混合动力汽车牵引力控制驱动策略建模分析

混合动力汽车牵引力控制驱动策略建模分析
吴耀春;王俊昌
【摘要】如何精确地协调发动机系统和电机系统,使得发动机和电机实际作用总和能够实时、准确地满足上层控制求得的驱动轮目标驱动力矩,是混合动力汽车牵引
力控制系统(HEVTCS)驱动控制策略所需解决的问题.根据转矩动态协调制定发电机、电机协调控制策略,搭建混合动力汽车牵引力控制系统仿真实验平台,建立了发动机、电机、传动系统、制动系统及十五自由度车辆动力学模型.通过在均一沥青路面上
直线行驶三种不同工况下分析,对比分析有无HEVTCS控制的汽车动力性能,对比分析发动机电机协调控制策略与传统控制策略控制结果.对比分析表明:混合动力汽车
牵引力控制系统能迅速地将驱动轮轮速控制在了目标轮速;与传统内燃机汽车牵引
力控制算法相比,发动机电机协调控制策略更快、更有效地实现了对打滑车轮的控制.为进一步实车实验提供模型和理论支持.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2017(000)002
【总页数】5页(P188-192)
【关键词】混合动力汽车;牵引力控制;驱动策略;模型;仿真
【作者】吴耀春;王俊昌
【作者单位】安阳工学院机械工程学院,河南安阳455000;安阳工学院机械工程学院,河南安阳455000
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;U461.1
传统内燃机汽车只有发动机一个动力源，而混合动力汽车有两个或者两个以上的动力源，其牵引力控制为多动力源间的协调控制。

在驱动系统控制方面，传统内燃机汽车虽然联合控制了发动机系统和电机系统，但是还未能实现对二者的精确动态协调控制，致使效果不佳[1]。

混合动力汽车分为多种工作模式，当其在某一附着系
数的路面行驶时，依据制定的牵引力控制系统驱动策略，保证动力源能够实时、准确地满足上层控制求得的驱动轮目标驱动力矩，车辆安全稳定运行。

混合动力车辆牵引力控制驱动策略研究一直是科研工作者研究的重点：文献[2]根
据行驶条件的不同，提出了包括驾驶员操作识别、路面附着条件识别、车速范围识别以及发动机工作状态识别的工况识别算法，识别车辆当前所处工况；文献[3]为
实现上层控制求得的驱动轮目标驱动力矩，部分工况下需要协调控制发动机系统和电机系统，为此提出基于转矩动态协调发动机电机协调控制策略；文献[4]为实现
控制求得的驱动轮目标驱动力矩，部分工况下需要对电机系统进行单独控制，提出电机转矩单独控制策略；文献[5]提出基于动态补偿的混合动力汽车牵引力控制系
统退出策略。

不满足系统退出条件时，系统仍然按照中层控制制定的发动机目标转矩、电机目标转矩、液压电磁开关阀指令输出。

针对发动机和电机实际作用总和能够实时、准确地满足上层控制求得的驱动轮目标驱动力矩，提出混合动力汽车牵引力控制系统（HEVTCS）驱动控制策略—基于转矩动态协调发电机电机协调控制策略。

对策略的控制过程进行分析，建立了混合动力汽车牵引力控制系统的仿真模型并且进行仿真结果的分析。

首先建立了混合动力汽车牵引力控制仿真模型，选取在均一路面的三个工况（A1、A2、A3）进行仿真，对比没有HEVTCS控制时的仿真曲线和有HEVTCS控制时的仿真曲线，并对发动机电机协调控制策略与传统TCS工况进行对比。

针对牵引力控制，主要是解决发动机和电机协调控制问题，提出基于转矩动态协调
的发动机电机协调控制策略，如图1所示。

主要包括驱动系统期望驱动总力矩制定策略、基于低通滤波的发动机目标转矩设计算法以及基于模型匹配二自由度的转矩动态协调控制策略[6]。

图中：TeHEV—能量管理策略制定的期望发动机转矩（Nm）；—驱动系统期望驱动总力矩（Nm）；Td—发动机的实际转矩（Nm）；Te—电机的实际转矩（Nm）；Tm—经过动力耦合后获得的驱动系统实际驱动总力矩（Nm）；TeTCS、TmTCS—混合动力车辆的中层控制过程中，制定的发动机目标转矩和电机目标转矩（Nm）。

