祝浩 于钊 徐家良

摘  要：针对双电机混动车辆在车辆运行过程中串并联驱动模式的切换需求，通过分析双电机混联构型结构特点，提出一种通过发动机、发电机和驱动电机协调控制实现无动力中断的切换控制方法。将串联到并联切换过程分为发动机工作点转移、离合器结合、动力源切换三个阶段，将并联到串联切换过程划分为动力源切换、离合器打开、发动机工作点转移三个阶段，能够实现串并联驱动模式的顺利切换，同时上述切换阶段划分也能较好的支持串并联切换过程中的切换意图改变操作。最后进行了控制策略的实车验证，切换过程中冲击度小于8。结果表明，所提出的串并联切换控制方法能够完全支持车辆运行过程中的串并联切换。

关键词：双电机构型;混合动力;串并联切换;控制方法

中图分类号：U464.235      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2022）01-0035-08

Design and Implementation of the Switching Process between Series and Parallel Modes of Dual-motor Hybrid Vehicles

Zhu Hao， Yu Zhao， Xu Jia-liang

（ FAW New Energy Development Institute， Changchun 130013， China ）

Abstract： Aiming at the switching requirements of the series-parallel driving mode of the dual-motor hybrid vehicle during the operation of the vehicle， by analyzing the structural characteristics of the dual-motor hybrid configuration， a switching control without power interruption is proposed through the coordinated control of the engine， generator and drive motor method. The series-to-parallel switching process is divided into three stages： engine operating point transfer， clutch combination， and power source switching. The parallel to series switching process is divided into three stages： power source switching， clutch opening， and engine operating point transfer， which can realize series-parallel connection The smooth switching of the driving mode， and the above-mentioned switching phase division can also better support the switching intention change operation during the series-parallel switching process. Finally， the actual vehicle verification of the control strategy is carried out. The results show that the proposed series-parallel switching control method can fully support the series-parallel switching during vehicle operation.

Key Words： Dual-Motor Structure; HEV; Series-Parallel Switching

1    前言

雙电机混联构型兼具串联构型和并联构型的各自优点，在低速和高速工况下都能实现比较好的系统燃油经济性，其结构也比较简单。但是目前国内文献多集中于研究串联构型下发动机及动力电池能量分配问题，即发动机是工作在“恒温器”还是“功率跟随”模式[1-3]。而对双电机混联构型的研究都是基于整个系统进行描述，即如何通过各个模式下的能量管理以实现整个系统的燃油经济性和动力性最优[4-7]，而对双电机混联构型如何进行串并联切换控制都未曾提及。

双电机混联构型串并联驱动模式的顺利切换是 实现构型优点的基础，本文在分析双电机混联构型结构特点的基础上，通过对串并联模式下动力系统输出方式分析，以保证切换过程中的动力平顺性为目标，提出了通过发动机、发电机和驱动电机协调控制以实现串并联切换控制，并且支持切换过程中的驾驶员切换意图改变，最后通过试验对该控制策略进行了验证。

2    双电机混联构型分析

2.1    双电机混联构型结构特征

图1为双电机混联构型结构图。当离合器分离时，整个系统为串联构型，驱动电机负责驱动，发电机和发动机负责发电，发电机兼具起动机作用;当离合器结合后，整个系统为并联构型，主要由发动机进行驱动，驱动电机进行加速助力和能量回收。

2.2   双电机混联构型串并联驱动模式分析

由于各个部件之间的速比不同，需要将各个部件的转速扭矩折算至同一个部件，即实现参照系的统一，以下所有扭矩、转速均指以发动机为参照系转换后的值

根据双电机构型的结构特点，整车在串并联模式下各个部件的控制参数分析如下：

（1）串联模式

在串联模式下，离合器打开，车辆由驱动电机驱动。发动机工作在一定的转速、扭矩点上以满足整车的驱动及动力电池充放电功率需求，串联模式下各部件的能量流动如图2所示：

串联模式下各部件控制目标为：

（1）

其中TEng_Tgt和ωEng_Tgt分别为发动机目标功率点对应的扭矩和转速，TTm_Tgt为驱动电机目标扭矩其等于整车驱动扭矩TDrv，串联模式下发动机发电工作点的选择已有较多文献研究[5-7]，本文不再赘述;TEng_Act为发动机实际扭矩，TCL为串联模式下发电机对发动机进行转速控制时产生的闭环扭矩值。

（2）并联模式

并联模式下，离合器结合，发电机工作在0扭矩随转模式;整车驱动扭矩优先由发动机执行，驱动电机补充发动机扭矩响应的迟滞和不足的部分;并联模式下，发电机还可对发动机扭矩进行“补偿”以使发动机工作在经济区，并联模式下各部件的能量流动如图3所示：

