2.3 模式切换规则的制订

研究的插电式混合动力系统进行动力学分析时需要对各部件进行简化，仅考虑发动机转动惯量、电机转动惯量、车轮转动惯量和整车质量等效的转动惯量。

各个工作模式下根据动力源的转矩分配的规则，通过设定相应的逻辑门限，即可实现对不同工作模式的区域进行划分。转矩分配完成对发动机和ISG在不同工作模式下的转矩输出值，使发动机工作区域始终在最佳燃油消耗区域内。若超出该区域，ISG电机工作模式分两类：电池电量充足时为驱动模式，发动机不参与驱动；电量匮乏时发动机驱动整车的同时驱动ISG电机发电，将电能储存到动力电池中，同时将发动机工作区域调节到最佳燃油消耗区域。

表中 T _{m ，max} ， T _g，max 为ISG电机最大驱动转矩和最大制动转矩；SOC _obj 为CS模式的切换目标SOC；SOC ₁ 为CS模式的SOC下限值； T _BSFC 为发动机最低燃油消耗率输出转矩； T _e1 ， T _e2 为发动机低燃油消耗率区域的最低转矩和最高转矩。

本章节的插电式混合动力汽车采用CD-CS模式对动力系统进行能量管理，CD模式和CS模式的切换以动力电池的SOC值作为参考。动力电池储存能量较高，若将高能量动力电池作为峰值电源是一种浪费。因此，初始状态电池SOC较高时，为充分利用动力电池的电能，在允许的需求功率下以纯电动模式驱动。当电池SOC下降到设定的阈值时采用CS模式维持电池SOC在允许范围内波动，CD-CS模式控制策略的SOC轨迹如图 2.14 所示。

驱动工作模式切换规律的制订是按照CD模式和CS模式分别进行的，CD模式采用电动机为主的驱动模式，发动机仅在大驱动功率需求下短时启动。CS模式采用发动机为主的驱动模式，电动机补偿差值需求功率，使发动机工作在最佳燃油经济性区域范围。

2.3.1 CD模式

根据动力传动系统的参数匹配的原则，为了减小电驱动系统的尺寸以及储能系统的容量，驱动电机的功率设计采用多种标准循环工况需求功率加权计算的方法，可以满足各种工况的大部分功率需求，但是不能够满足这些工况中出现的大功率需求。因此该驱动模式下，发动机一般不启动，利用电力驱动降低油耗，驱动电机为主要动力源，当驾驶员急需动力踩下加速踏板，即使在动力电池电量充足的情况下，电驱动系统也不能满足整车动力需求，此时可以允许短时间启动发动机工作，输出差值转矩，发动机与电机同时驱动，降低电驱动系统的设计要求。

CD驱动模式下按照纯电动驱动和混合驱动模式分别制订模式切换规律和换挡规律。

（1）纯电动驱动模式

CD驱动模式下因充分利用电池能量，电池SOC较高。此外电驱动系统效率整体高于混合驱动时的系统效率。纯电动驱动模式边界由ISG电机最大输出功率限定。考虑到该工作模式的动力性能，选定车速范围为 0 ～ 80 km ／ h，加速度范围为0～3 m ／ s ² 。

纯电动模式系统效率如图 2.15 所示。

针对各种工作模式均须制订出合理的换挡规律以满足系统效率最优。所以纯电动模式下的换挡规律由各个挡位下效率曲面的交线在车速-加速度的投影来确定，即保证在各挡位驱动下均可实现效率最优。

纯电动模式换挡规律如图 2.16 所示。

其中纯电动模式下由于 6 挡整体系统效率低于 5 挡，5 挡和 6 挡下的系统效率曲面不存在交线，而且 5 挡行驶满足限制的车速范围，故侧重经济性考虑该模式下尽量不采用 6 挡行驶。

（2）混合驱动模式

混合驱动模式下各挡位下系统效率面如图 2.17 所示。

根据混合驱动模式下的系统效率图，相邻挡位效率曲面若存在交线，即以此作为换挡规律，若不存在交线，就以该挡位下系统效率曲面边界作为换挡规律。

如图 2.18 所示，纯电动驱动模式外边界线以内区域表示电动机功率满足驱动功率，因此，以该边界线作为纯电动驱动模式和混合驱动模式的模式切换规律。

通过对CD阶段纯电动模式和混合驱动模式下的系统效率分析得到了相应的换挡规律（图 2.16、图 2.19）。

2.3.2 CS模式

（1）纯电动驱动模式

CD模式下的纯电动模式主要满足纯电动里程下城市工况的功率需求，需要覆盖的需求功率区域较大。而CS模式下动力电池的SOC值维持在一定范围内波动，尽量减少发动机驱动电机发电的模式，以减少行车充电的低效率运行模式，同时避免发动机在低速小转矩区域内启动发动机驱动车辆。所以CS阶段纯电动模式更侧重于低需求功率驱动，避免发动机在高燃油消耗率区域运行。因此将各挡位下的系统效率等高线绘制出，同时把NEDC工况下的各工况点也绘制在系统效率等高线图，如图 2.20 所示，选取系统效率为 0.788 的等效率线来约束外边界可以满足NEDC工况低速区域的工况点。

换挡规律仍采用CD纯电动驱动模式下获得的换挡规律。

（2）行车充电模式

当动力电池SOC降到下限值时，为保证混合驱动工况下电池电量充足，需要对动力电池进行充电，同时将发动机的输出转矩调节到燃油消耗经济区域。行车充电模式下各挡位系统效率如图 2.22 所示，保证系统效率最优的换挡规律如图 2.23所示。

（3）发动机单独驱动模式

当车辆需求转矩到达发动机经济油耗区域且动力电池电量充足时，采用发动机单独驱动。发动机单独驱动模式下各挡位系统效率如图 2.24 所示，保证系统效率最优的换挡规律如图 2.25 所示。

（4）混合驱动模式

车辆在遇到急加速或者爬坡工况时，此时车辆的需求功率较大，单独采用发动机或电机驱动并不能满足功率需求，应采取发动机和电机共同驱动来满足动力性需求。混合驱动模式下各挡系统效率如图 2.26 所示。保证系统效率最优的换挡规律如图 2.27 所示。

通过分析CS阶段各工作模式系统效率，得到各驱动模式切换规律，模式切换规律如图 2.28 所示。