‘模型’是怎样炼成的
引子
在汽车电子领域中，控制模型决定了你的车是不是一匹合格的汗血宝马。作为控制器中的核心技术，控制模型是各大核心供应商的不传之秘，其中有博世的开天辟地，有大陆的琳琅满目，也有德尔福的内功深厚。笔者在本文中会揭开控制模型的神秘面纱，深入浅出的介绍笔者设计的一个混动控制器模型，带各位走进‘汽车程序员‘的世界。
WHY
一年前，我对控制模型很陌生，经常听见同事们提起，知其然却不知所以然，一直以为模型长这个样子：
后来知道了，模型长这样：
有的是这样：
纸上得来终觉浅，如今我打算自己设计一个模型。
HOW
经过过去几年的在市场上的沉淀，混动技术日益成熟，成本不断降低，得到了市场的普遍认可，优势如下：低速时电驱动保证了优异的驾驶体验，高速巡航时内燃机保证了续航里程，减速或制动时电机可以回收能量，这些优点让混动系统在满足日益苛刻的油耗双积分和排放法规的前提下对人们出行行为全面覆盖。
混动系统不仅要根据发动机和电机的不同工作特性实时进行扭矩分配，还要满足高品质的驾驶体验，使得控制难度成倍增加。本文使用MATLAB Simulink设计一种混动控制模型，使用AVL Cruise快速仿真并调试，最后验证系统模拟NEDC循环工况的油耗水平和动力表现。
一、P0P4混动方案介绍
1.1 布置方案一览
当代混动系统的布置方案可以分为P0-P4加PS六种，如下图，例如丰田THS和本田IMMD皆为PS方案。
1.2 P0P4方案介绍
在上面的方案中，只有P4可以实现四轮驱动，所以P4更适用于高性能轿车或需要四轮驱动注重通过性的SUV。但P4电机位于后轴，内燃机位于前轴，所以内燃机不能驱动P4电机给电池充电，因此P4一般会搭配成本低、技术成熟的P0电机出现。这与F1赛车和LMP原型车很相似，P0电机相当于MGU-H，P4电机相当于MGU-K，如下图。
P0+P4的优势是在城市通勤时可以使用纯电模式实现节能环保，在长途旅行时使用混动模式保证续航，而前轴发动机加后轴电机的四驱模式可以极大提高车辆性能。对于主机厂来说，这种方案最为灵活简单，不存在技术壁垒，只需在传统燃油车的基础上，把发动机的起动机+发电机替换成P0电机，后轴增加P4电机，电池容量满足政策对PHEV的要求即可，改装难度低，可以在最大程度上节省开发费用。
1.3 混动控制器设计需求
众所周知，内燃机在不同转速和不同负荷下，燃油经济性都不相同，混动系统节油的原因之一是让发动机一直工作在燃油经济性最佳工况，其余工况尽量使用电机驱动，因此混动系统需要有一个专门的控制器来协调电机和内燃机的扭矩输出。P0P4有两套电机则更为复杂，其工作模式有：P4电动机单独驱动（EV），发动机单独驱动并智能充电（Intelligent Charging），发动机与P4电机同时驱动（Parallel Mode），发动机与P4电机同时驱动并智能发电（Parallel Mode Charging），发动机与P4电机与P0电机共同驱动（MaxPower），制动能量回收（Regenerative Braking），如下表。
通过混动控制器，对以上模式协调管理，实现以下功能：1. 四种驾驶模式：纯电，混动，四驱，智能发电；2. 使用P0电机优化发动机负荷；3. 使用P4电机实现制动能量回收；4. 根据不同的驾驶意图，协调三种动力源的扭矩输出；4. 电爬行和非电爬行等。
1.4 使用AVL Cruise搭建整车模型
AVL Cruise是成熟的商业软件，专注于整车模型的快速搭建和仿真，上手简单，应用方便。由于混动系统相比传统汽车的复杂程度成倍增加，对内燃机、电动机以及动力电池的选型多样，开发周期长。使用Cruise可以在原有项目的基础上添砖加瓦，实现快速迭代，这使Cruise在混动系统的开发中有着得天独厚的优势。下图是P0P4混动结构的整车模型，其中蓝色线为机械连接，红色线为电气连接。
以上模块的参数设定均来自于对Cruise示例项目的合理修改。
a. 2项是内燃机(ICE)，选用的是小排量增压直喷发动机，保证高速路段的动力性。
b. 3项是P0电机(Motor-A)，集成在前端轮系，替代传统起动机和发电机，还可以辅助ICE加载、减载。
c. 4-6项组成6AT变速器，技术成熟，成本低，4是液力变矩器可以减小扭矩瞬变时产生的冲击。6是变速器内部的离合器，在不需要前轴驱动时脱开。
