雙離合器式混合動力汽車模式切換控制策略*

楊 陽，黃劍峰，秦大同，蘇 嶺

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044;2.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 400023)

前言

為有效降低汽車油耗和排放，強混合動力汽車已經(jīng)成為世界各大汽車公司研究開發(fā)的熱點。其在結(jié)構(gòu)上較多地采用了雙電機加行星排的混合動力系統(tǒng)(如Prius)，其特點是運行平穩(wěn)，但成本較高［1-3］。

在強混合動力汽車中，能量管理策略與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)算法已成為重要的研究內(nèi)容。文獻［4］中采用了基于邏輯門限值的能量管理策略，限制發(fā)動機工作在高效率區(qū)間，提供要求的轉(zhuǎn)矩。但邏輯門限值只是直觀地在發(fā)動機萬有特性圖上劃分出工作模式區(qū)域，未考慮發(fā)動機效率與電機的轉(zhuǎn)矩。文獻［5］中提出了“內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制+電機轉(zhuǎn)矩補償控制”;文獻［6］中采用了“穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩分配+發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計+電機轉(zhuǎn)矩補償”的動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法。但兩者均未考慮離合器接合的動態(tài)過程。文獻［7］和文獻［8］中將混合動力汽車工作模式劃分為子域，分析了混雜系統(tǒng)的切換，控制離合器接合時刻，對模式切換過程進行了研究，但未對離合器接合過程進行具體控制。

本文中以新型的單電機、雙離合器式強混合動力長安轎車為研究對象，通過對系統(tǒng)構(gòu)成和工作模式進行分析，按發(fā)動機效率與電機轉(zhuǎn)矩劃分了工作模式區(qū)域，制定了能量分配策略。在此基礎(chǔ)上，重點研究行進中電機起動發(fā)動機過程的動態(tài)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略與限矩離合器接合的模糊控制策略，并進行仿真分析與臺架試驗，以實現(xiàn)該過程動力傳遞的平穩(wěn)性與乘坐的舒適性。

1 系統(tǒng)組成和運行模式分析

1.1 系統(tǒng)組成

強混合動力長安轎車結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。發(fā)動機與電機之間通過單向離合器與限矩離合器相連。限矩離合器的使用使電機起動發(fā)動機的過程平穩(wěn)可控，且能保證電機有足夠的輸出動力，不會產(chǎn)生動力不足或中斷。單向離合器保證起動完成后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不高于電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)發(fā)動機動力傳遞。

當限矩離合器斷開時，可由驅(qū)動電機單獨提供所需轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛運行。在限矩離合器接合過程中，驅(qū)動電機可在驅(qū)動車輛的同時起動發(fā)動機，電機提供的驅(qū)動發(fā)動機轉(zhuǎn)矩由限矩離合器限定(約55N·m)，不造成動力中斷。當發(fā)動機起動過程完成后，限矩離合器分離，單向離合器鎖止，發(fā)動機與電機可共同驅(qū)動車輛行駛或由發(fā)動機單獨驅(qū)動。

1.2 運行模式分析

為便于進行動力學分析，將模型圖進行簡化，忽略旋轉(zhuǎn)黏性阻尼的作用，見圖2。本文中重點研究驅(qū)動工況，對于制動及其相關(guān)的工況不予討論。

(1)純電動工況 在低需求轉(zhuǎn)矩或低速運行的情況下，汽車以純電動工況運行，限矩離合器分離，發(fā)動機不起動，汽車所需要的動力由電機單獨提供。此時，

(2)行進中電機起動發(fā)動機 當車速提高或需求轉(zhuǎn)矩增大時，單獨電機驅(qū)動不能滿足需求，須從純電動工況轉(zhuǎn)換到發(fā)動機驅(qū)動工況。在此過程中，電機不僅要提供車輛運行所需求的轉(zhuǎn)矩，還要保證能順利起動發(fā)動機。限矩離合器接到接合指令，開始接合滑摩，主從動片有轉(zhuǎn)速差，此時，

