ISG型混合動力汽車發動機起動過程控制仿真分析

王俊華，肖 愷，黎潤東，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（廣州汽車集團有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

ISG型混合動力汽車發動機起動過程控制仿真分析

王俊華，肖 愷，黎潤東，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（廣州汽車集團有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

發動機自動起停是混合動力汽車節能減排的重要手段，對混合動力汽車的起動性能提出了更高的要求。混合動力汽車的ISG（Integrated Starter Generator）起動相比傳統車的起動機起動可以獲得更好的油耗、排放、振動和噪聲性能。文中結合所研發的ISG型混合動力汽車，通過試驗分析現有發動機起動過程的控制效果。為解決現有控制算法存在的轉速超調量大的問題，設計了發動機起動過程的轉速閉環控制算法，搭建了控制器和被控對象仿真模型。通過仿真分析研究了不同控制參數對起動過程轉速控制效果的影響，得出了減少發動機噴油轉矩和提高ISG轉矩變化率限制可以改善轉速控制效果的結論，為后續控制算法的改進和實車控制參數的標定提供了依據。

混合動力汽車；自動起停；起動；轉速控制

0 引 言

當前，全球汽車工業正面臨著能源短缺和環境污染的巨大挑戰，節能、減排已經成為全球汽車工業的廣泛共識。純電動汽車由于電池技術的瓶頸，使其無法在合理的成本下獲得較高的續駛里程。燃料電池汽車則由于催化劑的高昂價格使其成本居高不下。短期內，最有市場化前景的新能源汽車依然是混合動力汽車[1]。混合動力汽車較傳統內燃機汽車具有更好的燃油經濟性能和排放性能，因而成為國內外各汽車廠商研發的熱點[2-3]。混合動力汽車可通過減小發動機排量、調節發動機工作區間、發動機怠速停機以及制動能量回收等方式有效降低汽車能耗以及排放[4]。

在混合動力汽車中，發動機自動起停是改善整車燃油經濟性和降低排放的有效措施[1]。有研究表明，在美國城市工況下，怠速油耗占到整個循環工況油耗的17%[5]。據估算，混合動力汽車自動關閉發動機在城市工況可節油10%[1，6-7]。

在傳統車上，由于不存在發動機頻繁起停的現象，因而起動過程的油耗、排放、噪聲和振動問題對整車性能的影響并不明顯。相反，對于混合動力汽車，由于發動機起停十分頻繁，發動機起動性能必須引起重視。不同的控制方法和控制參數對于車輛的油耗、排放、噪聲和振動等起動性能有重要影響。目前的研究主要集中在發動機起動過程動力學仿真[8]、起動阻力模型[9]和起停控制策略及其優化方面[7]，而對于ISG起動發動機過程的控制方法研究則相對較少。

文中通過試驗研究了自主研發的ISG型混合動力汽車現有的起動過程，分析了其存在的問題。在此基礎上，提出了轉速閉環控制的起動過程控制算法，并通過仿真分析研究了不同控制參數對起動性能的影響，為后續控制算法的改進和實車參數標定提供了依據。

1 混合動力汽車系統結構

圖1所示是某混合動力汽車結構圖。在發動機前置前驅的傳統AMT變速箱汽車的基礎上，在發動機曲軸輸出端裝有ISG，發動機和ISG的轉矩共同經過離合器與AMT變速器相連，通過前差減總成傳遞到前軸，進而驅動車輛。ISG為可逆電機，既可以工作在電動機模式為車輛提供驅動力，也可以工作在發電機模式產生電能。ISG還可以用作起動機以實現自動起停功能。相比起動電機，ISG可以提供更大的轉矩輸出，加快發動機起動速度，但需要不同的控制方法和參數以減小超調。

2 現有起動過程的試驗分析

現有的起動過程控制與傳統車十分相似，在需要起動時，ISG模擬傳統車的起動機，將發動機拖動到較低的轉速（如200 r/min）后，發動機開始噴油，后續由發動機按照傳統車起動過程的控制方法完成起動。該方法不需要重新標定EMS起動過程的控制參數，實現起來較為簡單。但是，由于仍采用傳統車的起動過程控制方法，考慮到水溫、油溫較低的情況下汽油霧化情況不佳，為避免失火而采取一定的過濃混合氣來保證足夠的起動轉矩，相應的會造成發動機起動過程油耗高、排放差、噪聲和振動明顯的問題[10-11]。

