混合動力汽車行進間起動發動機與DCT換擋協調控制*

劉永剛　陳亮　秦大同　雷貞貞，3　吳睿

(1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室∥汽車工程學院， 重慶 400044； 2.上海汽車變速器有限公司， 上海 201807；3.重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 401331)

?

混合動力汽車行進間起動發動機與DCT換擋協調控制*

劉永剛1陳亮2秦大同1雷貞貞1，3吳睿1

(1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室∥汽車工程學院， 重慶 400044； 2.上海汽車變速器有限公司， 上海 201807；3.重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 401331)

結合雙離合器自動變速器(DCT)獨特的結構型式和性能優勢,提出了一種裝備DCT的單電機重度混合動力系統,建立了該重度混合動力系統的動力學模型.采用基于規則的方法,以系統效率最優為目標進行了工作模式區域分析與經濟性換擋規律分析,制定了混合動力汽車模式切換與DCT換擋的綜合工作規律.針對綜合工作規律中模式切換點與換擋點相交的情況,提出了模式切換與換擋協調控制策略以及控制方法,并利用Matlab/Simulink軟件仿真平臺進行了行進間起動發動機與升擋協調控制過程的仿真分析.結果表明：所建立的行進間起動發動機與升擋協調控制策略有效提升了裝備DCT的混合動力系統的性能,不僅解決了裝備DCT的混合動力汽車模式切換與換擋沖突的問題,同時較大程度地節省了模式切換與換擋時間,充分發揮了裝備雙離合器自動變速器的混合動力系統的結構優勢.

混合動力汽車；雙離合器自動變速器；模式切換；換擋；控制策略

重度混合動力汽車具有多個動力源，不同的驅動形式使其具有多種工作模式，這就使得針對車輛在行駛過程中各工作模式之間切換的平順性研究顯得非常重要[1-3].裝備雙離合器自動變速器(DCT)的混合動力汽車利用了雙離合器自動變速器結構簡單、傳動效率高以及換擋無動力中斷的特點，具有較好的動力性能與經濟性能，但在不同工作模式下車輛的換擋過程也對車輛行駛過程中的平順性有較大的影響[4-6].因此，充分發揮混合動力系統與雙離合器自動變速器的優點，并且保證車輛在模式切換與換擋過程中具有良好的平順性，是目前混合動力汽車研究領域的一大難點.

文獻[7]針對重度混合動力系統行進間起動發動機控制的平順性問題，提出了行進間起動發動機過程電機協調轉矩控制策略，仿真與試驗表明，該策略能有效保證在起動發動機過程整車的平順性.文獻[8]針對并聯式混合動力汽車開發了一套汽車行進間以起動離合器連接起動發動機的控制算法，并通過仿真與硬件在環試驗對其進行驗證改進，最終取得了良好的控制效果.文獻[9]設計了一種新的控制器，用于跟蹤DCT兩離合器切換過程各階段的目標轉矩，仿真與實驗表明所設計的控制器簡單高效.文獻[10]通過準確估計DCT兩離合器傳遞扭矩的目標轉矩，開發了一種基于驅動系統模型的觀測器及相應的控制算法，并通過樣車試驗驗證所設計觀測器及算法的有效性.文獻[11]針對基于AMT的混合動力汽車進行了兩種模式下的換擋控制研究，仿真與臺架試驗表明，該換擋控制策略能有效提高換擋品質.為了提高換擋品質，文獻[12]提出了一種無離合器操作的換擋控制策略，并通過臺架試驗驗證了其有效性.針對DCT混合動力汽車換擋過程離合器與動力源的協調控制問題，文獻[13]設計了一種魯棒控制器來實現轉速的同步，仿真結果表明，該控制器能很好地解決換擋過程離合器與動力源的協調控制問題.文獻[14-15]分析了換擋過程發動機與離合器的轉速和轉矩特性，提出了模糊換擋時間決策和基于DCT動態模型的轉矩協調控制策略，并通過仿真與試驗證明了其控制策略的有效性.

然而，當模式切換條件與換擋條件同時觸發時，整車控制器需要設立一個優先級來確定優先進行的動作，或者采取某種措施以避免同時進行模式切換與換擋操作過程.針對此情況，文中提出了一種裝備DCT的單電機重度混合動力驅動系統，利用其獨特的結構形式進行模式切換與換擋協調操作，以縮短混合動力汽車工作模式的切換時間，減少模式切換與換擋過程的重復動作，充分發揮混合動力系統與DCT的性能與結構優勢.

