双电机混合动力车辆发动机起停机控制方法研究

祝 浩，徐家良 Zhu Hao，Xu Jialiang

双电机混合动力车辆发动机起停机控制方法研究

祝 浩，徐家良
Zhu Hao，Xu Jialiang

（中国第一汽车集团公司 新能源开发院，吉林 长春 130013）

针对双电机混联构型混合动力的结构特点，在城市低速工况下，整车驱动模式仅在纯电动模式和串联模式间切换，为保证模式切换的快速进行，需要开发一套高效的发动机起停机控制方法，以实现发动机快速的起机和停机控制。将发动机起机过程分为发动机拖动和工作点调整两个阶段，将停机过程分为工作点调整和发动机降转速两个阶段，基于整车的驱动模式请求，可在起停机各个阶段之间灵活跳转，快速实现发动机起机和停机控制，最后进行试验验证，结果表明，起停机策略能够及时完成发动机起停机控制，支持整车驱动模式切换。

双电机；混合动力；模式切换；起停机控制

0 引 言

进入新世纪以来，国内汽车保有量不断攀升，导致每年需进口大量石油。电动车被证明是降低机动车石油消耗的一个较好方案，但里程焦虑问题限制了纯电动汽车的推广使用。HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合动力汽车）被证明是纯电动汽车普及前一个较好的过渡方案[1-2]，其中双电机混联式构型被国内各大主机厂认为是实现HEV的一个较好方案[3-8]。

现有学者多聚焦于起停机条件判断[9-10]，发动机起动过程中的基本燃烧理论[11]，以及发动机起机后串联模式下的能量分配管理[12]，但是对于车辆从纯电动模式下快速起机进入到串联模式，以及从串联模式下迅速停机进入纯电动模式，即快速完成模式切换，同样重要。在分析起停机过程中发动机、发电机工作过程的基础上，对起机和停机过程进行阶段划分，在各阶段中，发动机和发电机分别通过一定的操作协调配合完成起机和停机操作；另外，由于整车模式请求存在不确定性，会存在起机过程中再次停机，以及停机过程中再次起机，所以对这种情况也进行了分析和试验。

1 双电机混联构型特性分析

1.1 双电机混联构型结构特征

图1为双电机混联构型结构图，动力系统主要包括发动机、驱动电机、发电机、动力电池组、机械耦合器。发电机始终与发动机相连，主要用于起动发动机和发电；驱动电机用于驱动行驶和制动能量回收；当离合器分离时，整个系统为串联构型；当离合器结合后，整个系统为并联构型。

图1 双电机混联构型结构图

在图1双电机混联构型中，传统的变速箱被耦合器所取代，耦合器将驱动电机、发动机/发电机以及离合器连在一起，离合器位于发动机和驱动电机之间。发电机始终与发动机相连，主要用于发电，驱动电机与驱动轮相连，用于驱动行驶，在减速和制动时，驱动电机可以回收能量对动力电池进行充电。

1.2 双电机混联构型驱动模式分析

根据双电机混联构型的结构特点，整车工作模式分为以下3种。

（1）纯电动模式。

图2 纯电动模式系统能量流图

在纯电动模式下，发动机保持停机状态，发电机保持零扭矩状态，离合器打开，发动机与驱动轮间无动力连接，动力电池输出能量供驱动电机驱动车辆前进，或驱动电机回收能量向动力电池充电，能量只在驱动电机和动力电池间转移，如图2所示。纯电动模式多发生在车辆对驱动功率需求不大并且电池电量足够的情况下；在串联工况下，当驱动电机进行制动能量回收时，为保证动力电池有足够的充电功率吸收驱动电机的回收功率，此时发动机也会停机进入纯电动模式。

（2）串联模式。

在串联模式下，离合器依然保持打开状态，发动机燃烧输出扭矩，发电机输出负扭矩来平衡发动机扭矩，并将发动机转速维持在期望转速上以保证一定的发电功率输出，此时车辆依然由驱动电机驱动。在串联模式下，基于动力电池的充放电情况，串联模式又可分为3种模式：串联驱动模式、串联发电机模式和串联助力模式。在串联驱动模式下，如图3所示，发电机输出的功率正好全部用于驱动电机驱动，动力电池没有充放电；在串联发电机模式下，如图4所示，发电机输出功率大于驱动电机的消耗功率发电机输出功率除用于驱动电机驱动以外，还向动力电池充电；在串联助力模式下，如图5所示，当驱动电机的驱动功率较大时，比如高车速下急加速，此时发动机输出功率无法满足驱动电机的功率消耗，不足部分由动力电池输出能量，此时发电机和动力电池共同提供能量来驱动车辆。