圖2給出了現有起動過程的實車測試數據。從圖中可以看到，起動開始后，ISG轉矩在0.25 s之后達到最大值，在0.48 s發動機轉速首次達到怠速轉速，在1.82 s發動機轉速穩定（進入900±45 r/min區間）。從圖中可以看出，起動開始約0.7 s后發動機轉速超調達到約50%，轉速最大值超過1 400 r/min。現有的起動過程控制算法由于仍采用傳統車的起動控制算法，發動機通過過濃混合氣來保證起動轉矩，是一種開環控制，不可避免的存在超調量大，起動性能較差的問題[12]。

由于傳統車一般每次駕駛循環僅需起動一次，因而起動過程的油耗、排放以及噪聲和振動問題并不十分顯著。但是，對于具有自動起停功能的混合動力汽車，通常在一次駕駛循環需要起動數次甚至數十次，這些問題對整車性能的影響十分顯著。因而，有必要對現有的起動性能進行優化。

3 ISG轉速閉環控制的起動策略

為改善起動過程的油耗、排放以及振動和噪聲問題，文中提出一種發動機起動過程的轉速控制算法。該算法仍采用ISG作為起動機，但由于ISG相比起動機具有較大的轉矩能力，因而利用ISG將發動機拖動到接近怠速轉速再開始噴油，從而降低油耗和排放；且由于ISG響應迅速，可以在整車起動過程中利用ISG對發動機轉速進行調節，使轉速按照預設上升率平穩上升，減少轉速超調，從而改善起動過程的噪聲和振動問題。

該控制算法在VCU（整車控制器）中實現，圖3給出包含VCU、ISG、EMS以及CAN總線在內的電控系統結構圖、VCU發動機起動控制模塊的原理框圖。該控制算法主要包括目標轉速計算模塊、轉速PI調節模塊、ISG轉矩限制模塊和噴油控制模塊。目標轉速計算模塊根據起動過程持續時間查表得到當前期望的發動機轉速作為目標轉速。為了得到一個較為平滑的起動過程，將目標轉速設置為隨時間變化的斜坡函數，發動機目標轉速按固定斜率上升，直至達到怠速轉速（900 r/min）。目標轉速與實際轉速之差輸入PI控制器從而計算出合適的ISG轉矩需求，經過ISG限制模塊后作為ISG轉矩指令發送給ISG執行。ISG轉矩限制模塊主要對ISG的轉矩變化率和轉矩峰值進行限制，以起到對ISG部件的保護作用。噴油控制模塊通過將發動機轉速與噴油轉速閾值進行比較，從而在發動機轉速達到預設值時向EMS發送噴油指令。

4 仿真模型

為了快速考察不同控制參數的影響并為實車標定提供指導和依據，建立了發動機起動過程轉速閉環控制的仿真模型。仿真模型由兩部分組成，分別是控制器模型和被控對象模型。其中控制器模型按照前述控制算法搭建。被控對象模型的結構如圖4所示。被控對象包括發動機和ISG兩部分，發動機轉矩和ISG轉矩共同作用于發動機和ISG的轉動慣量之和，經過積分器得到發動機轉速。ISG轉矩的動態響應用一階慣性環節模擬，其時間常數通過電機臺架試驗測得。

在收到噴油指令前，發動機轉矩僅為摩擦轉矩，不同水溫和轉速下對應的摩擦轉矩通過臺架試驗測得。在收到噴油指令后，發動機轉矩隨發動機水溫、轉速和噴油持續時間變化，通過對大量實際數據的分析，總結成不同水溫下發動機轉矩隨轉速和噴油持續時間變化的多張表格，從而建立起動過程中發動機轉矩產生的模型。

5 轉速閉環控制的仿真分析

在搭建了仿真模型之后，就可以快速地對發動機起動過程的轉速閉環控制進行仿真分析，考察不同參數的控制效果（目標轉速上升斜率、發動機噴油轉速、ISG轉矩變化率、PI控制參數等）。值得說明的是，還可以通過調整被控對象的參數，考察被控對象參數對控制效果的影響，如噴油后的發動機轉矩大小對控制效果的影響（用相對于傳統車起動轉矩的百分比表示）。為突出重點，文中僅考慮暖機起動的情況，暫不考慮不同發動機水溫條件下的差異。目標怠速轉速設置為900 r/min，發動機噴油轉速設置為700 r/min。ISG轉矩響應時間常數設置為50 ms。表1給出了5組具有典型意義的仿真參數。