并联模式下，存在并联驱动+发电、并联助力、并联断油+回收三种不同的子模式，各个子模式下整车各部件扭矩分配关系也不同，因此目标发动机扭矩也根据并联子工况的不同分别考虑。

并联模式下各部件控制目标为：

（2）

（3）

其中，TEng_PaMax为并联模式下发动机扭矩上限值，TTm_PaShft为并联充电模式下驱动电机发电负扭矩值，TEng_Los为发动机当前转速下的摩擦扭矩值。

3    串并联驱动模式切换过程分析

3.1   串联到并联模式切换过程分析

在串联模式下，离合器断开，发动机转速/扭矩均与车速解耦，发动机输出功率通过“电传动”传递至车轮，驱动电机扭矩等于整车驱动扭矩。在并联模式下，离合器结合，此时车辆主要由发动机驱动，发电机提供部分加速助力扭矩或发电扭矩，发动机输出功率通过“机械传动”传递至车轮。

串联到并联切换的本质，是要实现发动机到车轮端从“电传动”到“机械传动”的转换，同时保证切换过程中整车驱动扭矩的连续性。因此将串联向并联切换过程依次分为三个阶段：发动机工作点调整阶段、离合器吸合阶段、动力源切换阶段。

（1）发动机工作点调整阶段

在此阶段，将发动机转速调整至驱动电机转速，以保证随后的离合器结合时低转速差。同时根据发动机扭矩响应较电机慢的特性，为在接下来的动力源切换及并联阶段尽可能的不调整发动机扭矩而用驱动电机来调整整车扭矩，因此在此阶段也需要将发动机扭矩调整至并联发动机扭矩。

在此阶段，离合器未结合，发动机工作点虽已从串联工作点调整至并联工作点，但依然处于串联模式，由驱动电机完成整车驱动。

在此阶段发动机目标扭矩如公式（2）所示，驱动电机目标扭矩，发电机目标转速和扭矩值如公式（4）所示：

（4）

待发动机实际扭矩、转速与目标值偏差小于设定门限，认为发动机工作点调整阶段结束，进入到离合器吸合阶段;此偏差门限根据试验取得，主要考虑离合器吸合阶段的整车平顺性以及动力源交替阶段的动力连续性;

（2）离合器吸合阶段

在离合器吸合阶段，离合器逐步吸合，发动机、发电机、驱动电机的控制目标依然与上一阶段相同，只是在此阶段，主要是维持各个部件的目标状态，而上一阶段则是动态调整各个部件的目标状态;

虽然上一阶段发电机已经将离合器两端的转速差控制的比较小，但为了进一步降低离合器吸合时的冲击度，离合器油压也采用逐步加载的方式，油压加载速度需要结合整车表现标定得到。

相较发动机工作点调整阶段，此阶段只是多了离合器控制，将离合器吸合阶段设为独立阶段，这样发动机工作点调整阶段只关注发动机工作点的动态调整，有利于模块功能复用。

在离合器吸合过程中，如果离合器两端的转速差不能控制在一个较小的范围内，则会导致车辆出现顿挫或前冲感，为此采用冲击度对离合器吸合过程控制平顺性进行评价，其冲击度为

其中：ωv為离合器输出轴角速度，rw为车轮半径，i0为离合器到主减速器传动比，ig为主减速器传动比。

（3）动力源切换阶段

在此阶段离合器已经吸合，发动机和整车驱动系之间已经建立机械连接，发电机逐步减小发电扭矩，从而将发动机扭矩向驱动系释放出来，驱动电机同步减少与发电机相同的扭矩，由于发电机扭矩和驱动电机扭矩同步调整量大小相等，因此可以保证发动机、发电机和驱动电机三者对外输出总扭矩等于驾驶员需求驱动扭矩，以实现驱动力的连续性。此阶段发动机目标扭矩如公式（2）所示，发电机和发动机目标扭矩如公式（5）所示：

（5）

其中∆TStp为发电机和驱动电机扭矩同步调整步长，此步长值的设定需要考虑电机的扭矩响应速度和精度，以及整车对动力源切换阶段的耗时要求，本文设置为50Nm/s;T*Gm_Tgt和T*Tm_Tgt分别为为发电机、驱动电机目标扭矩上一个计算周期的值;

待发电机扭矩已经降低至零，驱动电机扭矩已降低至并联驱动电机目标扭矩值后，此阶段结束，整车进入并联驱动模式;