1　混合動力系統分析與建模

文中的研究對象為裝備DCT的單電機重度混合動力系統，其結構簡圖如圖1所示.該系統主要由發動機、主離合器C0、起動發電一體電機(ISG)、動力電池組以及DCT組成.

圖1　裝備DCT的單電機重度混合動力系統結構簡圖

Fig.1StructurediagramofthesinglemotorfullhybridsystemequippedwithDCT

該混合動力系統工作模式及相關部件的工作狀態如表1所示.

表1　HEV工作模式及相關部件的工作狀態

1.1動力學模型

假設混合動力驅動系統是由無慣性的彈性環節和無彈性的慣性環節組成，各相關部件以集中質量的形式存在，根據假設建立了裝備雙離合器自動變速器的混合動力系統的動力學模型[15]，如圖2所示.其中：Te、TC0、Tm、TC1、TC2、Tout、TL分別為發動機輸出轉矩、主離合器C0傳遞的轉矩、ISG電機輸出轉矩、離合器C1和C2傳遞的轉矩、DCT輸出軸的輸出轉矩及車輛外界阻力矩；Ie為發動機曲軸(包括飛輪)及主離合器C0主動盤的當量轉動慣量；I0為主離合器C0從動盤的當量轉動慣量；Im為ISG電機轉子及離合器C1、C2主動盤的當量轉動慣量；I1、I2分別為離合器C1、C2從動盤減振器主動部分的當量轉動慣量；I3為離合器C1減振器的從動部分、輸入軸1(實心軸)及關聯奇數擋齒輪的當量轉動慣量；I4為離合器C2減振器的從動部分、輸入軸2(空心軸)及關聯偶數擋齒輪的當量轉動慣量；I5為中間軸1及其關聯齒輪、主減速器1主動部分的當量轉動慣量；I6為中間軸2及其關聯齒輪、主減速器2主動部分的當量轉動慣量；I7為主減速器從動部分、差

圖2　裝備DCT的單電機重度混合動力系統的動力學模型

Fig.2DynamicmodelofthesinglemotorfullhybridsystemequippedwithDCT

速器、半軸及車輪的當量轉動慣量；I為整車等效到輸出軸的當量轉動慣量；ωe、ωm、ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6、ω7、ωw分別為發動機曲軸的角速度、ISG電機旋轉的角速度、離合器C1和C2從動盤的角速度、輸入軸1和2的角速度、輸出軸1和2的角速度、車輛半軸的角速度及車輪的角速度；k1、k2、c1、c2分別為離合器C1、C2減振器的扭轉剛度和結構阻尼系數；k0、c0分別為車輛半軸與輪胎的當量扭轉剛度和旋轉粘性阻尼系數；ia1為主減速器1的速比，與1、2、5、6擋位相連；ia2為主減速器2的速比，與3、4、R擋位相連.

通過對混合動力傳動系統進行動力學分析，建立混合動力汽車驅動系統行進間起動發動機與換擋協調控制過程的動力學方程：

(1)

式中：θ1、θ2、θ3、θ4、θ7、θw分別為ω1、ω2、ω3、ω4、ω7、ωw的角位移；Iq12為動力傳遞路線上相關構件轉換到車輛半軸的當量轉動慣量.

1.2發動機特性

發動機模型是混合動力驅動系統研究的關鍵參數，文中采用發動機穩態試驗測試方法來確定發動機的數值模型.通過發動機臺架試驗分別測試不同節氣門開度和轉速下發動機的輸出轉矩.根據發動機測試數據，采用三次樣條插值擬合得到發動機的穩態轉矩數值模型，如圖3(a)所示.利用發動機臺架試驗測試不同轉速和輸出轉矩下發動機的燃油消耗，得到發動機效率數值模型，如圖3(b)所示.

(b)效率模型

1.3ISG電機特性

通過發動機臺架試驗測試電機在不同轉速下的最大扭矩，得到ISG電機外特性曲線(見圖4(a)).其中，在基速2 500r/min之前為ISG電機的恒轉矩區域，在基速點之后為ISG電機的恒功率區域，電機可保持恒定功率，最大值為30kW.采用樣條插值方法進行電機效率測試實驗，得到電機系統效率、轉矩與轉速的關系曲面圖(見圖4(b)).

