插電式四驅混合動力轎車控制策略研究

邱利宏+錢立軍+程偉

摘 要：根據插電式四驅混合動力轎車在各種工況下的工作模式，確定了各個動力部件的轉矩分配，以此為依據制定了此混合動力轎車基于邏輯門限值的控制策略，并在有限狀態機Stateflow中搭建了控制策略的核心狀態流圖，然后使用Cruise進行了仿真并對仿真結果進行了評價。仿真結果表明，汽車的動力性以及經濟性都達到了設計指標要求，在NEDC下驗證時，不論是在高電量區還是在低電量區，各動力部件均按照控制策略來工作，并且實現了各種工作模式的轉換，控制策略有效而可行。

關鍵詞：插電式四驅；混合動力汽車；控制策略；有限狀態機；仿真

中圖分類號：U469.72文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.10

插電式四驅混合動力汽車不僅和傳統四驅汽車一樣具備較高的操縱性、通過性和穩定性[1]，而且在適合的條件下可以作為純電動汽車使用，兼具純電動汽車、串聯式混合動力汽車以及并聯式混合動力汽車的優點，在能源日益短缺以及節能減排得到大力倡導的今天越來越受到市場的青睞[2]。

本文研究一款插電式四驅混合動力轎車，詳細分析了這款轎車在各種條件下的工作模式以及各個工作模式的跳轉條件，在有限狀態機Stateflow中搭建了狀態流圖，并在Matlab/Simulink中搭建了基于邏輯門限值的控制策略，然后利用Cruise仿真軟件對其動力性和經濟性進行了仿真，最后對仿真結果進行了評價。

1 插電式四驅混合動力轎車基本結構

本文研究的插電式四驅混合動力轎車動力系統基本結構如圖1所示。動力系統主要包含1個發動機和1個ISG電機，用于前軸驅動，1個主驅動電機，用于后輪驅動，動力電池經逆變器分別與ISG電機和主驅動電機相連。變速器采用帶無級變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）的一體化兩擋變速器（變速器操縱機構用于控制汽車的前進和倒退），發動機和ISG電機同軸，兩者之間安裝了一個液壓控制的自動離合器，ISG電機輸出端與另外一個自動離合器相連，自動離合器的輸出端連接著帶CVT的一體化變速器，然后經前主減速器、差速器、半軸，將動力傳輸至前輪。其中，CVT控制器根據當前車速及油門踏板開度調節CVT的目標速比，CVT的目標速比與車速及油門踏板開度的關系如圖2所示。

2 基于邏輯門限值的控制策略

插電式四驅混合動力汽車的整車控制原理包括判斷駕駛員意圖、電池充放電、發動機開關、能量分配、再生制動等方面的控制[3]。為了實現控制原理，必須建立完整的控制系統模型?？刂葡到y從功能上可以分為3部分[4]：控制信號輸入、計算和邏輯判斷、執行信號輸出，其中計算和邏輯判斷部分為控制系統的核心。

本文根據發動機和動力電池的工作區間，詳細分析了不同行駛工況下各個動力部件的轉矩分配，并以此為依據制定了控制策略。

2.1 發動機和動力電池的工作區間

2.1.1 發動機工作區間

根據發動機的萬有特性圖，將其工作區域劃分為3部分（圖3）：Te-max為發動機外特性曲線，即為最大轉矩曲線；Te-high為發動機燃油經濟區高轉矩曲線；Te-low 為發動機燃油經濟區低轉矩曲線。曲線Te-high與Te-low之間為發動機最佳燃油經濟性工作區，Te-low以下為發動機的低負荷區，Te-high以上為發動機高負荷區。

2.1.2 動力電池工作區間

為了提高動力電池的充放電效率，延長使用壽命，需要合理設置動力電池荷電狀態（State of Charge，SOC）的工作范圍。電池 SOC的工作區間應為內阻相對較低的區域，以減少電池的充放電損失。根據混合動力汽車所選擇的磷酸鐵鋰動力電池在不同放電倍率下充放電時SOC與電阻的關系以及SOC與電壓的關系，可以初步確定電池的工作區間，如圖4所示。圖中各區域的劃分簡潔明了，在此不作過多闡述。