當離合器結(jié)合，發(fā)動機起動完成后，電機并沒有馬上退出工作，而是對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進行補償，避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動。當發(fā)動機完全起動，汽車將以發(fā)動機單獨驅(qū)動工況運行。

(3)發(fā)動機單獨驅(qū)動 限矩離合器分離，由單向離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，可以減少限矩離合器使用時間，延長其壽命。此時，

(4)聯(lián)合驅(qū)動 發(fā)動機與電機共同輸出轉(zhuǎn)矩，由單向離合器傳遞。此時，

(5)行車充電 當電池的電量不足，需要充電時，發(fā)動機不僅須提供車輛運行所需轉(zhuǎn)矩，還要提供充電轉(zhuǎn)矩。單向離合器工作，限矩離合器分離，電機作為發(fā)電機給電池充電。此時，

采用沖擊度來評價模式切換的控制效果，可表示為

沖擊度反映轉(zhuǎn)矩波動的情況，沖擊度越大，平順性也就越差。沖擊度的量化指標各國不盡相同。我國的推薦值為 |J|≤17.64m/s3［9］。

2 模式切換的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略

2.1 轉(zhuǎn)矩管理策略

2.1.1 工作模式區(qū)域劃分

發(fā)動機工作在低轉(zhuǎn)速、小負荷時，效率較低，要發(fā)揮混合動力汽車的優(yōu)勢，則須對工作模式的區(qū)域進行劃分，這也是進行模式切換的前提。

由于邏輯門限值控制策略的不足，本文中在結(jié)合電機特性，保證電機在需要起動發(fā)動機時要能提供足夠的起動轉(zhuǎn)矩和汽車運行所需轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，以發(fā)動機油耗為重點，選取發(fā)動機油耗小的點進行工作區(qū)域的劃分。通過試驗，得到發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和燃油消耗率的相關(guān)數(shù)據(jù)，繪成三維油耗圖見圖3，工作區(qū)域的劃分如圖4所示。

圖4中a為發(fā)動機工作最小轉(zhuǎn)矩曲線，b為通過試驗獲得的發(fā)動機最優(yōu)經(jīng)濟曲線，c為電機功率輔助最小轉(zhuǎn)矩曲線。這些曲線將發(fā)動機穩(wěn)態(tài)圖劃分成不同的區(qū)域:(1)為純電動工作區(qū)，(2)為發(fā)動機單獨工作區(qū)，(3)為發(fā)動機與電機聯(lián)合驅(qū)動工作區(qū)。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于1 000r/min時，其效率很低，且電機在低速時，可提供較大的轉(zhuǎn)矩，因此在這個區(qū)域均由電機單獨驅(qū)動，以提高經(jīng)濟性。

2.1.2 轉(zhuǎn)矩管理策略的實現(xiàn)

轉(zhuǎn)矩管理策略是為了將需求轉(zhuǎn)矩實時合理地分配給發(fā)動機和電機，提高混合動力汽車的效率。在正常情況下，駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的優(yōu)先級高于電池充電需求轉(zhuǎn)矩的優(yōu)先級。如果需求轉(zhuǎn)矩是在發(fā)動機與電機聯(lián)合工作區(qū)，即使電池處于低效率區(qū)，電池也必須工作在放電狀態(tài)，使混合動力汽車進入功率輔助狀態(tài)，以滿足動力性需求。其轉(zhuǎn)矩管理策略見表1，其中SOCmin、SOClow和SOChigh表示允許放電最小值、高效區(qū)下限值和高效區(qū)上限值;Td_req、Tm_ass、Tch_req、Te_max和Tm_max表示需求轉(zhuǎn)矩、電機助力最小轉(zhuǎn)矩、充電需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和電機最大轉(zhuǎn)矩;ne_min表示發(fā)動機運行的最低轉(zhuǎn)速。