3.2   并联到串联模式切换过程分析

并联到串联切换是串联到并联切换的逆过程，要实现发动机到整车驱动系之间从“机械传动”到“电传动”的转换，基于前面的分析，可以将并联到串联的切换过程依次分为：动力源切换、离合器分离、发动机工作点调整三个阶段。

（1）动力源切换阶段

由于在离合器断开后就为“电传动”，因此在离合器断开前，就要实现“机械传动”向“电传动”的切换。通过增大发电机发电负扭矩来吸收发动机的扭矩，同时驱动电机以同等的幅度增加发电机吸收的扭矩值，由此在总驱动扭矩等于驾驶员需求扭矩的情况下实现了从发动机驱动到电机驱动的转换。此后发动机全部功率被发电机吸收，离合器两端没有扭矩传递。

在此阶段发动机扭矩依然如公式（2）所示，驱动电机扭矩、发动机转速控制目标如公式（6）所示：

（6）

需要注意的是，此阶段驱动电机扭矩由两部分组成，一部分来自发动机转移过来的扭矩，另一部分來自自身并联助力的部分，其中并联助力部分也可以用来响应外部扭矩请求，比如ESP扭矩。

待发动机扭矩完全被发电机吸收后，动力源切换阶段结束。

（2）离合器分离阶段

在离合器分离过程中，由于分离过程需要一定的时间，在此期间为了避免因为离合器两端因为转速差过大导致滑磨功过大，此时发电机通过转速控制使发动机转速与驱动电机相同。在这个过程中，整车驱动依然由驱动电机执行。

此阶段发动机扭矩依然如公式（2）所示，驱动电机扭矩、发动机转速控制目标如公式（4）所示：

（3）发动机工作点调整阶段

离合器分离后，发动机已经与传动系断开，此时已经处于“电传动”状态，发动机目标工作点为串联目标工作点;驱动电机独立完成整车的驱动，此阶段发动机扭矩、驱动电机扭矩、发动机转速控制目标与串联工况一致;

待发动机工作点调整至串联目标工作点附近后，发动机工作点调整阶段结束，整车进入串联驱动模式;

3.3   串联到并联切换中切换意图改变分析

车辆运行过程中工况多变，因此存在串并联切换过程中切换意图发生改变的情况，串并联切换控制应该能覆盖此种工况，保证串并联切换在任何情况下都能顺利进行，最终实现目标驱动模式。

（1）发动机工作点调整阶段切换意图改变

在发动机工作点调整阶段，如果发生再次返回串联的切换请求，则只需将发动机的目标工作点从并联工作点重新调整至串联工作点即可，当发动机工作点到达串联工作点附近后，则重新进入串联驱动模式。

（2）离合器吸合阶段切换意图改变

在离合器吸合阶段，如果发生再次返回串联的切换请求，则应切换至离合器分离阶段执行离合器分离操作，待离合器分离完成，则进入到发动机工作点调整阶段，目标发动机工作点为串联工作点，当发动机工作点到达串联工作点附近后，则重新进入串联驱动模式。

（3）动力源切换阶段切换意图改变

在动力源切换阶段，实现发动机动力到传动系由“电传动”到“机械传动”的转换，如果发生再次返回串联的切换请求，则应该从“机械传动”再次转换到“电传动”，发电机增大发电负扭矩吸收发动机扭矩，驱动电机同步增加驱动扭矩，即执行公式（6），然后待动力源切换完成后，依次执行离合器分离阶段和发动机工作点调整阶段，待这两个阶段执行完毕后，再次进入串联驱动模式。

3.4   并联到串联切换中切换意图改变分析

（1）动力源切换阶段切换意图改变

在并联到串联切换第一阶段，要实现整车由发动机驱动到电机驱动的转换，如果在此时需要重新切换回并联，则需要再次转换回发动机驱动，即驱动电机由当前扭矩逐步降低扭矩至并联扭矩，发电机扭矩由当前扭矩逐步降低至零。待发动机扭矩和驱动电机扭矩再次等于并联扭矩时，此阶段结束，再次回到并联驱动模式。

（2）离合器分离阶段切换意图改变

当并联到串联切换进入到第二阶段即离合器分离阶段时，如果需要再次转换为并联驱动，则需要从离合器分离操作转为离合器结合操作，此过程发动机扭矩依然等于并联发动机扭矩，发电机基于转速控模式将发动机转速维持与驱动电机相同的转速;待离合器再次结合后，则转入动力源切换阶段，待动力源切换阶段结束，整车重新进入并联驱动模式。

