驅動系統效率最優的并聯混合動力商用車模式切換及換擋控制策略

嚴正峰 蔣光宗 姚明堯

摘要 ：為提高搭載自動變速器的并聯混合動力商用車燃油經濟性，以驅動系統效率最優為目標，提出一種新的驅動模式邊界劃分和擋位邊界劃分方法。制定了基于效率最優的模式切換及換擋控制策略，并在中國重型商用車行駛工況下對所制定的控制策略進行了仿真驗證。結果表明，所提出的策略不僅能夠維持電池荷電狀態的平衡，且百公里油耗比電輔助控制策略低11.2%，具有更好的燃油經濟性。

關鍵詞 ：能量管理策略；邊界劃分方法；模式切換；換擋規律；混合動力商用車

中圖分類號 ：U462.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Mode Transition and Gear Shifting Control Strategy for Parallel Hybrid

Commercial Vehicles Based on Optimal Drive System Efficiency

YAN Zhengfeng JIANG Guangzong YAO Mingyao

School of Automotive and Transportation Engineering，Hefei University of Technology， Hefei，230009

Abstract ： To enhance the fuel economy of parallel hybrid commercial vehicles equipped with automatic transmissions and optimize the efficiency of the drive system， a new method for dividing driving mode boundaries and gear boundaries was proposed. A control strategy for mode switching and gear shifting was developed based on optimal efficiency and simulated under the driving conditions of Chinese heavy commercial vehicles. The results demonstrate that the proposed strategy maintains the balance of the battery state of charge， and achieves a 11.2% reduction in fuel consumption per 100 kilometers compared to the electric assist control strategy， which improves the fuel economy.

Key words ： energy management strategy; boundary division method; model transition; gear shifting law; hybrid commercial vehicle

0 引言

混合動力汽車比傳統燃油車的油耗更低，且沒有續航里程焦慮，兼有傳統燃油車和純電動汽車的優點。根據控制方法，混合動力汽車的能量管理策略可分為三種類型：基于規則 ?［1-2］ 、基于優化 ?［3-5］ 、基于學習 ?［6-8］ ?；趦灮哪芰抗芾聿呗杂嬎懔看?，對控制模型的精度要求較高，難以滿足實時應用的需求?；趯W習的能量管理策略面臨“維度災難”和“離散誤差”等問題，限制了強化學習在解決復雜決策問題時的應用?；谝巹t的能量管理策略雖然很難保證混合動力汽車擁有最優的燃油經濟性，但控制方法簡單且有較好的實時性，是目前實車應用最成熟的控制方法 ?［9］ 。

設計基于確定性規則的能量管理策略時，關鍵是如何合理地劃分模式切換邊界和換擋規律。在模式邊界劃分的研究中，文獻［10］基于對規則式能量分配策略和瞬時優化分配策略的分析，提出一種基于規則修正的瞬時優化能量分配算法。文獻［11］提出的啟發式控制策略可以根據電機的功率實時調整車輛的驅動模式。在換擋規律的研究中，文獻［12］提出一種分段交叉式的換擋規律設計方法，即在不同的工況下，選擇合適的換擋規律的交叉式設計方法。文獻［13］考慮雙動力源協同和電池荷電狀態的影響，提出改進雙參數換擋規律計算原則和方法。

混合動力汽車的實際行駛過程中，車輛的行駛工況會發生變化，車輛也需要不斷切換驅動模式和擋位來滿足整車的動力性和經濟性需求，因此需要統籌考慮模式切換和換擋問題。針對模式切換和換擋規律的研究中，文獻［14］利用某款搭載雙離合自動變速器（DCT）的混合動力乘用車，設計了汽車模式切換與DCT換擋的綜合工作規律。文獻［15］通過計算瞬時輸出功率下各動力源的等效燃油消耗，分析了各個驅動模式下的經濟型換擋規律。

盡管對混合動力汽車模式切換及換擋問題已有大量研究，但大都單一針對模式切換問題或換擋問題，同時考慮模式切換和換擋問題時，二者會有同時觸發的沖突點，雖有學者針對乘用車DCT的沖突點問題進行過研究 ?［14］ ，但對采用自動變速器的商用車鮮有模式切換和換擋沖突問題的 研究。

本文針對某款并聯混合動力商用車，搭建其驅動系統各部件的效率模型。在考慮油電轉化系數的同時，將車輛行駛過程中的模式切換問題和換擋問題融合在一起，利用驅動系統的整體效率劃分驅動模式的切換邊界及換擋規律，獲得了最佳經濟性的模式切換邊界和換擋規律。為貼合商用車的駕駛循環，使用中國重型商用車行駛工況CHTC-HT循環驗證了控制策略的有效性。