2.2 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略

由于發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)矩變化時間常數(shù)相差很大，如果僅僅由油門開度對發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩進行開環(huán)控制，將使發(fā)動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩嚴重滯后于電機的轉(zhuǎn)矩變化，而且動態(tài)過程中發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩控制還與瞬態(tài)空燃比控制和其他補償措施有關(guān)，使其動態(tài)性能不能滿足要求［10］。此外，在有濕式離合器接合的過程中，還須對離合器油壓與電機轉(zhuǎn)矩進行控制，否則會使輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動。行進中電機起動發(fā)動機是模式切換中一個十分重要的過程，將直接影響動力傳遞的平穩(wěn)性與乘坐的舒適性，包括發(fā)動機起動與限矩離合器接合的動態(tài)過程，本文中重點研究其動態(tài)轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制策略。

當滿足模式切換條件，車輛須要起動發(fā)動機時，首先發(fā)出限矩離合器接合指令，要對其油壓進行控制。在滿足平順性的前提下，盡量減少其接合時間。接合過程中電機轉(zhuǎn)矩與限矩離合器的接合動作需要動態(tài)協(xié)調(diào)控制，以保證發(fā)動機正常起動且不對車輛的正常行駛造成過大的沖擊。限矩離合器的結(jié)構(gòu)確定后，滑動摩擦力矩取決于作用在摩擦面上限矩離合器的油壓大小，因此對限矩離合器目標油壓的控制至關(guān)重要。

離合器接合過程與油門開度、油門開度變化率及電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)速差等相關(guān)，各參數(shù)之間的關(guān)系難以用精確的數(shù)學模型表示，使用傳統(tǒng)的基于模型的控制方法不能滿足要求。采用模糊控制，無須建立精確的模型，能較好地識別各參數(shù)之間的關(guān)系，可在不同工況下選擇合適的語言變量和控制參數(shù)來實現(xiàn)對離合器的合理控制。因此，采用模糊控制策略對離合器進行控制，其初始壓力和滑摩階段的油壓控制對接合性能影響很大，是研究的重點［11］。

2.2.1 初始接合壓力控制

離合器初始接合壓力為離合器預設(shè)初始壓力p0與離合器初始壓力增量Δp之和，其中p0為設(shè)定值，Δp為模糊控制器輸出，由駕駛員意圖決定。油門開度和油門開度變化率可反映駕駛員意圖，當加速踏板行程大且變化率大時，表明駕駛員希望車輛快速進入動力更強的工作模式，應優(yōu)先考慮動力性，輸出較大的離合器油壓增量Δp，以建立較高的初始壓力;反之，當加速踏板行程小且變化率小時，優(yōu)先考慮平順性與舒適性，建立較低的初始壓力，以降低沖擊度。因此，建立離合器油壓增量的模糊控制規(guī)則應遵循:當油門開度小且變化率小時，初始接合壓力小;當油門開度小且變化率大時，初始接合壓力中等;當油門開度大且變化率小時，初始接合壓力中等;當油門開度大且變化率大時，初始接合壓力大。對此規(guī)則進行細化則可得到所有離合器油壓增量的模糊控制規(guī)則。

表1 轉(zhuǎn)矩管理策略

模糊控制器的第1個輸入為加速踏板行程α，模糊論域(0，1)，模糊語言變量為{非常小，小，較小，中，較大，大，很大}，相應的模糊子集為{VS、S、MS、M、MB、B、VB}。第2個輸入為加速踏板行程變化率α·，模糊論域(0，12)，模糊語言變量為{非常小，小，較小，中，較大，大，很大}，相應的模糊子集為{VS、S、MS、M、MB、B、VB}。輸出為 Δp，模糊論域(0，12)，模糊語言變量為{非常小，小，較小，中，較大，大，很大}，相應的模糊子集為{VS、S、MS、M、MB、B、VB}，隸屬函數(shù)均為高斯函數(shù)，詳細的控制規(guī)則如表2所示。