(a)ISG電機外特性

(b)ISG電機效率模型

2　工作模式區域與換擋規律分析

開展模式切換與換擋協調控制是為了解決裝備雙離合器自動變速器的混合動力汽車模式切換與換擋沖突問題.文中通過基于規則的系統效率最優方法劃分系統工作模式范圍，建立經濟性換擋規律，制定混合動力汽車綜合工作規律，確立模式切換與換擋沖突點，為模式切換和換擋協調控制策略的制定奠定基礎.

2.1工作模式效率分析

以混合驅動模式為例，車輛處于該模式下系統的動力學方程如下：

(2)

式中，iDCT、ia分別為DCT速比和主減速器速比，Iq為相關構件等效到車輪的轉動慣量，ηt為車輛動力傳動系綜合效率，u為車輛實時車速.

混合動力汽車系統效率定義為系統輸出功率Pout與輸入功率Pin之比，而混合驅動模式下系統輸入功率為系統動力源發動機和動力電池組輸出功率，輸出功率為車輛需要克服的外界阻力功率.因此，該模式下功率計算表達式為

(3)

聯立式(2)和式(3)建立混合驅動模式下的系統效率模型，如圖5(a)所示.將圖5(a)所示系統效率三維圖投影到加速度與車速平面，相鄰擋位系統效率存在相交線，以此交線作為混合驅動模式下的升擋規律曲線，如圖5(b)所示.

同理，可以得到純電動模式、發動機單獨驅動模式和行車充電模式下的系統效率模型以及升擋規律，如圖6所示.

2.2工作模式規律分析

將圖5和圖6中各工作模式下的系統效率投影

(a)系統效率

(b)升擋規律

Fig.5Systemefficiencyandupshiftscheduleinhybriddrivemodel

在速度-加速度平面上，選擇各工作模式下系統效率較高的區域作為該模式下的工作范圍，得到如圖7(a)所示的混合動力汽車工作模式范圍.

將圖5和圖6中各工作模式下的升擋規律曲線與圖7(a)中工作模式范圍整合在一起，即可得出混合動力汽車的綜合工作規律.為防止頻繁模式切換或換擋，對混合動力汽車綜合工作規律進行修正，經過簡化處理，得到如圖7(b)所示修正后的混合動力汽車綜合工作規律.

由圖7(b)可以看出，模式切換曲線與換擋規律曲線存在相交的地方，即模式切換命令與換擋命令存在同時觸發情況，故整車控制器需要設立一個優先級來確定優先進行的動作，或者采取某種措施以避免同時進行模式切換與換擋操作過程.基于DCT的特殊結構，文中提出的混合動力汽車工作模式切換與換擋協調控制策略是在DCT進行換擋的同時進行模式切換操作.因篇幅有限，文中以行進間起動發動機與1擋升2擋協調控制過程進行詳細研究.

圖6其他模式下的系統效率及升擋規律

Fig.6Systemefficiencyandupshiftscheduleinotherdrivemodels

(a)工作模式范圍

(b)綜合工作范圍

3　模式切換與換擋協調控制策略

模式切換與換擋協調控制的大體思想是：在DCT進行換擋操作的同時進行工作模式的切換操作.由于換擋過程中DCT離合器處于滑摩狀態，換擋過程的整車沖擊度僅與DCT離合器傳遞轉矩相關，因此，整個模式切換過程不會對整車平順性造成影響.

行進間起動發動機與升擋協調控制流程及時序如圖8所示，下面分7個階段分別進行闡述.

圖8行進間起動發動機與升擋協調控制流程及時序

Fig.8Flowchartofenginestartandupshiftcoordinationcontrolandshiftingsequencewhiledriving

TC2_tari2ia1=Tout-TC1_acti1ia1

(4)

式中：TC2_tar為離合器C2的動態目標轉矩;Tout為模式切換與換擋控制之前變速器的輸出端轉矩，Tout=Tmi1ia1；TC1_act為離合器C1傳遞的實時轉矩.

