基于無級變速器的混合動力汽車動態模式切換研究

王建德 周云山 陽輝勇 賈杰鋒 李 泉

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

基于無級變速器的混合動力汽車動態模式切換研究

王建德 周云山 陽輝勇 賈杰鋒 李 泉

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

對基于無級變速器的混合動力系統的結構及其工作模式進行分析，建立了動力學模型。針對伴隨發動機啟動的混合動力模式切換問題，提出了一種模糊推理與最優控制理論相接合的綜合控制策略。首先基于駕駛意圖采用模糊控制得到離合器接合時長，然后基于動力學模型采用動態規劃得到離合器的最優傳遞轉矩和發動機的最優目標轉矩，再根據離合器最優傳遞轉矩利用電機的快速響應性來實時調整電機輸出轉矩。通過試驗對上述模式切換控制策略進行了驗證。試驗結果表明：該策略能夠優化離合器滑摩時間，體現駕駛意圖，實現模式切換的平順性。

模式切換；駕駛意圖；模糊控制；動態規劃

0 引言

混合動力汽車具有多種工作模式，在模式切換過程中，由于各動力源的響應特性差異以及變速器、離合器的狀態改變，可能造成發動機轉矩或電機轉矩突變，對車輛動力系統產生不可忽視的沖擊。因此在模式切換時，需協調各動力源轉矩的動態輸出，實現動力傳遞的平順性[1-3]。

國內外學者針對混合動力汽車模式切換進行了大量研究。童毅等[4]提出了發動機轉矩開環+發動機動態轉矩估計+電機轉矩補償的動態協調控制算法；閆曉磊等[5]采用了二次型最優控制算法；嚴運兵等[6]建立了轉矩預分配+發動機調速+發動機動態轉矩估計+電動機轉矩補償控制控制方法；葉明等[7]對機電式無級變速器(continuously variable transmission，CVT)提出了基于速比控制的模式切換策略；劉振軍等[8]針對單電機CVT式混合動力汽車進行協調速比控制，制定轉矩協調控制策略，采用電機補償；尹安東等[9]采用了動態轉矩協調控制策略；WU等[10]應用動態規劃，提出最優控制方案；SIMITH等[11]采用一種簡單魯棒性好的控制算法，在模式切換過程能夠減少離合器需求轉矩與預估轉矩的差值，更好地得到電機的補償轉矩。在諸多模式切換過程中，伴隨發動機啟動的模式切換，由于既有發動機的啟動，又有離合器的控制，是混合動力汽車模式切換研究的難點[12]，因此本文重點研究純電動模式到伴隨發動機啟動的驅動模式切換。

由于CVT速比在一定范圍內連續可變，可最大程度地優化發動機和電機的工作區域，CVT已經在很多混合動力汽車上得到成功應用。本文以一種基于CVT的混合動力系統為研究對象，針對伴隨發動機啟動的模式切換過程，利用CVT速比連續變化的優勢，采用了一種模糊推理與最優控制理論相接合的綜合控制策略，實現了不同駕駛意圖下的模式切換過程。

1 動力系統結構及工作模式

1.1 混合動力系統結構

圖1所示為基于CVT的混合動力系統，主要由發動機、離合器、集成啟動/發電一體化電機(integrated starter generator，ISG)、CVT及皮帶傳動啟動/發電一體化電機(belt-driven starter generator，BSG)等部件組成。該系統取消了傳統CVT中的液力變矩器，在液力變矩器原來的位置集成ISG和濕式離合器，離合器布置于ISG轉子內部，離合器的控制集成到CVT中。ISG與CVT集成，并且省掉了CVT內部的前進/倒擋離合器，這樣整個結構在軸向空間布置上具有明顯的優勢。該系統在發動機前端采用了BSG，取代了原有的發電機和啟動電機，用于啟動發動機和給蓄電池充電，同時可實現停車發電功能。