d. 11项是P4电机(Motor-B)，放于后轴，用于纯电驱动、电辅助驱动和制动能量再生。
e. 12项是动力电池，工作电压350V，总容量为33Ah。
二、混动控制器模型设计
控制模型又称作控制逻辑，它的设计水平决定了控制器的功能和性能，简单概括其作用是将传感器采集到的一系列信息作为输入量，经过复杂的数学计算，计算结果作为控制量输出给执行器，或作为下层逻辑的输入量。一套成熟的控制模型往往由许多子模块构成，并且从立项到开发、测试、生产、换代，经过了无数次的版本更迭，所以往往掌握在核心供应商手里。
为了让控制模型实现方便维护、快速迭代、良好的可读性等优点，其一般采用MBP(model based program)开发工具来设计。MATLAB Simulink是较为成熟的一种MBP开发工具，从金融到医疗以及当下火热的神经网络、计算机视觉都可以在Simulink中通过简单的拖拽、连接、参数编辑实现快速建模、仿真，应用十分广泛。
2.1 模型总览
一套完整的混动控制模型往往包括了扭矩分配、电池管理、热管理、充电管理、故障诊断、安全管理等模块，本文仅讨论最重要的扭矩分配模块。主要功能是根据驾驶员意图和车辆当前状态合理分配内燃机和两个电动机的扭矩。模型主体如下图所示。
1-5分别对应变量输入、驾驶模式切换、扭矩分配模块、制动能量回收、电动爬行和非电动爬行。其中变量输入模块的功能是将输入量统一转换为双精度类型，使用bus selector将变量汇总，方便调用。下面将对2-5模块逐一介绍。模型中的输入输出量命名使用英文缩写，对应翻译见下表。
2.2 驾驶模式切换模块
该模块的输入量为四种驾驶模式和电池电量（SOC），输出量为对应的混动模式。
整车需要实现如下几种驾驶模式：1. AWD_AUTO，控制器自动选择最为经济的扭矩分配；2. 4WD_LOCK，在实现全时四驱的前提下实现最经济的扭矩分配；3. EV，纯电动模式；4. eSave，强制充电模式，使电池电量维持在一个较高的水平。
驾驶模式由驾驶员确定，混动模式由该模块确定。当车辆工作在1-3驾驶模式中，如果电池电量低于标定阈值，则会进入eSave模式给电池充电，电量恢复后回到当前驾驶员选择的模式。这部分功能我们通过两个有限状态机实现。
第一个状态机用于判断是否进入eSave模式，输出标志位eSave_triger，输入量为电池电量SOC（state of charge）和进入阈值（SOC_min）、退出阈值（SOC_max），这里设置两个阈值的原因是为了避免系统频繁进出eSave产生震荡，这非常重要，后面还会有类似的设计，如下图。
第二个状态机根据驾驶员选择的驾驶模式切换混动模式，通过判断eSave_triger确定是否进入eSave模式。输入量为驾驶模式和eSave_triger，输出量为混动模式，如下图。
2.3 扭矩分配模块
这个模块是控制系统的主要内容，用于在不同驾驶模式下进行扭矩分配。总体分为6个部分，其中输入量为红色，标定量为蓝色，输出量为绿色。下面逐一介绍：
2.3.1 计算轴上扭矩
将驾驶员的动力需求，也就是油门行程转化为扭矩请求。传统汽车只有内燃机(ICE)一个动力源，扭矩请求一般使计算发动机飞轮端扭矩，但混动系统有多个动力源，所以需要计算轴上扭矩。首先计算三个动力源当前最大扭矩，分别与速比作积并求和计算最大轴上扭矩，再与油门行程作积得出轴上需求扭矩，如下图。
-
ICE当前的最大轴上扭矩通过转速和档位（前轴传动比）查表得出。
-
MA(motor A)P0电机的传动比与ICE相同，与最大扭矩作积得出MA最大轴上扭矩。
-
MB(motor B)P4电机的当前最大扭矩与后轴速比作积，得出后轴最大扭矩。
-
变速器在档位切换时会导致前轴传动比存在阶跃问题，最大轴上扭矩也会有瞬变的现象。为了让最大轴上扭矩变平滑，使用EWMA（移动平均模型）4进行滤波。对EWMA进行建模如下图左所示，下图右为测试数据，黄色线为实测扭矩曲线，蓝色线为EWMA滤波后曲线，通过调节滤波参数可以改变滤波后曲线的跟随性。
-
车速补偿由油门行程和车速查表得出。上面计算出的最大轴上扭矩之和，与油门行程及车速补偿作积，得出的结果即为轴上扭矩请求（axle_torque_request）。
2.3.2 计算内燃机效率区间