4　仿真與結果分析

利用Matlab/Simulink軟件仿真平臺建立行進間起動發動機與換擋協調控制過程的仿真模型，并嵌入所制定的協調控制策略進行離線仿真，仿真參數如下：整車質量為1 450kg，主減速器速比為3.762，輪胎有效半徑為0.307m，滾動阻力系數為0.015，風阻系數為0.316，迎風面積為2.22m2，傳動效率為0.9.以車速為11.7km/h、整車加速度為1.2m/s2、發動機點火轉速為250r/min進行行進間起動發動機與1升2擋協調控制過程仿真，結果如圖9所示.由圖中可以看出，在行進間起動發動機與升擋協調控制過程中，控制系統較好地完成了模式切換與升擋動作，協調控制過程中未出現離合器從動部分轉速高于主動部分轉速而傳遞負扭矩以及功率在DCT兩離合器之間循環的情況，從而保證了動力的有效輸出，整車車速波動較小，沖擊度小于10m/s3，滿足相關性能要求.同時，整個協調控制過程持續時間為0.543s，小于先、后進行模式切換與換擋時間之和[7，15]，減少了模式切換與換擋過程中主離合器和DCT離合器的重復動作，充分發揮了裝備DCT的混合動力系統的結構優勢，該模式切換與換擋協調控制策略有效提升了裝備DCT的混合動力系統的性能.

圖9行進間起動發動機與升擋協調控制仿真結果

Fig.9Simulationresultsofenginestartandupshiftcoordinationcontrolwhiledriving

5　結論

(1)根據裝備DCT的單電機重度混合動力系統結構進行了行進間起動發動機與換擋協調控制過程的動力學分析，并對車輛傳動系統關鍵部件進行了分析與建模，為整車工作模式的分析以及系統效率的計算奠定基礎；

(2)通過基于規則的系統效率最優方法對混合動力汽車各工作模式進行分析，同時劃分系統工作模式范圍并建立經濟性換擋規律，制定了混合動力汽車的綜合工作規律，獲取了模式切換與DCT換擋的重疊點，為行進間起動發動機與換擋協調控制的研究奠定理論基礎；

(3)在Matlab/Simulink平臺搭建了動力學模型，制定了行進間起動發動機與換擋協調控制策略，并進行了離線仿真，結果表明，文中所建立的行進間起動發動機與升擋協調控制方法是正確的，協調控制策略是有效的，不僅解決了裝備DCT的混合動力汽車模式切換與換擋沖突的問題，而且在較大程度上節省了模式轉換與換擋時間.

[1]MIChris，MASRURMAbul，GAODavidWenzhong.Hybridelectricvehicles：principlesandapplicationswithpracticalperspectives[M].Hoboken：JohnWiley&Sons，2011.

[2]SONGMinseok，OHJoseph，KIMHyunsoo.Engineclutchcontrolalgorithmduringmodechangeforparallelhybridelectricvehicle[C]∥Proceedingsof2012IEEEVehiclePowerandPropulsionConference.Seoul：IEEE，2012：1118-1121.

[3]DUANWei，YANFuwu，DUChangqing.Powertraincontrolstrategiesoverviewforhybridelectricvehicles[C]∥Proceedingsof2010Asia-PacificPowerandEnergyEngineeringConference.Chengdu：IEEE，2010：1-5.

[4]沈文臣，胡宇輝，于會龍，等.基于“虛擬離合器”的混合動力車輛AMT換擋過程控制 [J].機械工程學報，2014，50(18)：108-117.

SHENWen-chen，HUYu-hui，YUHui-long，etal.ShiftingprocesscontrolofAMTbasedonvirtualclutchtechnologyforhybridelectricvehicle[J].JournalofMechanicalEngineering，2014，50(18)：108-117.

[5]趙丁選，李天宇，康懷亮，等.混合動力工程車輛自動變速技術 [J].吉林大學學報(工學版)，2014，44(2)：358-363.

ZHAODing-xuan，LITian-yu，KANGHuai-liang，etal.Automaticshifttechnologyofhybridpowerengineeringvehicle[J].JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdtion)，2014，44(2)：358-363.

[6]STUBBSB，FRACCHIAPM.eDCT：4speedseamless-shifttechnologyforelectricvehicles[C]∥ProceedingsofHybridandElectricVehiclesConference2013.London：IET，2013：1-5.

[7]劉永剛，秦大同，劉振軍，等.單電機重度混合動力系統行進間起動發動機控制策略研究 [J].汽車工程，2015，37(1)：49-54.

LIUYong-gang，QINDa-tong，LIUZhen-jun，etal.Aresearchonthecontrolstrategyforenignestartingwhiledrivinginafullhybridpowersystemwithsinglemotor[J].AutomotiveEngineering，2015，37(1)：49-54.

[8]SMITHAnthony，BUCKNORNorman，YANGHong，etal.Controlsdevelopmentforclutch-assistedenginestartsinaparallelhybridelectricvehicle[C]∥SAETechnicalPapers.Warrendale：SAEInternational，2011，doi：10.4271/2011-01-0870.