2.2.2 接合壓力變化率控制

在滑摩階段，須考慮駕駛員操作意圖和離合器接合過程的沖擊度與滑摩功，用加速踏板行程變化率反映駕駛員意圖，離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差來控制沖擊度與滑摩功。駕駛員快速踩下加速踏板表示希望迅速完成模式切換過程，應增大油壓的上升速率，反之，則減緩油壓的上升速率。若離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差較大時，油壓上升速率應慢，以減小沖擊度;若離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差較小，油壓上升速率應快，以減少滑摩功。因此，建立離合器壓力變化率的模糊控制規(guī)則應遵循:當油門開度變化率小且離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差小時，離合器接合壓力變化率中等;當油門開度變化率小且離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差大時，離合器接合壓力變化率很小;當油門開度變化率大且離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差小時，離合器接合壓力變化率很大;當油門開度變化率大且離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差大時，離合器接合壓力變化率中等。對此規(guī)則進行細化，可得到所有離合器接合壓力變化率的模糊控制規(guī)則。

表3 接合壓力變化率模糊控制規(guī)則表

在此過程中離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為

式中:R=(r23-r13)/(r22-r12)，r1、r2為離合器摩擦片的內(nèi)外徑，m;μ為摩擦因數(shù);pn為控制油壓對壓盤的正壓力，Pa;S為摩擦片面積，m2;Z為摩擦副數(shù);pn為控制油壓對壓盤的正壓力，Pa;Δω為發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)速差。

在發(fā)動機起動時的離合器接合過程中還須對電機轉(zhuǎn)矩進行控制，其大小與需求轉(zhuǎn)矩和離合器傳遞轉(zhuǎn)矩有關(guān)。當離合器開始接合時，電機轉(zhuǎn)矩增大，其值為

在此過程中發(fā)動機開始增速，若達到其點火所需轉(zhuǎn)速時，則發(fā)動機點火，同時向發(fā)動機控制器發(fā)出相關(guān)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速指令。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速相同時，則離合器接合完全。此時由于發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的滯后性，使用電機繼續(xù)補償發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的不足。若發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩為Te，與其目標轉(zhuǎn)矩存在差值為

為保證總需求轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，利用電機進行補償，電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩Tm與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

式中Te_req和Tm_req為發(fā)動機和電機的目標轉(zhuǎn)矩。當發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩差值δ進入允許范圍時，此時電機退出補償，只輸出其目標轉(zhuǎn)矩。電機起動發(fā)動機過程的控制流程如圖6所示。

3 仿真與試驗和結(jié)果分析

3.1 行進中電機起動發(fā)動機仿真

在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立整車模型，并進行仿真。整車和關(guān)鍵部件參數(shù)如表4所示。

表4 整車及關(guān)鍵部件技術(shù)參數(shù)表

圖7為無轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略時的仿真結(jié)果。當車輛運行狀態(tài)達到控制策略要求，須進行電機起動發(fā)動機時，發(fā)出限矩離合器接合指令，電機加載一特定轉(zhuǎn)矩，進行電機起動發(fā)動機過程，當發(fā)動機達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機卸載。在此過程中電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大幅度下降，而后由于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的升高，電機轉(zhuǎn)速才由單向離合器帶動提升。由于本文中發(fā)動機模型采用的是實驗建模法，仿真計算時通過查表和插值得到相應數(shù)據(jù)，因而其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制較為穩(wěn)定，不會產(chǎn)生大的波動。由圖7(a)可見，低速時汽車在6.99s發(fā)出電機起動發(fā)動機指令，發(fā)動機在7.38s達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，起動時間為0.39s，但在電機加載與卸載時刻，產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩波動，使沖擊度偏大，其最大值達到了19m/s3。由圖7(b)可見，中速時，起動時間為0.36s，沖擊度最大值則達到了25m/s3，對車輛行駛產(chǎn)生了較大的沖擊，影響乘坐舒適性。