圖1 混合動力系統結構Fig.1 The structure of hybrid electric system

1.2 系統工作模式

通過控制發動機、離合器、ISG和BSG的工作狀態，該混合動力系統可以實現純電動、發動機驅動、并聯混合驅動、發動機主動充電、能量回收、停車發電、串聯混合驅動等多種工作模式，如表1所示。

表1 混合動力系統工作模式

□:不工作/分離；■：工作/接合；◆：驅動；▲：發電

2 模式切換過程動力學模型

在建立車輛動力系統模式切換過程模型時，忽略傳動部件之間的傳動效率，并將系統各部件視為剛體，將離合器兩側的所有質量等效到離合器，建立圖2所示的動力學模型。

圖2 動力系統模式切換過程等效簡化模型Fig.2 Simplified model of hybrid electric system mode transition

圖2中，JICE、Jout分別為發動機側和電機側等效轉動慣量，kg·m2；ωp、ωs為離合器主從動側轉速，r/min；TICE、Tf、Tc、Tem、Tload分別為發動機輸出轉矩、發動機阻力矩、離合器傳遞轉矩、電機轉矩和變速器輸入端等效阻力矩，N·m。

車輛行駛阻力Fr由空氣阻力、坡道阻力和滾動阻力組成，即

(1)

式中，m為整備質量，kg；A為迎風面積，m2；Cd為風阻系數；f為滾阻系數；α為坡度，rad；v為車速，km/h;g為重力加速度。

變速器輸入端的等效阻力矩為

(2)

式中，η為傳動系統的效率；r為輪胎半徑，m；ig為CVT速比；i0為主減速比。

離合器從動側轉速ωs和電機側等效轉動慣量Jout分別為

(3)

(4)

式中，Jw、Jg、Jem、Jc分別為車輪、CVT、電機和離合器從動部分的轉動慣量，kg·m2。

離合器滑摩過程中的動力學方程為

(5)

(6)

離合器鎖止后，由于ωp=ωs，此時動力學方程為

(7)

3 模式切換控制策略

研究表明，加速踏板開度和加速踏板開度變化率可反映駕駛意圖，當加速踏板開度大且變化率大時，表明駕駛員希望車輛快速進入動力更強的工作模式，應優先考慮動力性；反之，優先考慮平順性與舒適性，因此在模式切換控制策略制定時需要考慮駕駛意圖。

在伴隨發動機啟動的模式切換中，既有純電動模式到發動機驅動模式，也有純電動模式到混合驅動模式，取決于駕駛員意圖，在此以純電動模式切換到發動機驅動模式為例，分析其模式切換過程，如圖3所示。首先通過BSG快速啟動發動機，neo為判斷發動機啟動完成的最低轉速，然后控制發動機轉速ne同步電機轉速nm，待轉速差小于閾值Δnh后，進行離合器滑摩控制。當轉速差小于閾值Δnl后，離合器完全接合。在整個過程中通過電機轉矩補償和CVT速比控制，實現模式切換過程中的動態協調控制，直到發動機協調輸出轉矩Tcoo與駕駛員需求轉矩Treq之差的絕對值小于閾值ΔT。電機空轉，從而完成從純電動到發動機驅動的模式切換。

圖3 純電動切換到發動機驅動模式流程圖Fig.3 Flow chart of mode transition from electric driven to engine driven

表2給出了Δnh模糊控制規則，模糊集合均為{S，MS，M，MB，B}，此處，S、MS、M、MB、B分別表示參數取值小、中小、中、中大、大。該表的制定源于專家系統經驗，一般而言在較小的加速踏板開度和加速踏板變化率條件下，取較小的轉速偏差，這是因為基于駕駛意圖，此時駕駛員對扭矩響應意愿不強，可以進行發動機和電機轉速較為精確的調節。而較大的加速踏板開度和加速踏板變化率條件下，允許較大轉速差，以快速響應駕駛扭矩需求。