2.2 穩態工作模式分析

根據一般情況下汽車的行駛特點，可以將汽車的穩態工作模式分為啟停模式、驅動模式以及制動模式三大類。結合不同工況下的行駛特點，可以確定汽車動力部件的工作模式及轉矩分配。

2.2.1 啟停模式

（1）汽車剛剛起步時，車速比較低，一般情況下，汽車需求轉矩小于當前轉速下后驅電機所能提供的最大轉矩。此時，如果動力電池電量高于最佳工作區域所允許的最低值，汽車僅使用由磷酸鐵鋰動力電池提供能量的后驅電機的動力，充分利用電動機啟動時低速轉矩恒定的特點，發動機處于停機狀態[5]。此時為純電動模式（CD模式），即：

若 SOClow

則

。

式中，ior為后主減速比。

（2）若汽車需求轉矩小于后驅電機當前轉速下可提供最大轉矩，動力電池 SOC處于低電量區，發動機帶動ISG 電機為動力電池供電，再由磷酸鐵鋰動力電池給后驅電機提供能量驅動車輛行駛。此時為串聯驅動模式（CS模式）[6]，即：

若SOC

則

。

2.2.2 驅動模式

（1）若汽車需求轉矩小于當前轉速下發動機最大轉矩，且動力電池 SOC 值在正常工作范圍內，車輛由發動機單獨驅動。此時為純發動機模式，即：

若SOC>SOClow且 Treq

則

。

式中，if為前橋速比。，即為前主減速比與CVT目標速比的乘積。

（2）若動力電池電量低于目標值，需求轉矩大于當前轉速下后驅電機所能提供的最大轉矩，則發動機工作在最佳燃油經濟區上限，富余的轉矩用于帶動ISG電機發電。此時為發動機驅動并充電模式，即：

若SOCTmmaxior，

則

。

（3）若汽車需求轉矩大于當前轉速下發動機工作轉矩上限，小于當前轉速下發動機和 ISG 電機能夠提供的最大驅動轉矩，同時動力電池電量充足，發動機和 ISG 電機同時提供前輪所需要的驅動轉矩。此時為 ISG 輔助前輪驅動模式（并聯CD模式）[7]，即：

若SOClow

Temax

則

。

（4）若汽車需求轉矩大于當前轉速下發動機和ISG 電機所能提供的最大驅動轉矩，同時動力電池電量充足，發動機、ISG 電機及后驅電機均參與工作。此時為全混合四驅模式，即：

若SOClow（Temax+TISG max）if

則

。

2.2.3 制動模式

當汽車進入制動模式時，需求轉矩小于0。根據制動強度的不同，可以分為再生制動、聯合制動以及機械制動3種模式[8]。

（1）若駕駛員制動需求轉矩小于當前轉速下后驅電機以及ISG電機所能提供的最大再生制動轉矩之和，SOC小于允許的最大值并且非緊急制動時（加速踏板的變化率小于設定值），ISG電機和后驅電機均作為發電機使用，提供再生制動力矩。ISG電機和后驅電機所提供的再生制動轉矩的大小按照前后軸的軸荷大小的比例進行分配。此時為再生制動模式，即：

若SOC

且a

（a為制動踏板行程的變化率；ac為制動踏板行程變化率的設定值，在本文中取值為3）

則

。

（2）若駕駛員制動需求轉矩大于當前轉速下后驅電機以及ISG所能提供的最大再生制動轉矩之和，SOC小于允許的最大值并且非緊急制動時，此時進入聯合制動模式，后驅電機以及ISG電機提供當前轉速下各自最大的再生制動轉矩，額外轉矩由機械制動進行補充，即：

若SOCTm maxior+TISG maxif

且a

則

。

式中，Tb為機械制動力矩。

（3）若駕駛員踩制動踏板或松油門時車速很低，此時再生制動效果不明顯，或者出現緊急情況制動時，只允許機械制動，即：

若v

則

。

2.3 控制策略的建模

根據前面所陳述的四驅混合動力汽車具體的工作模式可知，本文所研究的四驅混合動力轎車具備純電動、串聯驅動、純發動機、發動機驅動并發電、ISG 輔助前輪驅動、四輪驅動、再生制動、聯合制動和機械制動等9種D擋穩態工作運行模式[9]。D擋運行模式判別圖如圖5所示。