1 混合動力汽車構型

圖1所示為某P2構型并聯混合動力商用車的動力學模型，傳動系統包括發動機、離合器、驅動電機、變速器、主減速器等。各部件的具體參數如表1所示。發動機和驅動電機可以根據車輛的行駛工況合理分配輸出扭矩。根據不同的扭矩分配方式，車輛的行駛模式可分為電機驅動模式、發動機驅動模式、行車充電模式、混合驅動模式。四種驅動模式的能量流如圖2所示。

2 并聯混合動力汽車關鍵部件的效率 模型

本文的研究目標是混合動力汽車行駛過程中的驅動系統效率最優，因此需要獲得發動機、驅動電機、動力電池組等驅動系統各部件的效率模型。

發動機效率模型通過發動機臺架試驗獲得，先獲得不同扭矩、轉速下的發動機油耗率，再經數據處理和插值擬合的方法得到發動機燃油消耗率與轉速和扭矩的關系，最后通過下式

η ?e = g ?e R 3 600 000 ??（1）

式中，η ?e 為發動機效率；g ?e 為燃油消耗率， g/（kW·h） ；R為燃油熱值， J/g 。

將燃油消耗量轉化為效率，即可得到發動機的效率模型。圖3為發動機的效率等高線圖。

驅動電機的效率模型同樣在臺架試驗中獲得，先獲得驅動電機在不同轉速、扭矩下消耗的電量，通過數據處理與插值擬合得到驅動電機的外特性曲線和效率等高線圖（圖4）。

動力電池組的效率模型主要考慮電池的充放電效率，忽略其他部分的能量損耗，得到電池的充放電效率 ?［16］ ：

η ??charge ?= E－ E 2－4P ??charge ?R ??charge ???2P ??charge ?R ??charge ????P ??charge ?<0 （2）

η ??discharge ?= 2P ??discharge ?R ??discharge ??E－ E 2－4P ??discharge ?R ??discharge ?????P ??discharge ?>0 ?（3）

式中，η ??charge ?、η ??discharge ?分別為電池的充電效率和放電效率；E為電池的電動勢；P ??charge ?、P ??discharge ?分別為充電功率和放電功率；R ??charge ?、R ??discharge ?分別為電池的充電內阻和放電內阻。

由式（2）、式（3）可以看出，電池的充放電效率與電池內阻、充電功率、電動勢有關，而電池的內阻受電池荷電狀態（SOC）的影響 ?［16］ 。本文選用的電池內阻隨電池SOC值 S ??SOC 變化的曲線如圖5所示。電池的充放電內阻在 S ??SOC 大于70%和小于30%時較大，在30%～70%之間時較小，故將此區域定為電池的高效率區域。

3 系統效率最優的邊界劃分方法

3.1 油電轉化效率

并聯混合動力汽車的驅動部件中，電機的驅動效率要遠高于發動機，但電機驅動所消耗的電能由發動機消耗燃油產生，因此在計算電機驅動過程中的實際使用效率時，要考慮發動機消耗燃油發電的損耗。

為合理計算并聯混合動力汽車行駛過程中電機的實際使用效率，將混合動力汽車行車充電模式下電池充電過程中儲存的電能與發動機用于發電而消耗的化學能（燃油）的比值定義為油電轉化效率η + ?［17］ 。

汽車工作在發動機驅動模式下時，發動機功率為

P ?e =T ?e n ?e =T ??req ?n ?（4）

汽車工作行車充電模式下（相同工況）的發動機功率為

P′ ??e =T′ ??e n ?e =（T ??req ?+|T ?m |）n ?（5）

電池的有效充電功率為

P ?b =T ?m n ?m η ?m η ??charge ???（6）

式中，T ??req ?為變速器輸入端的需求扭矩；T ?e 為發動機扭矩；T ?m 為電機扭矩；n為變速器輸入端的轉速；n ?e 為發動機轉速；n ?m 為電機轉速；η ?m 為電機效率。

則油電轉化效率為

η += P ?b ??P′ ??e ?η′ ??e ?－ P ?e ?η ?e ??= |T ?m |n ?m η ?m η ??charge ??（ T ??req ?+|T ?m | η′ ??e ?－ T ??req ??η ?e ?）n ?e ???（7）

根據式（7），通過仿真計算發動機不同轉速和需求扭矩下的油電轉化效率，結果如圖6所示。本文車輛模型在需求扭矩200～500 ?N·m 之間的油電轉化效率最高，故可將行車充電模式的工作區間限制在需求扭矩200～500 ?N·m 內，以獲得最佳的充電效率。為方便后續計算，油電轉化效率取該區間的平均值0.36。

