四轮驱动混合动力轿车驱动模式切换控制

I ≥0 I <0
式中
(4)
Ft ——驱动力 m ——汽车总质量 F ——滚动阻力系数
α ——坡度角
A ——汽车迎风面积 CD ——空气阻力系数 u ——车速 δ ——汽车旋转质量换算系数
式中，ηess 是电池充放电效率，也是电池内阻 Rint 和 开路电压 U oc 的函数 1.4 传动系模型 传动系由离合器、 变速器和驱动桥组成。 其中， 变速器和驱动桥模型均采用对应的传动比关系来 描述。离合器模型根据其分离、滑磨、结合 3 种状 态来建立。在分离状态下，动力传递为零；在结合 状态下，动力等值传递；在滑磨状态下，传递的转 矩计算如下。 Tc = z µc Ac pc sgn(∆c ) (5) T 式中 c ——离合器传递的转矩
[7]
SC =
式中
Qcap − Qused Qcap
× 100%
(3)
考虑到模型参数获取的难易程度和控制精度 的要求，采用稳态模型加动态修正的方法wenku.baidu.com主要动 力元件建模。
Qcap ——电池安时容量 Qused ——电池已消耗电量
102
机
械
工
程
学
报
第 47 卷第 4 期期
Qused
⎧ Idt ∫ ⎪ ⎪ = ⎨ ηess ⎪ η Idt ⎪ ⎩ ess ∫
201804)
(同济大学汽车学院
摘要：混合动力汽车存在多种驱动模式，模式切换过程中相关动力源输出转矩的协调控制对车辆动力性及驾驶性能有重要影 响。以四轮驱动混合动力轿车为研究对象，针对其在驱动过程中的模式切换可能导致的驾驶性能变差问题，重点考察纯电动 向四轮混合驱动模式的切换过程， 考虑动力耦合过程发动机和轮毂电机间动态特性的差异， 设计出无扰动模式切换控制策略。 在 Matlab/Simulink/SimDriveline 软件平台上建立四轮驱动混合动力轿车前向仿真模型，对模式切换控制策略的性能进行模 拟。仿真和实车试验结果表明：所设计的模式切换控制策略可保证模式切换过程中的动力传递平稳性，有效地抑制了因动力 耦合所造成的纵向冲击，在满足驾驶员需求转矩的前提下，提高了四轮驱动混合动力轿车的驾驶性能。 关键词：四轮驱动 中图分类号：U463 混合动力轿车 模式切换控制 实车道路试验 驾驶性能
Tmr > 0
Tm ——电动机输出转矩
Tmr ——电动机请求转矩
γ ——电油门开度
τ m ——电动机时间常数 Tdismax (ωe ) ——转速 ωe 下电动机最大输出转矩 Tchmax (ωe ) ——转速 ωe 下电动机最小转矩(即作为发
1.3 电机工作时的最大转矩) 动力蓄电池模型 样车配备了标称容量 6.5 A· h，额定电压 312
2
2.1
控制策略
四轮驱动混合动力轿车驱动模式划分及切换 采用基于转矩分配的整车能量管理策略，以发
动机稳态效率特性图为基础，将转矩作为最主要的 控制变量，对发动机和电机动力输出进行合理分 配，一方面通过电动机助力和 ISG 主动充电来调整 发动机负荷，同时取消了发动机怠速运行工况，在 低速、低负荷时由轮毂电机驱动车辆，使得发动机 工作在最佳效率区，提高整车的燃油经济性；另一 方面，对电动机助力、行车主动充电和减速/制动时 被动充电进行合理控制， 使蓄电池 SOC 处于充放电 内阻相对较低的区域，以减少电池的充放电损失， 提高能量转换效率。动力部件的不同组合方式决定 了四轮驱动混合动力轿车的模式，以驱动过程为 例，模式划分如表 1 所示。
第 47 卷第 4 期 2 0 11 年 2 月
机
械
工
程
学 报
Vo l . 4 7 Feb.