表2 發動機轉速同步轉速差閾值Δnh的模糊控制規則

圖4為模式切換的控制原理圖，將模式切換過程分為三個階段分別進行控制。

圖4 模式切換控制原理圖Fig.4 Control principle scheme of mode transition

(1)發動機啟動階段。首先控制BSG快速啟動發動機，BSG以最大轉矩將發動機加速至怠速附近。由于此時離合器完全分離，發動機的動力沒有傳遞到車輪，所以發動機的啟動不會影響車輛行駛的平順性，這是采用BSG啟動發動機的優勢。

(2)發動機轉速同步階段。當發動機啟動后，處于空載，無扭矩輸出，駕駛員的加速踏板并不直接輸入給發動機管理系統，而是通過整車控制器(hybrid control unit，HCU)根據分配的發動機轉矩來輸出偽加速踏板開度αp給發動機管理系統。一方面HCU采用PID閉環調節節氣門開度控制發動機轉速跟隨電機轉速，另一方面通過CVT的速比調節保持電機轉速在一定范圍內，從而實現發動機與電機之間的轉速快速同步，以減少二者之間的偏差。

發動機的節氣門開度為

(8)

式中，e(t)為目標轉速與實際轉速之差；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數。

電機的目標轉矩為

Temcmd=min(Tload,Temmax(ωs))

(9)

式中，Temmax(ωs)為電機在ωs轉速下的最大輸出轉矩。

(3)離合器接合階段。當離合器主從動盤轉速差|ne-nm|<Δnh時，離合器滑摩接合，此時需要根據離合器的轉矩調整電機的輸出轉矩進行轉矩補償，同時需要基于駕駛意圖，控制離合器接合時長。離合器接合太快會導致其傳遞的轉矩發生突變，從而超過了電機進行轉矩補償的速度和精度；離合器接合太慢會增加離合器片的磨損。合理控制離合器的接合速度(油壓變化或轉矩變化)是該階段控制策略的關鍵[13]。

本文通過電機轉矩補償+CVT速比控制，使離合器在接合時從動端的轉速基本保持不變，以減小離合器的接合過程對車輛沖擊度產生的影響，保證切換過程中的平順性。該階段離合器的控制主要是使接合過程中滑摩功最小。

離合器傳遞的轉矩與油缸的壓力之間存在線性關系：

(10)

式中，sign(·)為符號函數；Δω為離合器主從動盤轉速差；μd為摩擦副的動態摩擦因數；Z為離合器的摩擦副個數；Ap為活塞作用面積；Pn為油缸的壓力；Ri、Ro分別為摩擦片內外半徑。

因此，離合器的轉矩控制與油壓控制可視為同一個問題。

本文在離合器接合階段控制策略的基本思路是，首先根據駕駛意圖(離合器開始接合時刻的加速踏板開度α及加速踏板開度變化率Δα)，通過模糊推理得到離合器接合的時長，然后利用動態規劃在該時長內對離合器轉矩進行最優控制，最后利用電機的快速響應性和轉矩精確控制根據駕駛員需求轉矩和離合器所傳遞的轉矩來調整電機的輸出轉矩。

在計算離合器接合時長tf時，將離合器開始接合時刻的α、Δα和tf使用三角形函數進行模糊化，模糊集合均為{S，MS，M，MB，B}，模糊控制規則如表3所示[14]。模糊推理后經過反模糊化可得到離合器接合時長tf。

表3 離合器接合時間tf的模糊控制規則

確定離合器接合時長后，需在確定時間段內控制發動機轉矩和離合器轉矩使該時間段內離合器的總滑摩功最小。由于發動機動態特性的滯后性，發動機目標轉矩為

(11)

式中，TICEcmd為發動機目標轉矩；τe為滯后時間。

由式(5)和式(11)聯立，選取狀態變量為x1=ωp、x2=TICE，控制變量為u1=TC、u2=TICEcmd，可得如下狀態方程：

(12)

其中，由于經轉速同步后的發動機轉速變化范圍不大，發動機阻力矩Tf可視為定值。

將上述狀態方程按時間步長Δt離散化后可得到系統的狀態轉移方程：

(13)