图3 串联驱动模式系统能量流图

图4 串联发电模式系统能量流图

图5 串联助力模式系统能量流图

（3）并联模式。

并联模式下，离合器吸合，发电机工作在零扭矩随转模式，发动机输出扭矩直接传递至车轮，发动机转速和车速呈固定速比关系，类似传统车上高速挡；在滑行时，驱动电机可回收能量向动力电池充电，轻微加速时，驱动电机可提供一定的助力，同时，当整车驱动功率需求较小时，为保证发动机工作在较经济的负荷点，发动机可边驱动车辆边带动驱动电机发电，多余的能量储存于动力电池中，如图6所示。

2 纯电与串联模式间切换起停机需求分析

双电机混联构型节能的原理是：当整车驱动功率较小时或车速较低时，整车工作在串联模式，发动机转速与车速解耦，发动机工作点可自由工作在低油耗经济区，虽然能量转换效率不如发动机直驱模式，但是通过提高了发动机燃烧效率从而弥补了能量转换效率的损失，即实现了总能量利用率较高；当车速较高时，整车驱动功率适中，此时选择工作在并联模式，发动机输出扭矩直接用于驱动车辆前进，由于此时车速较高，因此发动机可工作在经济转速和负荷点上，此时相当于传统车的高速挡。

2.1 纯电到串联模式切换起机需求分析

基于整车的驱动模式分析，纯电到串联模式切换的条件是：整车驱动功率与动力电池充电功率之和较大，使得发动机可以工作在低油耗经济区，或是电池可用放电功率即将不满足整车驱动功率需求。特别是针对后一个条件，此时需要发动机迅速起机并燃烧输出功率，以满足整车的驱动功率需求，保证驾驶性。

因此，从纯电模式切换到串联模式对起机的需求是，发电机需要快速将发动机转速拖至较高，尽快掠过发动机低转速共振区，同时发动机在相位同步后快速点火燃烧输出扭矩，发电机需要从输出正扭矩拖动发动机迅速转换为输出负扭矩发电，同时尽快使发动机转速爬升至目标转速点以保证一定的功率输出。

2.2 串联到纯电模式切换停机需求分析

在串联模式下，发动机工作在经济区发电，根据发动机的油耗特性，此时发动机转速与负荷皆较高。当整车有纯电驱动模式请求时，发动机需要从当前工作点迅速降低转速和负荷直至停机。为了提升停机过程中NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动、声振粗糙度）特性，需要发动机转速快速掠过低速共振区，因此停机过程中发电机会输出一定的负扭矩来快速降低发动机转速。

对于发动机降负荷的方式，第1种方式是发电机先将发动机维持在当前转速，同时发动机降扭，待发动机扭矩完全降低后再通过发电机输出负扭矩来快速降低发动机转速；第2种方式是发动机降低扭矩的同时，发电机增大负扭矩来压低发动机转速直至停机。对于第2种发动机降负荷方式，发动机降扭矩和降转速同步进行，发动机降扭过程中转速偏离了经济区，降扭过程中发动机燃油经济性相比第1种方式变差；另外，当发动机降负荷和降转速同步进行时，由于发动机扭矩响应较慢，在降扭初期可以认为是在发动机扭矩不变的情况下降低发动机转速，因此发电机需要提供更大的负扭矩才能压低发动机转速，为此发电机需输出更大的发电机功率。整车进入纯电模式多是在整车驱动功率很小或是处于能量回收阶段，即驱动电机没有功率消耗或是在能量回收，而发电机此时输出了更大的发电机功率，所以当低温电池可用充电功率不足时，会导致电池过充，影响电池寿命。

基于上述分析，在停机过程中，发电机先通过转速控制模式维持当前经济转速，发动机同步完成降扭，此时发电机从输出发电功率转换为消耗正功率，当发动机扭矩完全降低后，发电机输出负扭矩来辅助降低发动机转速。

2.3 纯电与串联模式切换中起停机意图改变需求分析

在实车环境下，由于整车所处工况的不确定性，整车的驱动模式请求也存在不确定性，因此在发动机起停机过程中，存在因为整车驱动模式请求发生改变导致再次返回到起停机操作之前状态的可能，即发动机起停机过程中存在起停机意图改变需求。

