P2混合動(dòng)力離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方法研究

趙彬?qū)幖卓?周達(dá)劉四海鄭巖

（1.一汽解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院，長春130011；2.中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

主題詞：P2構(gòu)型 雙離合器式自動(dòng)變速器 離合器輔助起機(jī) 控制策略 HEV

1 前言

混合動(dòng)力汽車具有對(duì)傳統(tǒng)汽車動(dòng)力總成繼承性好、續(xù)駛里程長、節(jié)能減排效果明顯等特點(diǎn)，是應(yīng)對(duì)能源緊缺和環(huán)境污染問題的主流技術(shù)方案之一[1]。在混合動(dòng)力汽車研究領(lǐng)域中，模式切換中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制始終是重要的研究內(nèi)容之一，如文獻(xiàn)[2]提出通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置和拖轉(zhuǎn)扭矩預(yù)估行星架輸入端阻力的方法，目的是改善功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換性能；文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)研究了分離離合器和動(dòng)力電機(jī)之間的扭矩協(xié)調(diào)控制，但未對(duì)離合器扭矩控制進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[5]提出雙離合器混合動(dòng)力的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，但未考慮AMT離合器滑摩差控制問題。

本文以單電機(jī)雙離合自動(dòng)變速器前置結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)[6]作為研究對(duì)象，通過對(duì)離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的分析，提出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中離合器和動(dòng)力電機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略，并通過模型仿真和整車試驗(yàn)對(duì)該控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按電機(jī)布置位置的不同分別定義為P0、P1、P2等構(gòu)型，其中P2構(gòu)型的電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、分離離合器、電機(jī)和自動(dòng)變速器，如圖1所示。圖1中，變速器采用濕式雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT），分離離合器（C0）同樣采用濕式離合器，其與動(dòng)力電機(jī)集成在一起，稱為離合器耦合電機(jī)（Clutch Coupling Motor，CCM）。C0離合器的主要作用是輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和切斷發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)停機(jī)功能。C0離合器的液壓控制模塊屬于DCT液壓控制系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，通過比例壓力閥和比例流量閥來控制C0離合器的作動(dòng)壓力和冷卻流量。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的平順，需要協(xié)調(diào)控制上述兩個(gè)離合器與動(dòng)力電機(jī)之間的扭矩。

圖1 P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

為便于進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，忽略了傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性和動(dòng)力傳遞損失，將整車阻力折算到DCT的輸出端，因?yàn)槟Ｊ角袚Q過程中會(huì)盡量避免發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與DCT換擋同時(shí)進(jìn)行，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中只有一個(gè)離合器接合傳遞動(dòng)力，不考慮換擋雙離合器扭矩交換的情況。簡化的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型見圖2。

圖2 簡化的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

圖2 中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的扭矩，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)表示飛輪端的輸出扭矩，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)表示發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩；Tc0、Tm、Tc1、Tv分別為C0離合器扭矩、耦合電機(jī)扭矩、DCT離合器扭矩和等效到變速器離合器輸出端的車輛阻力矩；ωe、ωccm、ωc1分別為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪、離合器耦合電機(jī)、DCT離合器的角速度；Je、Jc0、Jm、Jv分別為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、C0離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效到DCT離合器輸出端的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；be、bc0、bm、bc1分別為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪、C0離合器、動(dòng)力電機(jī)和DCT離合器的阻尼系數(shù)。

在車輛純電動(dòng)行駛過程中，如果動(dòng)力電池SOC低于一定閾值或電機(jī)功率無法滿足駕駛員加速要求時(shí)則起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方式主要有起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和離合器輔助起動(dòng)兩種，本文主要對(duì)離合器輔助起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法進(jìn)行分析。

純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式主要經(jīng)歷純電動(dòng)行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)3個(gè)過程，模式切換過程的動(dòng)力學(xué)分析如下。

a.純電動(dòng)行駛過程中，C0離合器處于分離狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，其動(dòng)力學(xué)方程為：

b.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程。電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，C0離合器接合拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)，同時(shí)電機(jī)增加輸出扭矩，用來克服發(fā)動(dòng)機(jī)被拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力矩，其動(dòng)力學(xué)方程為：

式中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，其輸出扭矩經(jīng)C0離合器傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，其動(dòng)力學(xué)方程為：

濕式離合器處于滑摩狀態(tài)時(shí)，離合器傳遞的扭矩主要與作用壓力相關(guān)，其計(jì)算式為：

式中，n為離合器摩擦面數(shù)；μc0為離合器摩擦因數(shù)；Ac0為活塞作用面積；Rc0為摩擦片有效半徑；Pin為液壓油缸控制壓力；Psp為濕式離合器回位彈簧壓力；Ri、Ro分別為摩擦片內(nèi)、外半徑。

離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，如果離合器控制不當(dāng)會(huì)使車輛出現(xiàn)頓挫或前沖感，為此采用沖擊度對(duì)離合器控制平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]，其表達(dá)式為:

式中，j為沖擊度；ωv為變速器輸入軸角速度；rw為車輪半徑，ig為擋位傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比。