（3）发动机工作点调整阶段切换意图改变

在发动机工作点调整阶段，此时离合器已经脱开，整车已经进入串联驱动模式，仅仅是发动机工作点还未到达目标串联工作点，此时如果需要再次进入并联驱动模式，则会依次执行串联到并联模式切换的发动机工作点调整阶段、离合器吸合阶段和动力源切换阶段，直至重新进入并联模式。

4    软件建模与实车验证

4.1   控制策略建模

根据上述分析，串并联切换控制的基本控制逻辑跳转如图4所示：

4.2   实车验证

在动力总成台架和一汽农安试验场分别对本文提出的串并联切换算法进行了实车验证。在实车道路试验中，发动机热机。试验中车辆先在串联模式下以恒定油门在保持80km/h匀速行驶，随后手动设定串并联模式切换请求，观察并记录切换过程。

因为切换过程中车速基本恒定，而电机通过旋变测量转速，其转速测量精度和响应速度皆较高，因此可通过切换过程驱动电机转速是否变化来评价切换过程中的整车扭矩平顺程度。

试验车整车及关键零部件参数如表1所示，串并联切换过程中所用到的整车驱动模式和串并联切换控制阶段定义如表2所示。

图7是完整的串联到并联切换过程。由图中数据，从发出并联切换请求到最后完成并联切换，耗时1.7秒，其中发动机工作点调整阶段耗时0.91秒，离合器结合阶段耗时0.33秒，动力源切换阶段耗时0.44秒。在切换第一阶段，发电机调整其输出扭矩以使发动机转速快速变化至驱动电机转速，而发动机扭矩从当前扭矩变化至并联发动机扭矩;由于在第一阶段发动机扭矩已调整完毕，所以在第三阶段发动机扭矩没有变化;在第三阶段，驱动电机和发电机扭矩快速交替变化以完成从电机驱动到发动机驱动的转换。切换过程中，驱动电机转速基本没发生改变，整个切换过程中冲击度小于8，说明切换过程中总驱动扭矩平稳连续且无中断，与实车主观感受一致。其中发动机工作点调整阶段最为耗时，这个主要与发动机/发电机组合的转速响应特性以及发电机的扭矩设定方式有关，后续可通过调整离合器建压方式以适当提高离合器结合前的转速差，缩短发动机转速调整时间。

图8是完整的并联到串联切换过程。由图中数据，整个切换过程耗时0.76秒，其中动力源切换耗时0.5秒，离合器分离耗时0.2秒，发动机工作点转移耗时0.02秒，切换过程中驱动电机转速基本不变且保持平顺，整个切换过程中冲击度小于7，整车主观感受较好。在离合器打开前，发电机发电扭矩和驱动电机扭矩分别等速率增加，以实现整车由发动机驱动转换到驱动电机驱动。在离合器分離后，整车即已实现串联驱动，发动机工作点逐步爬升至串联目标工作点。

图9是串联到并联切换时，在进行到动力源切换阶段时，又切换回串联驱动模式的切换过程。在切换过程中，当有重新切换回串联请求后，动力源切换阶段将转移到发动机端的扭矩重新转移回驱动电机，随后执行离合器分离和发动机工作点转移阶段，最后切换回串联驱动模式。从图中数据可以看出，切换过程驱动电机转速依然保持平稳，整个切换过程中冲击度小于7，说明整个过程驱动扭矩平稳连续。

图10是并联到串联切换时，在进行到第一阶段动力源切换阶段时，又切换回并联驱动模式的切换过程。在切换过程中，当有重新切换回串联请求后，动力源切换阶段将转移到发动机端的扭矩重新转移回驱动电机，在此过程中，离合器一直保持结合状态，待动力源切换过程结束中，切换回串联驱动模式。从图中数据可以看出，切换过程驱动电机转速基本没有变化，整个切换过程中冲击度小于6.5，说明整个过程驱动扭矩平稳连续。

5     结束语

建立了双电机混联构型混合动力的动力学模型，并在此基础上对串并联切换过程进行了分析，将串联到并联行驶切换过程划分为发动机工作点转移、离合器结合、动力源切换三个阶段，将并联到串联行驶切换过程划分为动力源切换、离合器打开、发动机工作点转移三个阶段，通过以上切换步骤划分，保证了切换过程的顺利进行。同时，以上切换阶段划分方法也支持串并联切换过程中切换意图改变。最后进行了实车验证，证明了所提出的串并联切换方法能够保证串并联切换顺利进行，切换过程扭矩连续平顺。

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专家推荐语

任卫群

东风商用车技术中心

先行技术开发部总工程师  副教授

论文对于混联混动车辆的模式切换控制进行了分析和测试，研发工作比较系统完整。