2.1 驱动系统期望驱动总力矩制定策略
驱动系统期望驱动总力矩T*d的求解方法，如式（1）所示：
式中：—上层控制求得的两个驱动轮目标驱动力矩（Nm）；
ig—变速器传动比；i0—主减速器传动比；η—传动效率。

2.2 基于低通滤波发动机目标转矩
选用双线性变换，获得滤波后，系统的期望驱动总力矩，如式（2）所示：
式中：—滤波处理前，系统的期望驱动总力矩（Nm）；
Ts—系统的控制周期（S）；
Tf—滤波时间常数。

设计目标要小于TeHEV，即不大于驾驶员需求，而设计目标转矩为：
2.3 基于模型匹配二自由度转矩动态协调控制
通过协调控制发动机系统和电机系统使得驱动系统实际驱动总力矩能够快速、准确地实现期望驱动总力矩[7]。

根据模型匹配二自由度控制的基本原理可以得到前馈补偿器的表达式：
而反馈控制器采用PID控制方法，即：
式中：kp、ki、kd—比例、积分、微分系数。

利用Simulink建立适用于混合动力汽车的牵引力控制仿真实验平台。

该仿真实验平台主要包括发动机、电机、制动系统、动力及传动系统及15自由度车辆动力学模型等。

3.1 发动机模型
利用发动机稳态实验数据进行建模，发动机稳态实验数据一般是节气门开度、发动机转速和发动机有效输出转矩之间的关系[8]。

通过输入的节气门开度和发动机转速查发动机MAP图获得发动机稳态情况下的有效输出转矩，如式（6）所示。

式中：Tes—发动机静态转矩（Nm）；ωe—发动机转速（rpm）；θth—节气门开度。

对进气支管的动态特性进行简化，采用一阶惯性环节描述发动机动态特性，写作：式中：Te—发动机动态转矩（Nm）；τe—时间常数。

深度混合动力汽车牵引力分层控制系统输出为发动机转矩命令T，转矩命令无法直接发给上述发动机正模型，需要建立发动机逆模型，将发动机转矩命令转化为节气门目标开度，如式（8）。

式中静态节气门目标开度。

实验测得的发动机逆模型稳态特性，如图2所示。

发动机逆模型的动态特性由电子节气门动态特性反映。

根据执行部件的阶跃响应曲线，利用面积法得到电子节气门的动态特性如式（9）所示。

式中—动态节气门目标开度；
τth—时间常数。

3.2 电机模型
式中：Tm—实际电机转矩；
Tmmax—电机最大驱动转矩；
—电机转矩命令；
τm—时间常数。

所建电机模型公式如下所示：
3.3 传动系统模型
由发动机和电机共同组成的混合动力汽车动力系统输出动力经主离合器、变速器、主减速器后，作用到差速器壳体上的力矩如下所示：
式中：Tdiff—作用到差速器壳体上的力矩（N）；Te—实际发动机转矩（N）；Tm—实际电机转矩（N）；ig、io—变速器传动比和主减速器传动比；η—力矩传动效率。

设主离合器等效转动惯量为Jc，变速器等效转动惯量为Jg，主减速器等效转动惯量为J0，将主离合器、变速器、主减速器的转动惯量变换到差速器壳体上，可得传动系统等效转动惯量Jd为：
根据差速器原理可得:
式中：ωdiff—差速器壳体转速（r/min）；
ωfl、ωfr—左右侧驱动轮轮速（r/min）；
ωp—行星齿轮自转角速度（rad/s）。

根据牛顿力学，可得由发动机和电机共同组成的混合动力汽车动力系统输出动力经传动系后作用到左右侧驱动轮上的驱动力矩为：
式中：Tdfl、Tdfr—作用到左右侧驱动轮上的驱动力矩；Jp—行星齿轮轴等效转动惯量；Ja—半轴等效转动惯量。