在这里计算发动机轴上扭矩的效率区间，并实现eSave节电模式。MA电机可以用于拓宽该区间，但能量二次转换的效率低，所以仅在电池SOC低时才会启用该功能。为了避免模式切换时产生震荡，也要计算出差值扭矩。合理选择效率区间，以及适时打开MA发电，决定了混动系统能量利用率，如下图。
- 在发动机燃油消耗率万有特性图中选取效率高的点，在这些点中的各个转速下选择最小扭矩，与传动比作积得到轴上扭矩，放到表中。
- 在电池SOC低时打开MA电机发电，进一步减小最小扭矩，从而拓宽扭矩区间。计算方法为，电池SOC补偿值与MA当前最大发电扭矩和前轴传动比作积。
- 同上，选取效率区间各个转速下的最大扭矩。
- 分别计算最大、最小差值扭矩。
- 当驾驶模式为4(eSave)时，进入节电/发电模式，扭矩区间变为0-10000，相当于关闭该功能，ICE一直工作。
- 为电池SOC设置两个高阈值，当SOC较高时退出节电模式，输出标志位eSave_tiger。
2.3.3 扭矩请求模式
使用状态机计算五级轴上扭矩请求模式，并实现EV纯电模式，如下图。
级别1，请求的扭矩小于发动机最小效率扭矩，此时用MB电机驱动车辆；
级别2，请求扭矩在发动机效率扭矩区间，此时用发动机驱动；
级别3，请求的扭矩大于发动机最大效率扭矩，此时发动机输出最大效率扭矩，剩余扭矩用MB补充；
级别4，请求的扭矩大于发动机效率扭矩和MB最大扭矩之和，剩余扭矩用MA扭矩补充；
级别5，请求的扭矩大于发动机效率扭矩和MB最大扭矩和MA最大扭矩之和，此时MA和MB均输出最大扭矩，剩余扭矩用ICE扭矩补充。
在级别1-2的条件中加上最小扭矩差值(min_delta)，在级别2-3-4-5条件中加上最大扭矩差值(max_delta)，避免模式频繁切换而产生震荡。
级别1时用MB单独驱动，可以实现纯电模式，如下图。当驾驶模式为3(EV)时，请求模式为级别1；另外当车速小于某个阈值且请求扭矩小于MB最大扭矩且驾驶模式不为4(eSave)时，请求模式也为1。
2.3.4 计算请求扭矩
确定请求模式后计算ICE/MB/MA的扭矩，并实现4WD全时四驱的功能。请求模式1-5级中，3-5前后轴均有扭矩输出，所以 4WD功能仅需要在1、2中实现。如下图。
- 请求模式为1时，此时由MB响应扭矩请求。
- 请求模式为1，驾驶模式为2(4WD)时，将部分扭矩分配给ICE。扭矩分配的比例由车速确定，低车速时50：50分配，高车速将大部分扭矩分给ICE实现高效率。
- 请求模式为2时，此时由ICE响应扭矩请求。
- 请求模式为2，驾驶模式为2(4WD)时，将部分扭矩分配给MB。扭矩分配比例同上。
- 5-7对应请求模式的3-5级，分别计算ICE/MB/MA的轴上扭矩并分别求和，再与传动比作商，得到ICE/MB/MA的需求扭矩。
2.3.5 计算MA发电扭矩
在驾驶模式为4(eSave)和非4时分别计算MA的发电扭矩，同时实现怠速发电功能。如下图。
- 使MA发电给ICE加载，使ICE工作在实现最佳油耗率的扭矩。计算方法为通过ICE需求扭矩和转速查表确定。
- 当驾驶模式非4(eSave)时，MA的发电介入比例由电池SOC查表确定。当驾驶模式为4时，由在前文3.3.2-6中计算出的eSave_tiger确定MA是否发电。
- MA智能发电功能在扭矩请求模式为2级时启用。当驾驶模式为4时，由前文3.3.2-5可知，请求模式一直为2。
- 输出ICE和MA的发电扭矩。MA发电扭矩为负值，取相反数则为ICE发电扭矩。
- 当驾驶模式为4时，且eSave_tiger为1，同时满足车辆处于静止状态、油门空载。会打开ICE进入怠速充电，如下图。
- 保证发电效率和满足NVH的前提下，标定ICE目标怠速转速。
2.3.6 ICE启停和扭矩输出
将ICE和MA的需求扭矩分别与发电扭矩求和，同时确定ICE的启停状态和AT变速器中离合器的接合状态，如下图。
2.4 制动能量回收模块
负责控制MB后轴电机实现制动能量回收，通过制动器主缸压力计算制动力矩，通过标定制动再生因子(eBrake_Coeff)控制能量回收比例。总体分为4个部分，如下图。
- 激活制动能量再生功能需要满足以下条件：车速、制动压力、电池SOC、油门位置、MB电机状态。
- 制动压力与刹车因子作积，得出整车需求制动力矩。
- 需求制动力矩先与制动能量回收因子作积，再与MB当前最大发电扭矩对比，计算得出MB电机制动发电扭矩。