(14)

系統的性能指標，即總滑摩功為

(15)其中，ωs為定值，其值由模式切換開始時的電機轉速所決定。L(x(k),x(k+1))表示從第k階段到第k+1階段的滑摩功。將式(14)代入式(15)，可以根據每個階段的始末狀態直接計算滑摩功。

為簡化問題求解，將狀態變量的取值進行網格化。在離合器接合過程中，發動機的轉速和轉矩在每個階段內不應該出現減小的情況。故狀態變量和控制變量的約束條件為

(16)

針對上述離散型最優控制問題，采用動態規劃的方法進行求解，具體過程如圖5所示。該方法通過直接遍歷每個階段始末狀態的可達狀態集X(k)和X(k+1)來計算滑摩功，最后由最優狀態序列X*根據式(14)計算出最優控制的決策序列U*。圖中，階段總數N由離合器接合時長tf與步長Δt(取0.1 s)的比值取整得到；初始狀態X(1)為離合器開始接合時發動機的轉速和轉矩；末端狀態X(N+1)為電機轉速ωs和模式切換結束時所要求的發動機轉矩；X(i,k)為可達狀態集X(k)中的第i個元素，J*(X(i,k))為從狀態X(i,k)到達終點狀態X(N+1)的最小滑摩功。

圖5 動態規劃法的求解流程Fig.5 Solving process of dynamic programming

根據動態規劃算法可以同時求解出離合器最優傳遞轉矩和發動機最優目標轉矩。發動機管理系統可根據發動機最優目標轉矩進行轉矩控制。在離合器接合的過程中，電機的目標轉矩為

(17)

本文采用離線計算、在線查表的方法將動態規劃應用于實時控制，即通過N、ωp(1)、ωp(N+1)、TICE(1)和TICE(N+1)查表可得到離合器轉矩和發動機命令轉矩最優控制軌跡。由于離合器接合時間較短，該過程的最優控制采用開環控制。

4 結果與分析

模式切換試驗在轉鼓試驗臺上進行，如圖6所示。分別在平緩加速、中等加速和緊急加速下進行試驗，車輛從靜止狀態純電動起步，根據能量管理策略進行模式切換?；诩铀偬ぐ彘_度及其變化率和車速計算駕駛員需求轉矩，根據所需轉矩進行工作模式的切換，如在平緩加速和中等加速時進入發動機驅動模式，而在緊急加速時進入混合驅動模式。在此不做能量管理策略的研究，只進行伴隨發動機啟動的模式切換平順性的研究。

圖6 轉鼓試驗臺上進行模式切換試驗Fig.6 Mode transition test on chassis dynamo-meter

圖7 平緩加速時模式切換過程Fig.7 Mode transition under gentle acceleration

圖7所示為平緩加速時的模式切換過程，從6.9s開始進入模式切換，首先啟動發動機，7.1s時發動機轉速開始同步電機轉速。7.7s時開始離合器接合，此時加速踏板開度為30.28%，加速踏板開度變化率為54%s-1。離合器接合過程中，隨著發動機動力的介入，電機逐漸退出工作。模式切換過程中各參數的變化，如圖7所示。

圖8和圖9所示分別為中等、緊急加速時的模式切換過程，不同駕駛意圖下的模式切換時間和沖擊度大小如表4所示。從表中數據看出，在不同的駕駛意圖下，所體現出的模式切換時間和沖擊度大小是不一的，這是由于所采用的控制策略，在非緊急駕駛意圖下，優先考慮整車平順性，采用較長的離合器接合時間；在緊急駕駛意圖下和保證整車平順性的前提下，優先滿足整車動力性，縮短離合器滑摩時間。