3.2 各驅動模式下的換擋規律

混合動力汽車行駛過程中，控制系統根據當前行駛工況控制驅動系統的各部件，通過切換行駛模式和更換變速器擋位提高驅動系統的工作效率，降低整車的燃油消耗和排放。 接下來分別討論在以效率最優為目標時，混合動力汽車各個模式下的換擋規律?；旌向寗幽Ｊ较碌南到y效率為

η= T ??req ?n ?T ?e n ?e ?η ?e ?+ T ?m n ?m ?η ??discharge ?η ?m η +

n=n ?e =n ?m =vi 0i ?g /r ??（8）

約束條件為

T ??e ， min ?≤T ?e ≤T ??e ， max ??T ??m，min ?≤T ?m ≤T ??m，max ??n ??e ， min ?≤n ?e ≤n ??e ， max ??n ??m，min ?≤n ?m ≤n ??m，max

S ??SOC，min ?≤S ??SOC ?≤S ??SOC，max ????（9）

式中，i 0為主減速比；i ?g 為變速器傳動比；v為當前車速；r為車輪半徑。

將各個擋位的傳動比、車速、需求扭矩代入式（8），求得混合動力汽車在混合驅動模式時不同擋位、車速及需求扭矩下的驅動系統效率，結果如圖7所示。再將各個擋位效率曲面的交線投影到車速 需求扭矩平面，得到隨車速、需求扭矩變化的經濟型換擋規律，如圖8所示。

同理，依次求得電機驅動模式、發動機驅動模式、行車充電模式下的各個擋位效率和換擋規律，分別如圖9～圖11所示。

3.3 模式切換邊界劃分與綜合換擋規律

混合動力汽車的模式切換條件除與車速和需求扭矩有關外，電池的SOC值也是影響模式切換的因素之一。電池SOC值較低時，繼續讓電機驅動車輛行駛不僅效率低，而且會影響電池的使用壽命；電池SOC值較高時，若發動機消耗燃油給電池充電，則會消耗更多的燃油。因此最好的方式就是將電池SOC值維持在高效率區域 ?［18］ 。

電池SOC值處于30%～70%時，車輛可工作在發動機驅動模式、電機驅動模式、混合驅動模式和行車充電模式。將這4種驅動模式下的效率曲面結合在一起，比較相鄰模式間的系統綜合效率，找出效率曲面的交線，即驅動模式切換邊界曲線。將該曲線投影到車速 需求扭矩平面，就可得到車輛在不同車速和需求扭矩下的模式切換邊界，如圖12所示。行車充電模式的范圍也在上述油電轉化系數限制的工作區間之內。

將圖9～圖11中的換擋規律曲線與圖12中的模式切換邊界曲線整合在一起，得到混合動力汽車的綜合工作規律。對綜合工作規律圖中的曲線相交區域進行適當的修正，得到修正后的模式切換邊界和綜合換擋規律，如圖13所示。

電池SOC值低于30%時，電機只工作在發電狀態，不繼續驅動車輛行駛，車輛只在發動機驅動模式和行車充電模式下工作。將發動機驅動模式的效率曲面和行車充電模式的效率曲面結合，得到電池SOC值低于30%時車輛的行駛模式邊界劃分和換擋規律，如圖14所示。

同理，電池SOC值高于70%時，發動機不再消耗燃油給電池充電，僅在制動時利用電機回收制動能量，車輛在電機驅動模式、發動機驅動模式、混合驅動模式下工作。將這3種模式的效率面結合，即可得到當電池SOC值高于70%時車輛的模式邊界劃分和換擋規律，如圖15所示。

本文的控制策略邏輯如圖16所示，控制器首先根據當前電池的SOC值，判斷電池SOC值所處的區域。電池SOC值處于30%～70%時，按照圖13的驅動模式邊界和換擋規律進行控制。將當前車速和需求扭矩作為工況點的橫縱坐標，標記在圖13的坐標系中，根據該點所處的區域決定車輛當前的驅動模式和行駛擋位。電池SOC值低于30%或高于70%時，分別按照圖14b、圖15b進行控制。

4 仿真驗證

為測試本文所提控制策略的性能，以GB/T 38146.2-2019附錄A中規定的中國重型商用車行駛工況（CHTC）為仿真工況，分別對策略的SOC值維持性能和燃油經濟性能進行仿真分析。本文研究車輛屬于超過5.5 t的載貨車，使用圖17所示的CHTC-HT行駛工況。