当起停机过程中发生起停机意图改变需求，应立即停止当前的起停机操作并迅速完成新的起停机控制，以满足整车的功率需求。

3 建模与实车功能验证

3.1 软件建模实现

根据上述分析，起停机控制模块在整个软件策略中的作用是，整车驱动模式管理模块根据车辆当前的状态判断车辆的目标驱动模式，并向起停机控制模块发出起停机控制请求，起停机控制模块接收到起停机请求后，通过控制发动机和发电机完成发动机起停机操作，待起停机完成后整车驱动模式分别进入纯电动模式或串联模式，如图7所示。

（1）起机过程。

对于起机过程，根据上述的需求分析，将起机过程分为2个阶段：发电机拖机阶段和发动机工作点调整阶段。

在发电机拖机阶段，发电机输出正扭矩来将发动机转速拖至一定的转速值，此转速值应大于发动机的怠速转速。发电机拖动发动机转速升高的目的是使发动机尽快完成相位同步，同时尽快掠过低速发动机共振区，因此发电机拖动发动机正扭矩的计算可通过发动机转速查表获取，同时为避免拖动发动机消耗功率过大，拖动阶段发电机功率消耗应该小于设定限值。

在发电机拖机阶段，当发动机上报相位已至同步状态后，意味着发动机已经可以进行喷油燃烧，HCU（Hybrid vehicle Control Unit，新能源整车控制器）随后向发动机发送请求扭矩值，此请求扭矩值等于串联模式下发动机目标扭矩值，在HCU向发动机请求扭矩的同时，HCU将发电机的拖机扭矩置零；发动机在响应HCU请求扭矩后，发动机转速上升，待发动机转速超过HCU请求扭矩的转速一定值后，认为发动机已经点火成功，发电机拖机阶段结束，进入到发动机工作点调整阶段。

在发动机工作点调整阶段，HCU向发动机请求的扭矩依然等于串联模式下发动机目标扭矩值，发电机进行转速控制，输出一定的负扭矩将发动机转速维持在串联模式下发动机目标转速值上。

待发动机转速和扭矩与串联模式下发动机目标转速、扭矩的偏差小于一定的限值后，认为发动机起机过程结束，整车进入到串联驱动模式。

（2）停机过程。

对于停机过程，根据上述需求分析，将停机过程分为两个阶段，发动机工作点调整阶段和发电机辅助停机阶段。

在发动机工作点调整阶段，HCU向发动机请求的扭矩从当前值逐步降低至零，在发动机降扭的过程中，发电机通过调整自身扭矩将发动机转速维持在停机过程初始时的转速，当发动机扭矩降低到零后，发动机工作点调整阶段结束，进入到停机第2阶段，即发电机辅助停机阶段。

在发电机辅助停机阶段，其控制需求是快速将发动机转速降低至零以掠过低速共振区，同时保证此阶段发电机输出发电机功率不超过动力电池允许的充电功率限值，此阶段发电机辅助停机负扭矩通过发动机转速查表得到，从进入此阶段开始，HCU向发动机发出断油请求，以保证发动机不再燃烧。发电机输出负扭矩逐步增大，待发动机转速接近零时，为避免反转，HCU将发电机的辅助停机扭矩设置为零。

待发动机转速等于零后，认为发动机停机过程结束，整车进入到纯电动驱动模式。

对于起机过程和停机过程的发动机工作点调整阶段，都是HCU向发动机请求一定的扭矩值，同时HCU通过发电机输出扭矩对发动机转速进行控制，因此可以将起机和停机过程中的发动机工作点调整阶段合并为一个阶段，通过不同的发动机转速、扭矩目标值来区分。

（3）起停机过程中的起停机意图改变操作。

当发动机起机过程处于发电机拖机阶段时，如果整车驱动模式模块发出了停机请求，由于此时发动机可能并未燃烧，或是虽然燃烧但是扭矩并不大，因此可直接进入到停机过程发电机辅助停机阶段。

当发动机起机过程处于发动机工作点调整阶段时，如果此时有停机请求，则将发动机目标扭矩设置为零，将发动机目标转速设置为当前值，待发动机降扭完成后，进入到发电机辅助停机阶段。