圖8為采取轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略后的仿真結(jié)果。由圖8可知，電機轉(zhuǎn)速在整個電機起動發(fā)動機過程中較為穩(wěn)定。低速時，整車最大沖擊度為5m/s3，發(fā)動機的起動時間為0.33s;中速時，最大沖擊度為6m/s3，起動時間則為0.37s，均能較好地滿足起動要求。結(jié)果表明，該協(xié)調(diào)控制策略能有效降低行進中電機起動發(fā)動機過程的沖擊度，滿足舒適性要求。

3.2 行進中電機起動發(fā)動機臺架試驗

圖9為未使用轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略的電機起動發(fā)動機臺架試驗結(jié)果。當發(fā)出電機起動發(fā)動機信號時，開始接合限矩離合器，電機在相應時刻加載特定的轉(zhuǎn)矩，由測功機模擬車輛的需求轉(zhuǎn)矩，要求在0.5s內(nèi)將發(fā)動機帶到設(shè)定轉(zhuǎn)速。由圖可見，當發(fā)動機達到點火速度時，由于電機的突然卸載以及發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的滯后，會造成合成轉(zhuǎn)矩的不足，使電機轉(zhuǎn)速下降，出現(xiàn)一個波谷。而發(fā)動機在起動階段，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，易產(chǎn)生波動，在單向離合器的作用下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不能大于電機轉(zhuǎn)速，因此發(fā)動機會帶著電機轉(zhuǎn)速也產(chǎn)生波動，達到最大值后下降，最后趨于平穩(wěn)。低速時，系統(tǒng)在14.31s發(fā)出電機起動發(fā)動機指令，14.57s發(fā)動機達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，起動時間不足0.3s;中速時此值也不足0.3s，能較好地滿足起動時間要求，在行進中可以穩(wěn)定起動發(fā)動機。但在整個起動過程中，由于未對轉(zhuǎn)矩進行協(xié)調(diào)控制，產(chǎn)生了較大的沖擊度，低速時最大沖擊度達到28m/s3，中速時則達到了34m/s3，這會對車輛行駛造成較大沖擊，不能滿足平順性的要求，因此須進行合理控制。

圖10為采取轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略后的試驗結(jié)果。由圖可見，由于進行了轉(zhuǎn)矩控制，電機轉(zhuǎn)速在電機起動發(fā)動機過程中不出現(xiàn)明顯的下降，但在發(fā)動機的作用下仍會產(chǎn)生一定的波動。低速時發(fā)動機起動時間小于0.3s，整個過程最大沖擊度為10m/s3;中速時起動時間也小于0.3s，最大沖擊度為13m/s3。起動時間均滿足要求，且較大程度地降低了電機起動發(fā)動機過程的沖擊度，驗證了該策略的有效性。

仿真與試驗結(jié)果表明，該混合動力系統(tǒng)在行進中能順利起動發(fā)動機，但由于未進行轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，使該過程產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，電機轉(zhuǎn)速下降較大，對車輛行駛造成較大沖擊。采用所制定的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，能有效降低沖擊度，滿足平順性要求。

4 結(jié)論

(1)對新型的單電機、雙離合器式混合動力汽車結(jié)構(gòu)和動力學模型進行分析，以發(fā)動機油耗為重點，按電機轉(zhuǎn)矩劃分了該車的工作區(qū)域，制定了驅(qū)動工況的轉(zhuǎn)矩管理策略。

(2)制定了限矩離合器油壓的模糊控制策略與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略。利用電機響應迅速的特點，協(xié)調(diào)其與整車需求轉(zhuǎn)矩、限矩離合器傳遞轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，保證車輛正常行駛的同時順利起動發(fā)動機，不造成動力中斷或轉(zhuǎn)矩過大的波動，滿足動力傳遞的平穩(wěn)性與乘坐的舒適性。

(3)對行進中電機起動發(fā)動機過程分別進行仿真和臺架試驗。結(jié)果表明，臺架試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。未采用轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略時，發(fā)動機起動時間滿足要求，但沖擊度偏大;采取轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制后，發(fā)動機起動時間與沖擊度均滿足要求，改善了平順性，驗證了該控制策略的有效性。

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