3.4 制动系统模型
建立的液压制动系统模型主要包括压力增加模型和压力减小模型[9]。

增压时制动系统数学模型如下：
减压时制动系统数学模型如下：
式中：pb—制动轮缸压力；pacc—反馈蓄能器压力；B1、d1、B2、d2—系统参
数。

3.5 十五自由度车辆动力学模型
建立15自由度车辆动力学模型：车身纵向、横向和垂向的平动，车身的俯仰、横摆和侧倾的运动，4个车轮的转动和跳动及前轮转向等[10]。

所建车辆动力学模型基于模块化建模思想，包括车身模块、车轮模块、悬架系统模块、转向系统模块等几个子模块。

整车纵向、横向以及垂向平动动力学方程：
车身俯仰、侧倾以及横摆转动动力性学方程：
悬架模块根据车身的运动响应计算4个悬架硬点的位移和速度，计算悬架弹簧力
和阻尼力，从而得到4个悬架的悬架力。

轮胎模块采用仿真精度较高的魔术公式轮胎模型。

所建轮胎模型考虑了车轮外倾、车轮前束等因素对轮胎力的影响，以滑移率、侧偏角、垂向载荷为输入，计算轮胎的纵向力、侧向力、滚动阻力以及回正力矩。

为了简化仿真的整个过程，假设仿真路面为均一沥青路面，路面附着系数为
（0.7~1.0），来模拟混合动力汽车的行驶性能。

混合动力汽车在均一沥青路面上直线行驶时，控制系统进入协调控制策略。

为验证控制策略的合理性，设计如表1所示。

4.1 工况A1仿真结果及分析
工况A1仿真结果，如图3所示。

其中，图（a）为没有HEVTCS控制时的速度曲线，图（b）和图（c）分别为有HEVTCS控制时的速度曲线和力矩曲线。

如图3（a）所示，混合动力汽车在路面峰值附着系数为0.7的路面上以100%加
速踏板起步加速，当系统未采用HEVTCS控制时，车辆的驱动轮轮速在0.18s时，达到16m/s，而却呈现出极为严重的打滑现象，最后时刻的车速仅为1.07m/s。

如图3（b）所示，采用HEVTCS时，轮速在1s时达到目标转速，而且速度平稳，有效控制车轮滑转，最后车速为1.37m/s，在此过程中，车辆加速性能提高28%。

由图3（c）可以看出，仿真开始时实际驱动总力矩迅速增大，瞬间达到100Nm
以上，远超过地面所能提供的最大附着力，造成驱动轮严重滑转，进入HEVTCS
控制，协调控制策略动态协调控制发动机系统和电机系统使得实际驱动总力矩从0.08s的140Nm迅速降低至0.14s的（-50）Nm，并在0.7s左右达到稳定，电
机动态补偿了实际驱动总力矩与期望驱动总力矩之间的误差，其转矩在1.2s左右
稳定在零附近，控制策略保证驱动总力矩实际与期望差值在（±10）Nm以内。

分析图3（b）可以发现，混合动力汽车牵引力控制系统虽然迅速地将驱动轮轮速控
制在了目标轮速附近，但是在控制初始阶段，驱动轮轮速的控制超调量较大，达到5.5m/s，下面对引起控制过程中超调量较大的原因进行分析。

将混合动力汽车牵引力控制系统起作用时工况1的仿真结果的初始阶段进行了局
部放大，放大后的驱动力矩曲线、地面反作用力矩曲线、速度曲线和控制标志位曲线，图略。

通过对比可知，传统车辆牵引力控制时，驱动轮轮速在0.27s左右超过目标轮速，启动牵引力控制后，1.5s左右驱动轮轮速稳定在目标轮速附近，总共耗时1.23s；发动机电机协调控制时，驱动轮轮速在0.08s左右超过目标轮速，进入HEVTCS
控制后，在0.5s左右驱动轮轮速被控制在目标轮速附近，总共耗时0.42s。