当发动机停机过程处于发动机工作点调整阶段时，如果此时有起机请求，则将发动机目标扭矩设置为串联目标扭矩，将发动机目标转速设置为串联目标转速，待发动机实际扭矩转速在目标值附近后，起机过程结束。

当发动机停机过程处于发电机辅助停机阶段时，如果此时有起机请求，则立即进入起机过程发电机拖动阶段，待发动机点火燃烧成功后进入到起机过程发动机工作点调整阶段，待发动机实际扭矩转速在目标值附近后，起机过程结束。

起停机过程流程图如图8所示。

3.2 实车验证

在某款双电机混合动力车上进行起停机算法验证，试验车主要动力部件参数见表1。

图8 起停机控制程序流程图

表1 试验车主要部件参数

起停机过程中所用到的整车驱动模式请求和起停机控制阶段数值定义见表2。

表2 起停机相关模式参数定义

由于发动机和发电机通过齿轮连接，二者转速呈固定速比关系，同时发动机转速在低速下精度较差，为清晰表达起停机过程中的发动机转速变化，以下各图中均以发电机转速来表示发动机转速。

图9为一个完整的起机过程中数据采集结果，在纯电动运行模式下，当整车驱动模式模块发出串联运行模式请求后，发动机起停机模块先后经历发电机拖机阶段和发动机工作点调整阶段，最后整车进入串联运行模式。在此过程中，发电机先输出正扭矩拖动发动机，待发动机达到相位同步状态后，HCU向发动机请求扭矩，在发动机输出扭矩使得转速开始上升后，发电机开始输出负扭矩，最后将发动机转速稳定在一个设定转速上。

图9 完整起机过程

图10为一个完整的停机过程中数据采集结果，在串联运行模式下，当整车驱动模式模块发出纯电动运行模式请求后，发动机起停机模块先后经历发动机工作点调整阶段和发电机辅助停机阶段，最后整车进入串联运行模式。在发动机降扭的同时，发电机为了将发动机转速维持在当前转速上，发电机扭矩会逐渐变大，在发动机扭矩降到零后，进入发电机辅助停机阶段，在此阶段，发电机开始逐步输出负扭矩，直至将发动机转速压低至一定值。

图10 完整停机过程

图11为在起机过程第1阶段中再次进入停机过程的数据。由于在起机过程发电机拖动阶段发动机转速并不高，发动机扭矩也不大，当此时有停机请求时，直接进入停机过程发电机辅助停机阶段，发电机从输出正扭矩拖动发动机迅速变为输出负扭矩压低发动机转速，发动机转速从当前转速迅速降低。

图11 起机第1阶段再次停机过程

图12为在起机过程第2阶段中再次进入停机过程的数据。在起机过程第2阶段，发动机扭矩已经较大，发动机转速已经冲高至一定值，当此时有停机请求时，发动机快速降扭，而发电机从输出负扭矩迅速变为输出正扭矩来维持发动机转速，待发动机扭矩降低至零后，进入到停机过程第2阶段，随后完成整个停机过程。

图13为在停机过程第1阶段中再次进入起机过程的数据。在停机过程第1阶段，发动机降扭，发电机将发动机转速维持在当前值，当再次发出起机请求后，由于发动机已经完成相位同步，此时只需要再次增加扭矩即可，发电机在此过程中依然进行转速控制。当发动机负荷升至目标值附近后，再次进入到串联驱动模式。

图14为在停机过程第2阶段中再次进入起机过程的数据。在停机第2阶段，发动机扭矩已经完全降低，发动机转速也已经降低到一定值，当此时再次发出起机请求后，发电机需要先将发动机转速拖高至一定值，即进入到起机第1阶段，随后进入到起机第2阶段，完成整个起机过程。

图12 起机第2阶段再次停机过程

图13 停机第1阶段再次起机过程

图14 停机第2阶段再次起机过程

4 总 结

在分析双电机混联构型结构特点的基础上，根据整车的控制需求，将发动机起机过程分为发电机拖机和发动机工作点调整2个阶段，将发动机停机过程分为发动机工作点调整和发电机辅助停机2个阶段，并进行了控制模型搭建，最后进行了试验验证；结果表明，所提出的起停机控制方法能够快速地进行发动机起机和停机控制，并且针对起停机过程中起停机意图改变需求也能给予很好的支持。

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2020-07-02

U464.235

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.011

1002-4581（2020）05-0043-07