4 離合器控制方法

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制過程

P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)的C0離合器輔助起機(jī)控制過程見圖3。

圖3 離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程

如圖3所示，起機(jī)前C0離合器完全分離，DCT離合器保持微滑摩狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛（階段1）；進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程時(shí)，先增大電機(jī)扭矩，提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，使DCT離合器滑摩差增大，控制C0離合器逐步接合（階段2），電機(jī)根據(jù)C0離合器接合扭矩進(jìn)行補(bǔ)償，但由于補(bǔ)償扭矩與實(shí)際負(fù)載扭矩之間存在偏差，電機(jī)轉(zhuǎn)速通常會(huì)有波動(dòng)（階段2）；當(dāng)將發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪拖動(dòng)至設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)，C0離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)自行噴油點(diǎn)火進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（階段3）；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至電機(jī)轉(zhuǎn)速，再接合C0離合器，最后將DCT離合器的較大滑摩差減小至微滑摩狀態(tài)（階段4）；此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程結(jié)束，DCT離合器保持微滑摩狀態(tài)（階段5）。根據(jù)以上分析制定了離合器輔助起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，其流程如圖4所示。

4.2 離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制涉及C0離合器、DCT離合器與動(dòng)力電機(jī)之間的扭矩分配控制，平順的離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程依賴這三者扭矩合理的協(xié)調(diào)控制和離合器滑摩控制。

4.2.1 離合器滑摩控制

離合器滑摩控制采用前饋+反饋并結(jié)合扭矩觀測(cè)的控制方法，基本原理如圖5所示。其中，ωref表示控制發(fā)動(dòng)機(jī)要達(dá)到的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；TFF表示前饋扭矩或開環(huán)扭矩，相當(dāng)于離合器要傳遞的目標(biāo)扭矩；Tcl表示閉環(huán)扭矩，是為了控制轉(zhuǎn)速差在設(shè)定范圍內(nèi)，根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的偏差，通過比例-積分計(jì)算得到；Tob表示離合器觀測(cè)扭矩（Obsever），是為了修正離合器控制目標(biāo)扭矩與實(shí)際傳遞扭矩之間的偏差；K1和K2分別為比例、積分控制的系數(shù)。

圖4 離合器輔助起機(jī)控制流程

圖5 離合器扭矩控制原理

起機(jī)過程中，DCT離合器存在較大滑摩差，驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力的大小主要由DCT離合器扭矩決定，因此車輛沖擊度與離合器扭矩相關(guān)，則可將式（6）轉(zhuǎn)換成離合器扭矩形式：

式中，η為傳動(dòng)系效率；m為汽車總質(zhì)量；δg為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；rw為驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑。

由式（7）可知，為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起機(jī)，DCT離合器扭矩不應(yīng)有劇烈變化。

4.2.2 動(dòng)力電機(jī)扭矩控制

當(dāng)C0離合器接合拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)除輸出驅(qū)動(dòng)車輛必需的扭矩外，還需額外輸出扭矩用來補(bǔ)償反拖發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的阻力矩，以確保車輛不出現(xiàn)制動(dòng)感。

電機(jī)扭矩控制目標(biāo)值Tm計(jì)算式為：

式中，Tdri為電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛的需求扭矩；Tcom為補(bǔ)償扭矩，其作用是提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加電機(jī)與DCT離合器之間的滑摩差。

C0離合器完全接合后，電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步，但與DCT離合器之間仍存在較大滑摩差，若要縮小二者的轉(zhuǎn)速差，則電機(jī)扭矩控制目標(biāo)值計(jì)算式為：

4.2.3 濕式離合器壓力控制

由式（4）可知，為能實(shí)現(xiàn)濕式離合器的扭矩控制，還需要通過VFS閥來控制離合器工作壓力，壓力控制原理如圖6所示。

圖6 壓力控制原理

5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 起機(jī)控制過程仿真分析

在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立P2構(gòu)型混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，整車及關(guān)鍵部件參數(shù)見表1。

根據(jù)P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，利用MATLAB/Simulink工具建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程仿真模型，如圖7所示。

表1 整車及關(guān)鍵部件參數(shù)

圖7傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

圖8 為車輛行駛過程中C0離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真結(jié)果，當(dāng)控制系統(tǒng)決定通過動(dòng)力電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，C0離合器先充油建立壓力至與濕式離合器彈簧壓力相等，然后提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制C0離合器逐漸增加壓力，與此同時(shí)電機(jī)控制器根據(jù)C0離合器扭矩進(jìn)行補(bǔ)償并提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)C0離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拖至起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，C0離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火自行控制轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速附近，隨后接合C0離合器，至此離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制過程結(jié)束。

仿真結(jié)果表明，C0離合器接合給整車帶來的沖擊度約為8 m/s3，表明該離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略能夠有效將沖擊度控制在要求（＜10 m/s3）[8]范圍內(nèi)。

圖8 離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制仿真結(jié)果

5.2 整車試驗(yàn)

為驗(yàn)證離合器輔助起動(dòng)控制策略的實(shí)際控制效果，進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可看出，從命令C0離合器接合，到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后C0離合器再次接合，整個(gè)過程用時(shí)不超過2 s，并且沖擊度不超過5 m/s3。測(cè)試結(jié)果表明，采用所提出的離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的平穩(wěn)過度，滿足了整車平順性要求。

圖9 離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制整車測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語

建立了P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的控制過程進(jìn)行了仿真分析。制定了離合器前饋+反饋并結(jié)合扭矩觀測(cè)的控制策略，通過增加電機(jī)轉(zhuǎn)速與DCT離合器之間的滑摩差，避免了起機(jī)過程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)給車輛帶來的沖擊，同時(shí)給出動(dòng)力電機(jī)扭矩的控制方法，實(shí)現(xiàn)了扭矩的合理分配。仿真和試驗(yàn)表明，所提出的扭矩控制方法可有效避免P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)離合器輔助起機(jī)過程的沖擊，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)各階段的平穩(wěn)過度，確保了車輛行駛的平順性和舒適性。