电动四驱混合动力汽车扭矩分配控制
2018-12-08李红超刘彻
李红超 刘彻
（长城汽车股份有限公司；河北省汽车工程技术研究中心）
在混合动力车型的开发过程中，国内外各大汽车公司根据市场定位、技术路线等的不同，推出了多种不同的混合动力车型，其中电动四驱（E4WD）混合动力汽车是近年来较新的车型，它是在ISG/BSG混动车的基础上，加入了一个后轴驱动电机（Electric Rear Axle Drive Motor），该电机通过减速齿轮与后轴相连。E4WD车型具有良好的经济性，同时具有良好的操纵性能。混合动力整车控制器（HCU）通过使用或禁用不同的动力源可实现两驱、四驱和纯电3种不同的驱动模式，同时在滑行和制动工况下，可实现能量回收。E4WD混合动力车型结构简单，易于在传统汽车的基础上进行改造，已成为各大车企重点研发的车型[1]。为此，文章对电动E4WD动力系统的工作模式进行分析，并在技术上对其关键控制参数进行设计。
1 系统结构
E4WD混合动力汽车是在发动机前置前驱的基础上，通过增加前电机和后电机以及电池构成E4WD混合动力系统。前轴由发动机和前电机联合提供动力，并通过变速器将动力输出，经前轴差速器分配给两前轮。后轴由后电机提供动力，经后轴差速器分配给两后轮。前电机和后电机均为可逆电机，既可以工作在电动机模式为汽车提供驱动力，也可以工作在发电机模式产生电能。电池作为储能装置存储电机产生的电能和向电机提供电能。
2 行驶工况
2.1 起步工况
传统内燃机汽车在起步工况下，需要在低转速下输出较大的扭矩，此时的燃油经济性较差。因此，为避免出现这样的情况，当汽车在10 km/h的速度阀值以下，高压电池荷电状态（SOC）水平高于阀值时，汽车起步为后轴电机输出100%的扭矩。若电池的SOC低于阀值，则发动机也将参与汽车的起动，汽车起步工况能量流，如图1所示。
图1 电动四驱混合动力汽车起步工况能量流图
2.2 匀速工况
汽车以10～70 km/h的速度匀速行驶时，系统认为汽车在中低速行驶，此时可实现E4WD功能。在转角为0°的情况下，HCU将前后桥扭矩比例调整至60/40，此时起动功能发电机（BSG）将提供一个持续的能量给电池和后轴电机供电，以保证电池有足够的能量提供给电机，满足有可能产生的加速工况。中低速匀速工况能量流，如图2所示。
图2 电动四驱混合动力汽车中低速匀速工况能量流图
汽车以70 km/h以上的速度进行匀速行驶时，系统将认为汽车在高速行驶。为保证汽车的行驶稳定性，降低电池的电量消耗，HCU将前后桥扭矩分配比例提高，直至前桥输出100%的扭矩，同时前轴BSG电机将持续给电池充电。高速匀速工况能量流，如图3所示。
图3 电动四驱混合动力汽车高速匀速工况能量流图
2.3 加速工况
在高压电池的SOC水平高于阀值，汽车速度低于70 km/h，并有小加速的情况下，HCU将增大后轴电机的扭矩输出比例，以保证汽车扭矩输出的及时性，使顾客有较好的加速体验。E4WD混合动力汽车小加速工况能量流，如图4所示。
图4 电动四驱混合动力汽车小加速工况能量流图
如果驾驶员继续增加油门踏板力度，高压电池SOC水平高于阀值，HCU将同时增加发动机及后电机的扭矩,以保证汽车具有良好的动力性。E4WD混合动力汽车大加速工况能量流，如图5所示。
图5 电动四驱混合动力汽车大加速工况能量流图
当车速超过70 km/h后，为了保证行驶稳定性，HCU将降低后电机扭矩，同时增高发动机扭矩输出，此扭矩比例调整过程保证了总的扭矩输出依照油门踏板深度的增加而增加，期间转化过程平顺，驾驶员不易察觉。
2.4 减速工况
当驾驶员踩下制动踏板后，制动能量回收系统将协调液压和电机制动力矩，同时控制真空制动助力器的电动真空泵。驾驶员通过踩下制动踏板解耦后轴的制动回路，有意增大制动踏板的行程，汽车最初会仅由连接到后轴的电机施加制动，并产生电力，系统能通过踏板的位置判断出需要多大的发电机力矩。E4WD混合动力汽车制动能量回收工况能量流，如图6所示。
图6 电动四驱混合动力汽车制动能量回收工况能量流图
如果驾驶员加大踏板的力度，额外的液压制动力矩将按普通的方式施加于汽车的前轴，从而使得汽车前后轴都实施制动。如果发电机无法在后轴上产生足够的制动力矩，系统会利用液压调节器生成额外的制动压力。液压和电动机间的转换过程十分平顺，驾驶员甚至察觉不到，汽车的表现和踏板感也与普通汽车无异[2]。
3 行驶经济性影响参数调整
决定整车经济性的关键控制参数可分为2类。
一类参数影响工作模式的选择，根据当前的运行状态选择最经济的工作模式。汽车速度对模式的选取起到重要的作用，所以速度阀值的选取直接影响工作模式的选择。上述模式以低于10 km/h为低速工况，高于10 km/h低于70 km/h为中速工况，高于70 km/h为高速工况，此阀值的选取应综合考虑汽车动力性、行驶稳定性及燃油经济性，发动机的性能参数将对其速度阀值的选取起到决定性影响作用。
另一类参数影响给定工作模式下不同动力源之间的扭矩分配，从而在该工作模式下获得最优的经济性，高压电池SOC阀值就为这一类参数。上述大部分模式均为SOC高于阀值时的能量流，但是如果某个模式下高压电池SOC低于阀值，那电池中的能量将不可用，此时HCU必将增加发动机的扭矩比例以补充后电机扭矩减小的空缺，此阀值的选取受到电池充电、放电能力的影响[3]。
4 结论
文章通过对E4WD混合动力汽车扭矩分配控制的分析，提高了E4WD车型控制逻辑及各类阀值的匹配设计能力，克服了控制逻辑设计不当导致的经济性下降、动力性不足的问题，同时作为新能源汽车E4WD车型，其克服了纯电动汽车续航里程短、充电时间长的缺点，弥补了传统四驱汽车燃油经济性差的不足，为今后各大车企提高新能源车型开发能力提供了参考。