圖8 中等加速時模式切換過程Fig.8 Mode transition under moderate acceleration

圖9 緊急加速時模式切換過程Fig.9 Mode transition under urgent acceleration

平緩加速中等加速緊急加速離合器接合時長(s)1.41.20.7模式切換時長(s)2.42.31.9最大沖擊度(m/s3)2.34.87.7

由表4可以看出，該策略的模式切換時間最長為2.4 s，最大沖擊度也僅為7.7 m/s3，體現出了良好的模式切換效果。這是因為該控制策略是通過BSG快速啟動發動機，待發動機轉速同步后進行離合器控制的。一方面，發動機的啟動不影響模式切換平順性，減少了模式切換過程的沖擊因素；另一方面，離合器在主從動側轉速差較小的時候接合，縮短了離合器接合時間同時降低了接合沖擊強度。

5 結論

(1)對一款BSG聯合ISG的CVT型并聯混合動力系統的結構和工作模式進行分析，建立了動力學模型，為控制策略提供了理論依據。

(2)提出了發動機啟動、發動機轉速同步和離合器接合的三階段模式切換方法，提高了模式切換的平順性且延長了離合器的使用壽命。

(3)提出了模糊推理與最優控制理論相接合的綜合控制策略，基于駕駛意圖采用模糊控制方法控制離合器接合時長，利用動態規劃在該時長內對離合器轉矩進行最優控制，協調模式切換過程中的轉矩變化，為試驗研究提供了基礎。

(4)試驗結果表明，該策略能夠優化離合器滑摩時間，體現駕駛意圖，并且能夠有效減小發動機啟動模式切換過程中的轉矩波動和整車的沖擊度，提高車輛的行駛平順性。模式切換過程需要發動機、電機、CVT和離合器共同作用，本文對離合器控制方法沒有考慮溫度和磨損程度對其特性的影響，后續將考慮對這些因素作修正。

[1] HU X, MARTINEZ C M, EGARDT B, et al. Multi-objective Optimal Sizing and Control of Fuel Cell Systems for Hybrid Vehicle Applications[C]//Europena Control Conference. Linz, 2015:2559-2564.

[2] KUM D. Control of Engine-starts for Optimal Drivability of Parallel Hybrid Electric Vehicles[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control, 2013, 135(2):450-472.

[3] 劉翠, 初亮, 郭建華, 等. 并聯混合動力汽車驅動模式切換扭矩協調控制[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2013, 41(12):85-89. LIU Cui,CHU Liang, GUO Jianhua, et al. Torque Coordination Algorithm for Driving Mode-transition of PHEV[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Nature Science Edition), 2013,41(12):85-89.

[4] 童毅, 歐陽明高, 張俊智. 并聯式混合動力汽車控制算法的實時仿真研究[J]. 機械工程學報, 2003, 39(10):156-161. TONG Yi, OUYANG Minggao, ZHANG Junzhi. Real-time Simulation and Research on Control Algorithm of Parallel Hybrid Electric Vehicle [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2003, 39(10):156-161.

[5] 閆曉磊, 鐘勇, 鐘志華. HEV傳動系統動力平順切換最優控制的研究[J]. 汽車工程, 2008, 30(4):309-329. YAN Xiaolei, ZHONG Yong, ZHONG Zhihua. A Research on Optimal Control for Power Smooth Shifting in HEV [J]. Automotive Engineering, 2008, 30(4):309-329.

[6] 嚴運兵, 顏伏伍, 杜常清. 并聯混合動力電動汽車動態協調控制策略及仿真研究[J]. 中國機械工程, 2010, 21(2):234-239. YAN Yunbing, YAN Fuwu, DU Changqing. Research on Strategy and Simulation for Dynamic Coordinated Control of PHEV[J]. China Mechanical Engineering, 2010, 21(2):234-239.

[7] 葉明, 程越, 舒紅. 機電式CVT插電式混合動力系統模式切換控制[J]. 中國機械工程, 2012, 23(5):585-589. YE Ming, CHENG Yue, SHU Hong. Mode Shifting Control of Plug-in Hybrid Electric System Equipped with Mechanic-Electric CVT [J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(5):585-589.

