的函数误差较大，因此采用网格遍历法求解。在驾驶员请求功率Phev下，在保持动力性不变的前提下以动力总成效率ηsys最大为目标，对动力源转矩再分配，达到瞬时优化的目的。

动力总成系统效率：

式中：ηsys为动力总成系统效率；ig和TCVT_in分别为CVT速比和输入扭矩；fc(ig，TCVT_in)为CVT效率函数；nm和Tm分别为电机输出转速和转矩；f(nm，Tm)为电机效率函数；ne和Te分别为发动机输出转速和转矩；f(ne，Te)为发动机效率函数；ε和m分别为发动机和电机效率函数系数，纯电机驱动模式ε=0，其余模式ε=1，纯电机驱动和混合驱动模式m=1，其余模式m=0；主动充电模式φ=Tm，其余模式φ=0。

目标函数：Y=max(ηsys)；

优化变量：X={ig，Te，Tm}。

根据转矩分配策略模式的划分，分别以转矩、速比和转速为约束条件，在可行域内对车速和行驶功率Phev组合，CVT速比在0.442～2.432范围内以0.002步长变化，当混力总成系统效率ηsys最大时，所对应的电机、发动机转矩和CVT速比为该组合下的最优转矩和速比。

3.2 优化结果分析

从图5看出，在整个NEDC循环工况中，动力电池荷电量从初始值0.6变化至0.591，能够很好地保持电量平衡，在高速制动时，动力电池回收能量效率较高。

图5 NEDC循环工况动力电池荷电量

在整个NEDC循环工况中，统计不同模式下发动机工作点的分布情况。图6表明，在发动机主动充电模式下，动力总成系统效率ηsys最高时，发动机工作点在燃油消耗率最优经济线之上，且随驾驶员请求功率的增大集中在一条线上。图7表明，在纯发动机驱动模式下，ηsys最高时，发动机工作点大部分集中在低速区域且在燃油消耗率最优经济线之下。图8表明，在混合驱动模式下，ηsys最高时，发动机工作点大部分集中在低速高效区最低转矩线附近，随驾驶员请求功率增大逐渐增大，但都分布在燃油消耗率最优经济线之下。可以得出，混合动力汽车各模式下发动机经济工况点并不在发动机燃油消耗率最低工况线上。

图6 发动机主动充电模式下发动机工作点分布

图7 纯发动机驱动模式下发动机工作点分布

图8 混合驱动模式下发动机工作点分布

控制策略优化后的整车油耗和电耗见表4。优化后整车的100 km燃油消耗量由4.36 L降到3.85 L，100 km电能消耗量由0.42 kW·h增加到0.51 kW·h，这是因为优化后电机较优化前负荷率变大，因此电量消耗增多。整个NEDC循环综合100 km燃油消耗量由4.49 L降为4.04 L，整车燃油经济性提高10.7%。在各个工作模式下，基于瞬时请求功率对控制策略全局优化，完成两个动力源的转矩优化分配和CVT速比控制优化，进一步提高了搭载Atkinson循环发动机的混合动力汽车的燃油经济性。

表4 优化前后NEDC循环工况的电耗和油耗

3.3 试验验证

为了验证优化策略的合理性，对改型后的动力总成效率进行试验测试，总成效率测试结果以100 km燃油消耗量、100 km电能消耗量以及100 km综合燃油消耗量数值体现。图9示出改型后发动机机舱布置，图10示出仿真数据和试验数据的对比。

图9 改型后发动机机舱及尾箱布置

图10 优化前后仿真数据和试验数据的对比

由图10可以看出，采用优化策略后的仿真与试验数据吻合度较高，说明本研究制定的混合动力汽车转矩分配策略可行，可用于混合动力汽车经济性的提升。

4 结论

a) 采用逻辑门限值控制策略合理分配发动机和电机的转矩，搭载Atkinson循环发动机的混合动力汽车较搭载原Otto循环发动机的混合动力汽车综合燃油消耗量可降低17.6%；

b) 引入瞬时优化算法后，在保持动力性不变的前提下以动力总成效率ηsys最大为目标，对动力源转矩再分配，整车燃油经济性相比优化前可提高10.7%。

[1] 王德伦,周荣宽.ISG轻度混合动力电动汽车控制策略的制定及仿真[J].重庆理工大学学报(自然科学版),2013,27(6):5-9.

[2] 张思远.基于Atkinson循环的汽油机开发及性能优化[D].长沙：湖南大学,2015.

[3] 董相军.基于Cruise的混合动力电动客车仿真研究[D].西安：长安大学,2014.

[4] 杨泽华.并联式混合动力电动轿车整车仿真及数据分析研究[D].武汉：华中科技大学,2005.

[5] 王明.双离合器ISG混合动力电动汽车控制策略的仿真研究[D].合肥：合肥工业大学,2013.

[6] 田甜.单轴并联式混合动力汽车能量管理策略的研究[D].南京：南京林业大学,2011.

[7] 梁磊.ISG型混合动力系统动态转矩协调控制策略研究[D].镇江：江苏大学,2009.

[8] Wang B H,Luo Y G,Zhang J W.Simulation of city bus performance based on actual urban driving cycle in China[J].International Journal of Automotive Technology,2008,9(4):501-507.

[编辑： 潘丽丽]

Optimization of Torque Allocation Strategy for Hybrid Electric Vehicle

LI Can1, YANG Jing1,2, FENG Renhua2, DENG Hua1, JIANG Wu1, ZHANG Yu1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082, China; 2. Key Laboratory of Advanced Manufacture Technology for Automobile Parts, Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Taking a novel parallel hybrid sedan with dual clutch equipped with a retrofit Atkinson cycle engine as the research object, the logic threshold control method of distributing the torque of the engine and electrical machine reasonably was adopted so as to switch to the high efficiency working area in a variety of driving modes in time. The instantaneous optimization algorithm of various driving conditions was introduced to elevate the overall efficiency of hybrid system. The simulation results and comparative analysis show that the proposed optimization control strategy can effectively reduce the fuel consumption per 100 kilometers of NEDC cycle and hence improve fuel economy of vehicle carrying Atkinson cycle engine.

atkinson cycle; hybrid; logic threshold； control strategy; transient optimization

2017-04-10；

2017-06-27

李灿(1993—)，男，硕士，主要研究方向为发动机性能优化及混合动力搭载匹配；lican@hnu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.009

TK411.6

B

1001-2222(2017)04-0043-05