- 如果MB需求发电扭矩大于最大发电扭矩，则求得差值为剩余制动力矩，通过制动因子计算出剩余制动压力。
2.5 爬行控制模块
爬行模式通常用于出入库、缓慢跟车、过收费站等工况。在这里分为两种模式，由整车是否处于eSave模式来区分。MB电机针对ICE响应慢的补偿方案也在这里一并探讨。一共分为四部分，如下图。
- 车辆在松开油门/刹车踏板到进入爬行模式前通常会有一个1s左右给驾驶员的反应时间，该延时模块由下图算法实现。
- 爬行车速设置为8km/h，通过两个PID控制器控制车速，输入量为设置车速和当前车速和的差值，输出量为MB电机或ICE的输出扭矩。维持车辆爬行的需求扭矩通常很小，因此在非电爬行模式下会使ICE工作在非效率区间，此时驾驶模式为4(eSave)，所以在爬行模式应打开MA发电，即MA_creep_gen_trq。两个PID控制器的仿真效果，如下图，红色曲线为车速。
- 分别计算加入爬行控制后的MB、MA和ICE的总需求扭矩。
- 有关eBoost的探讨：ICE的扭矩输出通常有0.5-1s的迟滞时间，增压发动机根据涡轮特性的不同，迟滞时间会更长，而电机的扭矩输出几乎没有迟滞，也就是说我们可以利用MB来弥补ICE的迟滞问题，即为eBoost功能。如下，ICE的扭矩需求经过EWMA滤波器后得出ICE当前的预测扭矩，将请求扭矩和预测扭矩做差值再加到MB的需求扭矩上得到MB的总需求扭矩。因为ICE是非线性系统，每个扭矩点和转速点的迟滞特性都不相同，所以空一通过扫点确定ICE每个工作点的迟滞时间再通过查表方式添加到模型中，这样可以提高eBoost的扭矩准确度。然而Cruise没有针对驾驶性仿真进行优化，所以只在这里抛砖引玉，点到为止。
三、Simulink与Cruise联合仿真
实践是检验真理的唯一标准，在汽车产品‘V’型开发方式中，仿真是非常重要的环节，可以节省大量时间和人力。以上文中的仿真模型和控制模型为依托，使用AVL Cruise进行仿真，得出结论。
3.1 Simulink生成仿真文件
实现联合仿真可以通过三种方式：Matlab DLL、Matlab API和Cruise interface。笔者选用的Matlab DLL是通过Simulink的RTW生成动态链接库( DLL）文件并集成到CRUISE中进行耦合仿真，优点是仿真速度快、最为灵活并且使用广泛。下图是生成.dll文件的相关配置。
3.2 Cruise设置Matlab DLL模块
在Modules下的interface中选择找到Matlab DLL拖动到整车模型中。打开Matlab DLL，选中上面生成好的.dll文件，在description of data bus中设置控制器需要的输入输出变量。
使用Constants（常数量）模块定义整车模式（AWD\4WD\EV\eSave）和强制进入eSave模式的电池SOC阈值等。
为了便于调试，添加多个Monitor模块，设置好仿真中关注的变量以及在模型中输出的关键过程量。在data bus中将Matlab DLL、Constants、Monitor的输入输出连接好。如下图。
3.3 运行仿真计算
在Cruise项目里添加NEDC油耗和动力性仿真任务，并运行，如下图。在1中设置仿真任务，在2中运行仿真，在3中查看结果。
3.3.1 动力性对比
分别添加内燃机单独驱动、后轴电机驱动和混动下的动力性仿真任务，结果如下表所示。
3.3.2 经济性对比
分别添加内燃机单独驱动、后轴电机驱动和混动下各种驾驶模式的经济性仿真任务，结果如下表所示。
从数据中得出结论，相对于传统燃油车或者纯电车，该混动系统可以大幅度提高车辆性能，降低油耗，在使用混动控制器后衍生出了多种车辆模式，优化油耗和电耗。例如，混动有控制器（AWD /SOC:80%）的综合油耗为3.83，综合电耗为22.64，综合油耗相对于无控制器几乎相同，而电耗大幅度降低。
END
本文是笔者学习控制模型和混动系统的阶段性总结，如有雷同纯属巧合，如需引用请注明出处。
从行业发展来看，传统内燃机的控制与标定势必会成为夕阳行业，相关从业人员也在不断流失。但随着电动技术、混动技术、高效率内燃机、辅助驾驶技术的不断发展，汽车上的传感器变得越来越多；这样一来，控制模型会越做越复杂，标定也将越来越细致。在新技术的风口中，大有可为。