由以
上分析可以得出，路面峰值附着系数为0.1的路面上以5m/s初始车速、100%加
速踏板突然加速时，与传统内燃机汽车牵引力控制算法相比，发动机电机协调控制策略更快、更有效地实现了对打滑车轮的控制。

4.2 工况A2仿真结果及分析
工况A2的仿真结果，如图4所示。

没有HEVTCS控制时的速度曲线，如图4（a）所示。

有HEVTCS控制时的速度曲线和力矩曲线，如图4（b）、图4（c）所示。

如图4（a）所示，混合动力汽车在路面峰值附着系数为0.1的路面上以5m/s初
始车速、100%加速踏板突然加速，没有HEVTCS控制时，驱动轮轮速在0.25s左
右就已经达到20m/s，驱动轮严重打滑，仿真结束时车速仅为5.82m/s。

如图4（b）所示，控制策略发挥作用时，在0.5s时，轮速达到达到目标轮速附近，而
且迅速抑制驱动轮打滑现象，仿真结束后车速达到6.24m/s，车辆加速性能提高7.2%。

如图4（c）所示，仿真开始时实际驱动总力矩迅速增大，0.1s就已达到120Nm，超过地面所能提供的最大附着力，造成驱动轮过度滑转，进入HEVTCS 控制，协调控制策略动态协调控制发动机系统和电机系统使得实际驱动总力矩从0.1s的120Nm迅速降低至0.14s的（-40）Nm，并在0.5s左右达到稳定，控制过程中，响应速度慢的发动机响应了期望驱动总力矩的低频部分，其转矩在0.7s
左右稳定在期望驱动总力矩的稳态值附近，电机动态补偿了实际驱动总力矩与期望驱动总力矩之间的误差，其转矩在0.7s左右稳定在零附近，控制策略保证驱动总
力矩实际与期望差值在（±7）Nm以内。

在工况A2下，发动机电机协调控制策
略与传统内燃机汽车牵引力控制算法的对比结果，如图6所示。

其中发动机电机
协调控制策略仿真结果，如图6（a）所示。

传统内燃机汽车牵引力控制仿真结果，如图6（b）所示。

通过对比图5中图（a）和（b）可知，传统牵引力控制时，在0.27s时，驱动轮
转速达到目标转速，启动牵引力控制后，1.5s左右驱动轮轮速稳定在目标轮速附近，总共耗时1.23s；发动机电机协调控制时，驱动轮轮速在0.08s左右超过目标轮速，进入HEVTCS控制后，在0.5s左右驱动轮轮速被控制在目标轮速附近，总共耗时0.42s。

由以上分析可以得出，路面峰值附着系数为0.1的路面上以5m/s
初始车速、100%加速踏板突然加速时，与传统内燃机汽车牵引力控制算法相比，发动机电机协调控制策略更快、更有效地实现了对打滑车轮的控制。

4.3 工况A3仿真结果及分析
工况A3的仿真结果，如图6所示。

没有HEVTCS控制时的速度曲线，如图6（a）所示。

HEVTCS控制时的速度曲线和力矩曲线，如图（b）和图（c）所示。

如图6（a）所示，混合动力汽车在路面峰值附着系数为0.1的路面上以20m/s初始车速、100%加速踏板突然加速，没有HEVTCS控制时，驱动轮轮速在0.67s左右达到40m/s，驱动轮过度滑转。

由图6（b）可知，HEVTCS参与工作后，驱动轮轮速在0.45s左，仿真开始时实际驱动总力矩迅速增大，0.11s就已达到
140Nm，超过地面所能提供的最大附着力，引起驱动轮过度滑转，进入HEVTCS 控制后，协调控制策略动态协调控制发动机系统和电机系统使得实际驱动总力矩迅速降低，并在0.5s左右达到稳定，控制过程中，响应速度慢的发动机响应了期望
驱动总力矩的低频部分，其转矩在0.6s左右稳定在期望驱动总力矩的稳态值附近，电机动态补偿了实际驱动总力矩与期望驱动总力矩之间的误差，其转矩在0.6s左
右稳定在零附近，控制策略保证驱动总力矩实际与期望差值在±8Nm以内。