根據上一節內容，可以在Simulink里搭建基于邏輯門限值的控制策略，可以用Simulink中基于有限狀態機的Stateflow的子模塊搭建各種工作模式相互跳轉的控制策略核心部件，其中，最主要的驅動模式下的狀態流圖如圖6所示。

3 仿真結果及其評價

本文研究的插電式四驅混合動力轎車整車及動力部件的基本參數見表1。

3.1 仿真結果

將搭建好的控制策略編譯成DLL文件之后，導入到搭建好整車模型的Cruise仿真軟件里面運行仿真，仿真結果以及設計指標見表2。由表2可知，仿真結果得到的插電式四驅混合動力轎車的動力性和經濟性都是滿足要求的，因此，可以初步判定動力部件的選型以及控制策略的建模是合理的。

3.2 仿真結果評價

本文選取NEDC循環工況對汽車各個動力部件的工作情況進行仿真結果的評價，進而驗證控制策略的合理性[10]。根據動力電池高電量和低電量兩種情況，分別取SOC初值為90%和20%進行仿真，可以得到圖7和圖8所示的兩組仿真結果。

本文所搭建的控制策略主要是基于轉矩分配的能量管理策略，從理論上講，汽車運行所需要的最大轉矩是出現在每一個加速段的終點或者每一個減速段的終點（減速段取絕對值）。在NEDC循環工況下的每一個加速段，由于汽車在加速，車輛起步之后（起步時需求的瞬時轉矩也比較大，但是后驅電機可以完成單獨啟動），如果不考慮車輪滾動半徑的影響，隨著車速的增加，汽車的滾動阻力基本保持不變，空氣阻力以與速度平方成正比的關系不斷增大，而在同一個加速段，汽車的加速度是基本保持不變的，所以汽車的需求轉矩隨著車速的升高而增大。在汽車剛起步后的一段時間之內，由于那一段加速度比較大，所以需求轉矩也比較大，但是后驅電機在當前轉速下的轉矩范圍可以滿足汽車行駛的轉矩需求。因此，汽車在這一段內主要依靠后驅電機驅動。當SOC值比較高的時候，汽車處于后驅電機單獨驅動的純電動模式，當SOC值達到動力電池的工作下限（本文取20%）的時候，汽車主要處于串聯驅動模式，發動機工作在高效區，帶動ISG電機發電給后驅電機供電，富余的能量以電能的形式存儲于動力電池之中。

當汽車的速度上升到一定的數值之后，汽車行駛的需求轉矩可能會超過當前轉速下后驅電機的最大轉矩（后驅電機基速是2 500 r/min，所以當速度達到35 km/h左右時就進入了恒功率區），特別是NEDC工況的EUDC（European Urban Driving Cycle）循環下的那幾個加速段，汽車的速度非常高，后驅電機在當前轉速的最大轉矩可能已經無法滿足汽車運行的轉矩需求。經過計算，在前4個ECE（Economic Commission for Europe）循環下，后驅電機的轉矩范圍可以滿足汽車行駛的轉矩需求。如果電池電量充足，則由后驅電機單獨驅動，如果電池電量不足，則發動機工作在最佳燃油消耗區上限，發動機帶動ISG電機發電，一部分用于提供后驅電機所需的電能，富余的能量用于給動力電池充電。EUDC循環的第3個加速段，汽車需要由發動機單獨驅動，在最后一個加速段，需要ISG電機與發動機共同驅動。

在每一個NEDC工況的勻速段，汽車的需求轉矩主要是用來克服空氣阻力和滾動阻力，此時沒有加速阻力。經過計算，本文所選擇的后驅電機的轉矩范圍滿足整個NEDC循環下勻速段汽車行駛的轉矩需求。因此，在所有的勻速段，如果動力電池電量充足，汽車即處于后驅電機單獨驅動的純電動模式；如果動力電池的電量達到最佳工作區域的最低值，汽車即處于串聯驅動模式。