[9]VanBERKELKoos，HOFMANTheo，SERRARENSAlex，etal.Fastandsmoothclutchengagementcontrolfordual-clutchtransmissions[J].ControlEngineeringPractice，2014，22：57-68.

[10]OHJiwonJ，CHOISeibumB，KIMJinsung.Drivelinemodelingandestimationofindividualclutchtorquedu-ringgearshiftsfordualclutchtransmission[J].Mechatronics，2014，24(5)：449-463.

[11]秦大同，杜波，段志輝，等.某型混合動力汽車AMT換擋控制策略的研究 [J].汽車工程，2013，35(11)：1004-1010.

QINDa-tong，DUBo，DUANZhi-hui，etal.AstudyontheshiftcontrolstrategyfortheAMTinaspecifichybridelectricvehicle[J].AutomotiveEngineering，2013，35(11)：1004-1010.

[12]LIWeiqing，HEHongwen，PENGLianyun，etal.ShiftingprocessstudyonAMTofaparallelhybridelectricvehicle[C]∥Proceedingsof2011the4thInternationalConferenceonPowerElectronicsSystemsandApplications.HongKong：IEEE，2011：1-7.

[13]ZHAOZ-G，CHENH-J，YANGY-Y，etal.Torquecoordinatingrobustcontrolofshiftingprocessfordrydualclutchtransmissionequippedinahybridcar[J].VehicleSystemDynamics，2015，53(9)：1269-1295.

[14]趙治國，王琪，陳海軍，等.干式DCT換擋模糊時間決策及轉矩協調控制 [J].機械工程學報，2013，49(12)：92-108.

ZHAOZhi-guo，WANGQi，CHENHai-jun，etal.Fuzzytimedecisionandmodel-basedtorquecoordinatingcontrolofshiftingprocessfordrydualclutchtransmission[J].JournalofMechanicalEngineering，2013，49(12)：92-108.

[15]LIUYonggang，QINDatong，JIANGHong，etal.Shiftcontrolstrategyandexperimentalvalidationfordrydualclutchtransmissions[J].MechanismandMachineTheory，2014，75：41-53.

SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51305468)andtheMajorApplicationDevelopmentProjectinChongqing(cstc2015yykfc60003)

CoordinationControlofEngineStartingandDCTShiftingofHybridElectricVehiclesWhileDriving

LIU Yong-gang1CHEN Liang2QIN Da-tong1LEI Zhen-zhen1，3WU Rui1

(1.StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission∥SchoolofAutomotiveEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China； 2.ShanghaiAutomobileGearWorksCo.，Ltd.，Shanghai201807，China；3.SchoolofMechanicalandPowerEngineering，ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331，China)

Onthebasisofthedistinctivestructureandperformanceadvantagesofdualclutchtransmission(DCT),asingle-motorfullhybridelectricsystemequippedwithDCTisproposedanditskineticmodelisconstructed.Then,therule-basedmethodisadoptedtoanalyzethescopeofworkingmodeandthescheduleofeconomicalshiftbytakingtheoptimalsystemefficiencyastheobjective,andacomprehensiveworkingscheduleofmodeswitchingandDCTshiftingisformulatedforhybridelectricvehicles(HEV).Inviewoftheintersectionbetweenmodeswit-chingpointsandshiftingpointsinthecomprehensiveworkingschedule,thecoordinationcontrolstrategyandmethodofmodeswitchingandshiftingareproposed.Finally,ontheMatlab/Simulinkplatform,theenginestartingandupshiftingcoordinationcontrolwhiledrivingisanalyzedbysimulations.Theresultsindicatethattheproposedcoordinationcontrolstrategyofenginestartingandshiftingwhiledrivingiseffectiveinimprovingtheperformanceoftheproposedsystem,specifically,itcanavoidtheclashbetweenmodeswitchingandshiftingwithmuchlessmodeswitchingandshiftingtime,whichmeansthatthestructureadvantageoftheproposedsystemarefullyutilized.

hybridelectricvehicles；dualclutchtransmission；modeswitching；shifting；controlstrategy

1000-565X(2016)09-0123-08

2015-11-20

國家自然科學基金資助項目(51305468);重慶市應用開發計劃重大項目(cstc2015yykfc60003);重慶大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(106112016CDJXY330001)

劉永剛(1982-),男,博士,副教授,主要從事車輛動力傳動及其綜合控制研究.E-mail:andyliuyg@cqu.edu.cn

U469.72

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.09.018