No.4 2 0 11
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2011.04.100
四轮驱动混合动力轿车驱动模式切换控制*
赵治国 何 宁 朱 阳
上海
余卓平
1.1
发动机模型
由于稳态情况下发动机输出转矩是其转速和 节气门开度的函数，故可利用发动机试验数据，采 用多项式拟合的方法建立发动机的数值模型。同 时，考虑到车辆在起动、变速情况下，油门开度变 化迅速，发动机达到稳态需要历经一个动态过程， 故以一阶惯性环节对发动机的转矩进行修正，以表 征其态特性。
Te =
表1
0
前言
*
混合动力汽车配备了多个动力源，为提高动力 系统的能量转换效率，可根据行车需要选择动力源 间的不同组合，便形成了不同的驱动工作模式。工 作模式间的切换常伴随不同动力源输出转矩的大 幅变化或突变，从而导致动力输出的不平稳，影响 了整车驾驶性能。如何在保证混合动力汽车节能减 排的同时通过模式切换控制提高其驾驶性能，正受
Mode Transition Control for Four Wheel Drive Hybrid Electric Car
ZHAO Zhiguo HE Ning ZHU Yang YU Zhuoping
(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804)
Abstract：There are many driving modes existing in the hybrid electric vehicle (HEV), the torque coordination problem of related power sources during the transition of different modes is essential to vehicle’s power and drivability performance. Based on the four wheel drive hybrid electric car, focusing on the switching from pure electric mode to hybrid four wheel drive mode as well as considering the difference of dynamic characteristics between ICE and in-wheel motors, bumpless mode switching control strategy is designed in order to solve drivability issues caused by propulsion mode’s change during the vehicle running process. Forward simulation model of four wheel drive HEV is built on Matlab/Simulink/SimDriveline platform, simulation and real vehicle road test of mode switching control strategy are carried out. Results show that the designed control strategy can ensure a smooth power transfer during the mode switching process, and can effectively suppress the longitudinal impact caused by power coupling. Finally an enhanced drivability is achieved on condition of satisfying driver’s requirement on torque. Key words：Four wheel drive Hybrid electric car Mode switching control Real vehicle road test Drivability performance
∗ 国家高技术研究发展计划资助项目(863 计划，2006AA11A130)。
20100430 收到初稿，20101025 收到修改稿
到越来越多的关注。 模式切换控制在满足驾驶员对驱动转矩需求 的前提下，通过控制发动机和电动机协调有序工 作，以抑制变速箱输出轴转矩的较大波动。考虑到 电动机较发动机具有更快的响应速度和控制精度， 目前混合动力模式切换控制研究中，多采用电动机 转矩的快速补偿来克服发动机动态特性不足的思 [1] 路。童毅等 论述了动态协调控制问题的产生原因 及控制必要性，在转矩管理策略的基础上，提出了 面向动态协调问题的“发动机转矩开环+发动机动 态转矩估计+电动机转矩补偿”的控制算法体系结 [2] 构。ROY 等 建立了发动机转矩状态观测器，实时
式中
1 f (ωe , α ) τes +1
(1)
Te ——发动机输出转矩
ωe ——发动机转速 α ——节气门开度 τ e ——发动机转矩响应时间常数
1.2
f ——发动机转矩特性函数 电动机模型
ISG 电机和轮毂电机均为永磁同步电动机，根
据试验获得的电动机效率特性数据建立了电动机 模型，采用一阶惯性环节对电动机转矩进行动态 修正 ⎧ γ ⎪τ s + 1 min(Tmr , Tdismax (ωe )) ⎪ m Tm = ⎨ ⎪ γ min(T , T mr chmax (ωe )) ⎪ ⎩τ m s + 1 式中
Z ——离合器摩擦片数 µc ——摩擦面间的动摩擦因数 Ac ——摩擦片有效面积 pc ——离合器接合压力
∆c ——离合器主、从动端转速差
1.5 车辆纵向动力学模型 根据研究需要，建立的车辆模型只涉及纵向动 力学，不考虑垂向振动和操纵稳定性。由汽车行驶 [8] 动力学方程 可得 C A Ft = mgf cos α + D u 2 + mg sin α + δ mu (6) 21.15
月 2011 年 2 月
赵治国等：四轮驱动混合动力轿车驱动模式切换控制
101
计算了发动机转矩波动，并通过电动机输出相应的 补偿转矩，以抵消发动机转矩脉动。丰田 [3-4] THS(Toyota hybrid system， THS)系统 采用行星齿 轮机构通过可测的发电机转矩直接计算发动机转 矩，利用电动机转矩对发动机转矩进行动态调整， 解决了不同动力源间的动态协调控制问题。混合动 力汽车模式切换本质为混杂系统的切换问题， [5] KOROWAIS 等 将模式划分为不同子域并设计了 相应控制器，探讨了混杂系统的切换控制问题，并 基于仿真研究了并联混合动力系统模式切换问题。 以自主开发的四轮驱动混合动力轿车为研究 对象，针对其在驱动过程中的模式切换可能导致的 驾驶性能变差问题，重点考察了纯电动向四轮混合 驱动模式的切换过程，以混杂系统切换为理论依 [6] 据，借鉴无扰动切换控制 的基本思路，设计了无 扰动模式切换控制策略并进行了实车试验。保证了 模式切换过程动力传递的平稳性，有效地抑制了因 动力耦合所造成的纵向冲击，在满足驾驶员需求转 矩的前提下，提高了四轮驱动混合动力轿车的驾驶 性能。
1
整车模型
Tmr > 0
(2)
四轮驱动混合动力轿车动力总成包括：发动 机 、 集 成 起 动 发 电 一 体 机 (Integrated starter generator， ISG)、轮毂电机、动力蓄电池组以及机 械 式 自 动 变 速 器 (Automated mechanical transmission，AMT)等，如图 1 所示。该车 ISG 电 机与发动机同轴，可作为起动电机快速起动发动 机，轮毂电机输出转矩直接作用于车轮，可在低速 时单独驱动车辆行驶。同时，ISG 电机和轮毂电机 均既可作为电动机对整车助力，又可作为发电机发 电或回收再生制动能量。
V 的镍氢蓄电池组。考虑到主要研究整车在模式切
换过程中的驾驶性能，对电池模型的精度不作过高 要求。为研究方便，此处忽略温度对蓄电池组的影 响，以等效内阻模型为基础建模 。其中，蓄电池 荷电状态(State of charge，SOC)的计算采用安时累 计算法，则蓄电池荷电状态值
图1 四轮驱动混合动力轿车动力系统结构