對于NEDC工況下的每一個減速段，經過計算，如果不是緊急制動，除了在最后一個減速段需要機械制動之外，后驅電機與ISG電機在當前的轉速下所能提供的最大再生制動轉矩之和足以滿足汽車的制動轉矩需求。因此除去最后一個減速段之外，如果SOC低于最大值，車速高于設定的低值以及非緊急制動的情況下，汽車在減速段處于再生制動模式。當車速低于設定的低值或者SOC過高或者緊急制動時，汽車處于機械制動模式。

綜上所述，從理論上分析，本文所研究的插電式四驅混合動力轎車在NEDC工況下可能出現6種工作模式，分別為后驅電機單獨驅動的純電動模式、發動機單獨驅動模式、串聯驅動模式、ISG輔助前輪驅動模式、再生制動模式以及機械制動模式，不會出現發動機驅動并發電模式、四輪驅動模式以及聯合制動模式。

分析圖7的仿真結果，由圖7（a）可知，汽車在前四個ECE循環下，電荷在不斷減少，可知汽車應該是處于后驅電機單獨驅動的純電動模式，而到了最后一個EUDC循環，有一段 SOC仍然在減小，從前面的理論分析可知，這一段汽車處于ISG輔助前輪驅動模式，ISG電機消耗電能。在SOC整體降低的大背景下，在某些時間段，SOC出現了上升，這是再生制動的結果。再分析圖7（b）、（c）、（d）可知，發動機、ISG電機以及后驅電機的工作點正好與SOC變化所反映出來的整車的工作模式相對應。后驅電機與ISG電機驅動的時候，轉矩為正值，再生制動時，轉矩為負值，發動機、ISG電機、后驅電機所提供的轉矩之和正好是汽車需求的轉矩。由此可知，動力電池電量高時，不管是從理論上還是仿真結果上看，汽車各動力部件都按照既定的控制策略來工作，汽車出現了純電動模式、發動機單獨驅動模式、ISG輔助前輪驅動模式、機械制動以及再生制動模式，這與理論分析是相吻合的，因此控制策略是合理的。

分析圖8的仿真結果，由圖8（a）可知，動力電池SOC在前一段處于上升階段，因為設定的SOC低值為20%，所以取初值為20%的時候，汽車在前一段處于串聯驅動模式。緊接著電池的SOC值開始下降，可知汽車又出現了ISG輔助前輪驅動模式，這個結果與理論分析吻合。電池SOC在不斷變化的過程中，有些時間段出現SOC小幅度升高的現象，這是再生制動的結果。再結合圖8（b）、（c）、（d）動力部件的工作情況也可以體現出與電池SOC變化反映出的工作模式相對應的結果。汽車在SOC初值比較低的一個NEDC循環內出現了串聯驅動模式、發動機單獨驅動模式、ISG輔助前輪驅動模式、再生制動模式以及機械制動模式，這與理論分析也是吻合的。

綜合以上的理論分析與仿真結果分析可知，本文制定的控制策略是有效的、合理的。

4 結論

本文介紹了某款在研插電式四驅混合動力轎車的基本結構，詳細介紹了其在各種工況下的工作模式以及各個工作模式之間的相互跳轉，并且以此為依據搭建了基于邏輯門限值的控制策略。采用Simulink/Stateflow搭建控制策略的核心狀態流圖，并詳細標明了各種狀態之間的跳轉條件。然后使用Cruise軟件對此混合動力轎車的動力性能及經濟性能進行了仿真。最后根據仿真得到的各主要動力部件的工作狀態以及能量消耗，從理論上以及實際上對仿真結果進行了評價。仿真結果表明，本文研究的插電式四驅混合動力轎車不僅達到了動力性和經濟性等各項指標的要求，而且在NEDC工況下仿真，主要動力部件是按照制定的控制策略來工作的，并且實現了各種工作模式的轉換。因此，制定的控制策略是有效的、可行的。

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