[8] 劉振軍, 趙江靈, 秦大同, 等. 混合動力汽車由純電動工況起動發動機特性研究[J]. 機械設計與制造, 2013(12):101-104. LIU Zhenjun, ZHAO Jiangling, QIN Datong, et al. Pure Electric Mode Starting Engine Performance Research of HEV[J]. Machinery Design & Manufacture, 2013(12):101-104.

[9] 尹安東, 宮閃閃, 江昊, 等. 動態轉矩協調的ISG混合動力系統控制策略[J]. 電子測量與儀器學報, 2013, 27(2):145-150. YIN Andong, GONG Shanshan, JIANG Hao, et al. Control Strategy of ISG Hybrid System Based on Dynamic Torque Coordination [J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2013,27(2):145-150.

[10] WU Guang, ZHANG Xing, and DONG Zuomin. Optimal Control for Ensured Drivability of Parallel HEVs/PHEVs during Mode Transition[J]. SAE Technical Papers， 2014-01-1895.

[11] SMITH A, BUCKNOR N, YANG Hong, et al. Controls Development for Clutch-assisted Engine Starts in a Parallel Hybrid Electric Vehicle[C]// SAE 2011 World Congress & Exhibition. Detroit, 2011-01-0870.

[12] 秦大同, 尚陽, 楊官龍. 插電式混合動力汽車純電動行進間啟動發動機的平順性控制[J]. 重慶大學學報, 2015, 38(4):1-9. QIN Datong, SHANG Yang, YANG Guanlong. The Ride Comfort Control of PHEV during Engine Starting In-motion Process[J]. Journal of Chongqing University, 2015, 38(4):1-9.

[13] 杜波, 秦大同, 段志輝, 等. 新型并聯式混合動力汽車模式切換協調控制[J]. 中國機械工程, 2012, 23(6):739-744. DU Bo, QIN Datong, DUAN Zhihui, et al. Coordinated Control for Mode-switch of a New Parallel HEV[J].China Mechanical Engineering, 2012, 23(6):739-744.

[14] 張飛鐵, 周云山, 薛殿倫. CVT起步離合器模糊控制算法研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版), 2006, 33(5):57-60. ZHANG Feitie, ZHOU Yunshan, XUE Dianlun. Research on Fuzzy Control Algorithm of CVT Starting Clutch [J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2006, 33(5):57-60.

(編輯 王旻玥)

Research on Dynamic Mode Transition of Hybrid Electric Vehicle Based on Continuously Variable Transmission(CVT)

WANG Jiande ZHOU Yunshan YANG Huiyong JIA Jiefeng LI Quan

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

For a hybrid electric system based on continuously variable transmission(CVT), its structures and working modes were analyzed, and a kinetics model was established. A comprehensive control strategy combining fuzzy reasoning and optimal control theory was proposed for mode transition with engine starting. In the strategy, a clutch combination time was firstly obtained by fuzzy control based on driving intention. Then, an optimal clutch transmission torque and an optimal engine target torque were determined through the kinetics model with dynamic programming. Finally, the output torque of the motor was adjusted in real time according to the optimal clutch transmission torques by making use of the quick responsiveness of motor. Experiments were performed to verify the proposed control strategy. The experimental results show that the control strategy may optimize the clutch slip time based on driving intention, and achieve the smoothness of mode transition.

mode transition; driving intention; fuzzy control; dynamic programming

2016-07-04

國家國際科技合作專項(2014DFA70170)

U469.72

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.10.019

王建德，男，1983年生。湖南大學機械與運載工程學院博士研究生。主要研究方向為新能源汽車、車輛動力傳動與控制。E-mail：wjdcvt@163.com。周云山，男，1957年生。湖南大學機械與運載工程學院教授、博士研究生導師。陽輝勇，男，1986年生。湖南大學機械與運載工程學院博士研究生。賈杰鋒，男，1990年生。湖南大學機械與運載工程學院碩士研究生。李 泉，男，1976年生。湖南大學機械與運載工程學院博士研究生。