針對第1組參數，較大的Kp參數會使系統失穩，經過不斷嘗試，控制器選取Kp=0.2，Ki=0.5時可得到較好的控制效果。仿真結果如圖5所示。圖5（a）給出了發動機期望轉速、實際轉速以及轉速差（目標轉速減實際轉速）隨時間變化的曲線；圖5（b）給出了ISG轉矩需求、ISG實際轉矩、發動機轉矩以及總轉矩（ISG實際轉矩+發動機轉矩）隨時間變化的關系。從圖中可以看出，在發動機噴油前，發動機實際轉速可跟隨目標轉速曲線上升，轉速差在0.5 s后小于30 r/min，發動機噴油后，從轉矩圖可以看到，一方面發動機轉矩有一個較大的正向突變（約100 Nm），相當于給系統引入一個較大的擾動；另一方面，ISG的轉矩往負向調整，由于變化斜率的限制，導致總轉矩調整過程緩慢。以上兩個方面導致轉速發生超調（轉速超過1 200 r/min，超調量345 r/min），穩定時間較長，穩定到怠速轉速（900 ±45 r/min）的時間1.51 s。

為了獲得更好的轉速跟隨效果和更小的轉速超調，從而改善振動和噪聲性能，一是要減小發動機噴油后的轉矩輸出，二是要提高ISG轉矩變化率的限制。第2組仿真參數將發動機噴油后轉矩降低為原來的20%，其他參數不變，仿真結果如圖6所示。發動機轉速超調量明顯減小，只有68 r/min。穩定到怠速轉速的時間也縮短為1.26 s。從轉矩變化曲線可以看出，噴油后發動機轉矩突變減小（至約40 N·m），這說明，減小發動機噴油后的轉矩輸出可以實現更好的轉速控制效果。

第3組參數在第2組參數的基礎上調整控制器的PI參數，通過反復嘗試獲得較優的PI控制參數Kp=0.5，Ki=0.4。如圖7所示，在Kp從原有的0.2提高到0.5時，轉速超調進一步減小到41 r/min，穩定到目標轉速的時間也縮短為0.89 s。這說明，在較小的發動機噴油轉矩下，可以采用更大的P參數以獲得更好的控制效果。

在第3組參數的基礎上，第4組參數將目標轉速上升率增加到2000 (r/min)/s，PI參數反復嘗試調整至Kp=0.35，Ki=0.4，圖8給出了這組參數的仿真結果。可以看出，轉速跟隨效果變差，超調量增加到296 r/min。從轉矩曲線可以看出，ISG轉矩已經受到變化斜率限制。這說明，在目標轉速上升率加快時，系統控制難度增加，對ISG轉矩變化率提出更高的要求。

除了減小發動機噴油后的轉矩輸出，另一種改善轉速控制效果的方法是提高ISG轉矩變化率限制。第5組參數在第4組參數的基礎上將ISG轉矩變化率從540 Nm/s增大到2 500 Nm/s后，經反復嘗試取Kp=0.5，Ki=1.0。圖9給出了仿真結果。可以看到，在較大的ISG轉矩變化率限制下，即便目標轉速上升率較快，仍能夠實現較好的轉速跟隨，發動機轉速超調量僅79 r/min，達到穩定怠速時間也較短，為0.63 s。

以上5組不同參數的仿真結果中，累積轉速誤差為轉速偏差絕對值的積分，用于衡量轉速跟隨效果，誤差越小，表明轉速跟隨效果越好。顯然，第5組參數的仿真結果最好。這說明，為獲得較好的轉速控制效果，應當減少噴油后發動機輸出轉矩，增加ISG轉矩變化率限制，同時采用合適的PI控制參數。

6 結論和展望

針對某ISG型混合動力汽車，通過試驗分析現有的發動機起動過程，其存在轉速超調量大，起動油耗、排放、振動和噪聲性能差的問題。為解決這些問題，設計了起動過程的轉速閉環控制算法，搭建了仿真模型。通過仿真分析了不同控制參數對轉速控制效果的影響，得出了減少發動機噴油后轉矩和提高ISG轉矩變化率限制可以改善轉速控制效果的結論，為后續控制算法的改進和實車控制參數的標定提供了依據。

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U464.142.02

A

2014-04-21

1002-4581（2014）04-0018-06