工况A3下，发动机电机协调控制策略与传统内燃机汽车牵引力控制算法的对比结果（图略）。

经过比分析得到：传统内燃机汽车牵引力控制时，驱动轮轮速在
0.98s左右超过目标轮速，进入牵引力控制后，驱动轮轮速在1.9s左右稳定在目
标轮速附近，总共耗时1.08s；发动机电机协调控制时，驱动轮轮速在0.16s左右超过目标轮速，进入HEVTCS控制后，在0.45s左右将驱动轮轮速控制在目标轮
速附近，总共耗时0.29s。

由以上分析可以得出，路面峰值附着系数为0.1的路面上以20m/s初始车速、100%加速踏板突然加速时，与传统内燃机汽车牵引力控
制算法相比，发动机电机协调控制策略能够更快、更有效地抑制驱动轮打滑。

基于转矩动态协调发电机电机协调控制策略，针对混合动力汽车牵引力控制系统驱动系统的控制策略进行分析。

对控制策略的结构进行分析，为了验证所调控制策略的有效性，搭建混合动力汽车牵引力控制仿真实验平台，选取不同的初始速度、档位、路面附着系数等三种工况下，对HEVTCS系统和无HEVTCS系统的汽车性能进行对比分析；与传统控制策略对比分析；并验证所设计的发动机电机协调控制策略的合理性。

对比分析结果表明：混合动力汽车牵引力控制系统能迅速地将驱动轮
轮速控制在了目标轮速；保证驱动总力矩实际与期望差值在较小的范围内；与传统内燃机汽车牵引力控制算法相比，发动机电机协调控制策略更快、更有效地实现了对打滑车轮的控制。

【相关文献】
［1］Austin L，Morrey D.Recent advances in antilock braking systems and traction control systems［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering，2010，214（6）：625-638.
［2］Mansour K，Reza K.A new strategy for traction control in turning via engine modeling［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60（6）：1540-1548. ［3］Jin H，Chen H Y，Ge A L.Studies on Anti-Slip Regulation Technologies for AMT Vehicles［C］.SAE Paper 2007-01-1314，2007.
［4］Yip P P，Poon C S，Hedrick J K.Coordinated throttle/brake control for automatic highway systems［J］.Vehicle System Dynamics Supplement，2008，39（3）：161-191. ［5］Sangmin K，Maru Y，Myoungho S.Traction control using a throttle valve based on sliding mode control and load torque estimation［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2005，219（5）：645-653.
［6］李军，朱亚洲，徐杨蛟.混合动力汽车动力传动系统控制策略优化研究［J］.机械设计与制造，2014（3）：138-141.
（Li Jun，Zhu Ya-zhou，Xu Yang-jiao.Research on control strategy optimization in power transmission system of hybrid electric vehicle［J］. Machinery Design&Manufacture，2014（3）：138-141.）
［7］杨财，宋健，李亮.牵引力控制系统中最优驱动力矩控制［J］.清华大学学报：自然科学版，2008，48（11）：1989-1992.
（Yang Cai，Song Jian，Li Liang.Optimum driven torque control for traction control systems［J］.Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2008，48（11）：1989-1992.）
［8］张伟，王伟达，余桂珍.基于V流程的驱动防滑控制系统控制器设计与试验［J］.农业机械学报，2009，40（12）：31-36.
（Zhang Wei，Wang Wei-da，Yu Gui-zhen Design and road tests of ASR controller based on the V-flow［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40（12）：31-36.）
［9］张加才，李凯，李静.汽车牵引力控制系统的控制方法［J］.吉林大学学报：工学版，2006，
36（4）：514-517.
（Zhang Jia-cai，Li Kai，Li Jing.Control methods for automobile traction control system ［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2006，36（4）：514-517.）
［10］杨财，宋健.ABS/TCS/AYC中参考车速和滑移率算法研究［J］.汽车工程，2009，31（1）：24-27.
（Yang Cai，Song Jian.Algorithm research and simulation analysis for control system of ABS&TCS［J］.Automotive Engineering，2009，31（1）：24-27.）。