并联混动车驻车发电时电机超速原因与方案分析

王丽萍， 王瀚州， 李 锐， 喻 尚， 殷 波

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院， 陕西 西安 710200）

1 故障现象

某重卡P2并联非插电式轻混实验车在测试驻车发电功能时，当SOC＞充电上限阈值停止充电瞬间电机超速，超出最大转速2500r/min。

2 故障分析

2.1 原理分析

P2并联非插电式轻混车驻车发电原理框架如图1所示。

图1 驻车发电原理框架图

车辆在空挡状态下，手刹拉起，SOC低于下限阈值时，驾驶员按下驻车发电开关进行充电，此时整车控制器HCU控制离合器结合，控制发动机以恒转速工作，并工作在最佳燃油消耗率转矩区间内，控制电机恒扭矩为电池充电。当SOC大于上限阈值时，停止驻车发电，断开离合器，控制发动机和电机扭矩都为0。

通过原理和现象分析，驻车充电的过程中电机处于正常状态，在充电完成的瞬间电机超速，通过现象考虑在电机充电完成瞬间仍有扭矩存在，即电机在无负载的情况下有扭矩运行，导致电机超速。

2.2 数据分析

发动机与电机基本参数见表1。

表1 发动机与电机基本参数

通过CAN设备采集实车CAN报文数据进行分析，采集数据见表2。

表2 实车CAN报文数据采集

在充电完成前一时刻过程中，HCU控制发动机和电机处于正常状态，发动机恒转速运转，电机在恒扭矩运转，由于驻车发电时离合器处于结合状态，则此时电机转速等于发动机转速，数据显示如图2所示。

图2 驻车发电时正常状态数据

当随着SOC一直上升，达到上限阈值时，即图3时间约ts左右，驻车发电完成，需要将离合器断开，控制发动机和电机扭矩为0，正常状态下发动机转速恢复到怠速，电机转速应该下降到0，但由图3所示，电机转速并没有恢复到0，而是有下降趋势，电机转速一直下降直到-2550左右，已经达到超速状态。

图3 驻车发电完成瞬间异常状态数据

根据控制原理所知，当驻车发电完成时，HCU控制电机扭矩为0，且离合器断开后，电机转速自然恢复到0。但实际状态电机扭矩并没有变为0，但此时电机未带任何负载，所以电机转速达到超速状态。因此需要排查此时电机扭矩的来源。

2.3 方案分析

通常情况下，整车控制模块在对动力源进行扭矩控制需求时，考虑到发动机和电机响应特性的不同，为了更好地匹配动力源，一般会对扭矩进行梯度输出，此梯度输出值根据不同工况定义不同的梯度值。在驻车发电时，整车控制模块对电机进行负扭矩控制以此来给动力电池充电。负扭矩输出时需要经过梯度输出计算。扭矩上升时采用上升梯度，扭矩下降时采用下降梯度。根据时间调度，每运行一次，对当前扭矩输出进行一次梯度计算输出，直到最终目标值。

原设计要求，当驻车发电标志为1时，前模块输出电机扭矩不需要梯度计算直接控制电机需求扭矩，当驻车发电完成时，即驻车发电标志为0时，输出当前需求扭矩，并对当前需求扭矩进行梯度输出。整车控制模块按照图4模型控制输出，当驻车发电标志为0一瞬时，这一时刻当前需求电机扭矩已经为0，但上一时刻的电机输出扭矩是驻车发电时扭矩控制值，导致电机扭矩在梯度输出处理。即此时离合器断开，空挡状态下，电机已无负载，但电机扭矩由驻车发电扭矩缓慢回落到0，说明电机在无负载情况下进行扭矩控制，导致电机超速运转。

图4 电机扭矩梯度输出模块

3 解决措施

3.1 更改措施及仿真

由上所述，电机扭矩梯度模块逻辑处理出现问题，将驻车发电标志做如图5处理解决此问题。增加一个延迟模块，当驻车发电由1变为0时，此刻电机扭矩仍不做梯度处理，当前需求电机扭矩为0，在此时刻输出扭矩也为0。实现原设计要求，即当驻车发电标志=1不需要将当前需求进行梯度输出，此时输出扭矩为驻车发电扭矩，当驻车发电标志=0时输出扭矩为当前需求扭矩。

图5 电机扭矩过滤模块更改方案

通过图6所示仿真更改前与更改后结果对比区别如下。

图6 方案更改前后仿真对比图

1） 驻车发电开始，更改前直接变为驻车发电扭矩，更改后则逐渐变为驻车发电扭矩。

2） 驻车发电完成，更改前逐渐变为0，而更改后则由驻车发电扭矩直接变为0。

由图6所示仿真结果可以看出，更改后方案更能真实反映设计之初要求，且更符合实际实车工况要求。

3.2 试验验证

将更改后模型生成代码注入到控制器后，试验验证结果显示，在驻车发电完成瞬间没有再出现电机超速的情况，实验数据如图7所示。

图7 更改后驻车发电完成变化状态

由图7所示，约t1左右，驻车充电完成瞬间，电机扭矩直接由驻车发电扭矩变为0，发动机转速回落到怠速，电机转速也经过一段时间在约t2左右逐渐变为0。由此验证更改后方案可以解决电机超速的故障。

4 总结

电机长时间超速会影响机械结构的损害，一般情况电机供应商会在电机控制器MCU中做超速保护逻辑，可以起到一定的保护作用。但要从根本上解决问题还需要从整车扭矩控制逻辑来分析问题找出原因。

本文通过此故障的排查，简单地介绍了混动车驻车发电的原理和相关控制器之间交互的控制逻辑。通过功能模块的控制策略，分析Simulink搭建的软件模型，从源头开始排查模型的问题，最终确定问题点，再通过控制策略解决问题，提出了一种排查问题的思路，可以延伸到解决其他控制问题。同时也暴露了Simulink搭建的控制策略模型在前期仿真测试和HIL测试中的疏漏，对系统测试人员提出更高的要求，对测试用例的严谨提出更高的要求，需要更高强度的测试在前期能够发现问题，避免实车测试时不可预知的问题导致更严重的事情发生。