4.1 SOC維持性能

為測試本文所提控制策略的SOC維持性能，設置電池初始SOC值為40%、60%、80%，測試其初始電量在低、中、高三種狀態下連續10個CHTC-HT循環后的SOC變化和燃油消耗量。如圖18所示，在10個駕駛循環內，3種SOC初始值的電池SOC值 S ??SOC 基本都能維持在30%～70%之間即電池高效率區間內。初始 S ??SOC 為80%時，電池 S ??SOC 一直維持在一個很高的水平，且有一段時間的 S ??SOC 超過70%，這是因為在單個循環末端，車輛由高速行駛制動到停車狀態，回收了部分制動能量，故電量超過高效率區間上限，并非是發動機消耗燃油給電池充電。初始電量為60%時，電池 S ??SOC 一直在高效率區間內，且初始 S ??SOC 與結束 S ??SOC 幾乎相等， 證明本文所提控制策略能維持 S ??SOC 的平衡。初始 S ??SOC 為40%時，雖然電池 S ??SOC 有幾次下降到30%附近，但都沒有低于30%，這說明本文提出的控制方法能將電池 S ??SOC 維持在高效率區間。

如圖18b所示，初始電量越高，消耗的燃油越少，這是由于高電量工況下，發動機無需給電池充電，故減少了部分燃油消耗。低電量工況下，電池達到高效率區間的下限時便不再輸出電能，這時需要發動機消耗更多的燃油驅動車輛行駛并給電池充電。

4.2 燃油經濟性能

為測試本文提出的控制策略在燃油經濟性方面的表現，將其與電輔助控制策略進行仿真對比。圖19展示了兩種控制策略在連續10個CHTC-HT工況下的 S ??SOC 變化曲線和油耗曲線。從電池 S ??SOC 來看，效率最優控制策略的 S ??SOC 由開始的60%下降到結束的59.4%，電輔助控制策略的 S ??SOC 下降到56.7%，這證明效率最優控制策略能滿足電池SOC平衡的要求。 S ??SOC 在單個駕駛循環內呈現出先下降、后上升的趨勢，這是因為在循環前期，車輛在低速行駛時多利用電機驅動，在中高速行駛時，利用發動機驅動并給電池充電，這導致 S ??SOC 先下降、再上升。從圖20中的電機與發動機扭矩也可以看出，在循環的前半段，尤其是在最開始的車速較低階段，基本都是電機在驅動；電機在后半段工作在發電狀態的時間要多于前半段，發動機在循環后半段的工作時間也更久。

效率最優控制策略共消耗燃油26 936 g， 電輔助控制策略共消耗燃油30 341 g。圖21展示了在10個連續CHTC-HT循環下兩種控制策略的發動機工作點，可以看出，兩種策略的發動機工作點大部分都集中在高效率區域。為更具體地描述兩種控制策略的發動機工作點分布情況，展示了兩種控制策略發動機工作點在不同效率區域的占比，如圖22所示，發動機效率低于0.35的區域中，電輔助控制策略的工作點個數占總數的12%，效率最優控制策略的占比為5%。

這說明效率最優控制策略能更好地避免發動機工作在低效率區域，達到節省燃油的目標。

兩種控制策略在能耗方面的仿真結果如表2所示。兩種控制策略的初始 S ??SOC 與結束 S ??SOC 相差不大，基本都能維持SOC平衡。效率最優控制策略的百公里油耗為18.61 L，電輔助控制策略的百公里油耗為20.96 L，效率最優控制策略的百公里油耗降低了11.2%?？傮w來說，與電輔助控制策略相比，效率最優控制策略的在整個駕駛循環中的綜合能耗更少，能更好地發揮混合動力汽車的節能潛力。

5 結論

本文針對某款并聯混合動力商用車，先搭建其驅動系統的效率模型，后以驅動系統效率最優為目標，獲得了整車在行駛過程中的模式切換邊界和經濟性換擋規律，制定了效率最優的能量管理策略。在CHTC-HT駕駛循環下，對所研究的并聯混合動力商用車進行仿真分析。

研究結果表明，車輛在初始SOC值分別為40%、60%、80%的工況下行駛時，電池SOC值均在高效率區域內，驗證了效率最優控制策略在SOC性能維持上的有效性。效率最優控制策略的百公里油耗比電輔助控制策略低11.2%，說明效率最優控制策略具有更好的燃油經濟性。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

嚴正峰 ，男，1969年生，教授、博士研究生導師。研究方向新能源汽車傳動系統、汽車零部件設計與制造和先進制造技術。發表論文50余篇。E-mail：Zf.yan@hfut.edu.cn。

姚明堯 （通信作者），男，1989年生，講師、碩士研究生導師。研究方向為新能源汽車節能技術。發表論文20余篇。E-mail：yaomingyao@126.com。