混合動力汽車起動發(fā)動機過程變速箱控制研究

桂鵬程，尹良杰，戴冬華,辛航

(安徽江淮汽車集團股份有限公司變速箱研究院，安徽合肥 230601)

0 引言

隨著汽車油耗要求越來越嚴，越來越多的汽車制造企業(yè)開始研發(fā)混合動力汽車。與輕度混合動力汽車不能實現(xiàn)純電行駛不同，重度混合動力汽車具有純電驅(qū)動模式，低速情況下車輛由純電機驅(qū)動行駛，中高速由發(fā)動機驅(qū)動行駛，急加速由發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動行駛，因此不但可以減少發(fā)動機在低速和低負荷非經(jīng)濟區(qū)域工作，提高車輛燃油經(jīng)濟性，而且通過電機助力可以提升整車動力性。

目前市場上已量產(chǎn)的重度混合動力汽車主要分為兩種：一種是以日系豐田為代表的Prius混合動力系統(tǒng)，如普銳斯、卡羅拉雙擎等；另一種是以歐洲大眾為代表的P2方案混合動力系統(tǒng)，如Jetta混動、索納塔混動等。在中國，P0/P1/P2/P3/P4等技術(shù)方案均有廠家涉及，其中P2方案技術(shù)發(fā)展較為成熟,如比亞迪的秦Pro、長安的逸動新能源等。

對于混合動力汽車，尤其是P2方案的混合動力汽車，行駛過程中電機起動發(fā)動機的平順性直接影響顧客的使用體驗，因此也成為混合動力汽車控制的核心。

本文作者所研究的基于P2方案的單電機重度混合動力系統(tǒng)簡圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由發(fā)動機、C0離合器、電機、雙離合自動變速箱組成。其主要的工作模式包括：純電驅(qū)動模式下，C0離合器打開，發(fā)動機不工作，扭矩通過雙離合自動變速箱傳遞給車輪；發(fā)動機驅(qū)動模式下，C0離合器閉合，發(fā)動機工作，電機不工作，發(fā)動機扭矩通過雙離合自動變速箱傳遞給車輪；混合驅(qū)動模式下，電機和發(fā)動機工作，C0離合器閉合，電機和發(fā)動機扭矩通過雙離合自動變速箱傳遞給車輪。純電驅(qū)動模式切換到發(fā)動機驅(qū)動模式由電機起動發(fā)動機實現(xiàn)，本文作者將通過分析此過程中發(fā)動機、電機、變速箱的控制關(guān)系，提出變速箱的控制邏輯，最后通過試驗進行確認。

圖1 基于P2方案單電機重度混合動力系統(tǒng)

1 電機起動發(fā)動機過程分析

針對混合動力車輛起動發(fā)動機過程中電機和發(fā)動機的控制有大量研究，文獻[1-2]中研究了混合動力汽車發(fā)動機和電動機工作模式切換過程中，對發(fā)動機、電動機、電池的控制；文獻[3]中介紹了起動發(fā)動機過程中，對發(fā)動機的控制；文獻[4]中針對插電式混合動力車輛發(fā)動機起停控制的進入條件進行了研究，提出電池荷電狀態(tài)(SOC)可以作為發(fā)動機起停的判斷條件。文獻[5]中通過對發(fā)動機起動過程中阻力特性的建模和仿真，提出電機的控制策略。以上文獻較少提到此過程中對變速箱離合器的詳細控制。但通過圖1可知，此過程不光涉及到發(fā)動機、電機、電池等而且還需要對變速箱進行精確的控制，以確保行駛過程中發(fā)動機和電機的扭矩能夠平順地輸出到車輪。

正常駕駛過程中，變速箱離合器的控制扭矩參考動力源凈扭矩，也就是傳遞到變速箱雙離合器主動盤上的扭矩。但是混合動力汽車在起動發(fā)動機過程中，電機需要提升扭矩以起動發(fā)動機，此時凈扭矩較大，如果按照正常駕駛過程控制變速箱，將導(dǎo)致電機無過多的扭矩起動發(fā)動機，而且車輛會急加速有沖擊，此時變速箱控制器需要變換參考源為當(dāng)前油門踏板對應(yīng)的駕駛員期望扭矩，以確保電機增加的扭矩僅用于起動發(fā)動機，同時傳遞到車輪端的扭矩與駕駛員期望保持一致。

為此，本文作者針對此過程，增加變速箱的控制分析如下，分為3個階段：

(1)起動靜止階段。此階段變速箱接收到整車控制器起動發(fā)動機指令后，控制變速箱離合器扭矩，使雙離合器處于滑摩狀態(tài)，然后電機提升轉(zhuǎn)速，增加扭矩，確保傳遞到車輪的扭矩沒有突增。

(2)起動加速階段。即電機的輸出轉(zhuǎn)矩超過發(fā)動機的靜摩擦阻力矩，C0離合器滑摩，電機驅(qū)動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)并快速上升到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，然后發(fā)動機點火。

(3)起動終止階段。C0離合器完全結(jié)合，電機和發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步，發(fā)動機和電機扭矩完成交替，電機退出工作，變速箱離合器鎖止。詳細過程如圖2所示。

圖2 電機起動發(fā)動機過程時序

2 起動發(fā)動機過程中變速箱離合器的控制策略

通過對電機起動發(fā)動機過程的詳細分析，針對變速箱的控制，主要分兩階段：第一階段為準(zhǔn)備階段，通過對變速箱的控制，使電機扭矩上升不會對整車駕駛產(chǎn)生沖擊；第二階段為電機起動發(fā)動機實施及恢復(fù)階段，通過電機升扭、C0離合器結(jié)合、發(fā)動機點火和變速箱的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)，保證起動發(fā)動機過程與正常駕駛過程的平順銜接。

第一階段，電機起動發(fā)動機前，通過控制雙離合器壓力，使離合器主、從動盤的轉(zhuǎn)速差達到某一個值ω1，而且對應(yīng)的離合器扭矩不高于此時的駕駛員期望扭矩，以便電機提轉(zhuǎn)速，為精確控制，離合器扭矩采用PI控制器進行控制，如圖3所示；第二階段參考駕駛員期望扭矩，在確保離合器主、從動盤的轉(zhuǎn)速差不低于ω1前提下，按一定的差值，對雙離合器的扭矩進行控制，在傳遞駕駛員需求扭矩的同時，滿足電機升扭并起動發(fā)動機的需要；在電機和發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步后，離合器扭矩將以跟隨駕駛員期望扭矩上升到凈扭矩。

圖3 準(zhǔn)備階段變速箱離合器扭矩控制

3 實車試驗

此策略用在江淮某款車輛上，如圖4所示。

圖4 電機起動發(fā)動機過程測試數(shù)據(jù)

由圖4可知：駕駛員踩下油門后，觸發(fā)電機起動發(fā)動機命令，第一階段174.6～174.8 s，變速箱加載扭矩下降并低于駕駛員期望扭矩，電機扭矩上升，由于變速箱的控制，車速在整個過程未有明顯加速，由于變速箱轉(zhuǎn)速差的控制，電機上升的轉(zhuǎn)速并未傳遞給車輪；第二階段174.8～175.2 s，通過變速箱的控制，確保電機有足夠的扭矩成功地起動發(fā)動機，且傳遞了相應(yīng)的扭矩， 整個過程車速變化平穩(wěn)，無明顯抖動。

試驗結(jié)果表明：文中的行駛過程中起動發(fā)動機的變速箱控制策略是正確、有效的。

4 結(jié)論

混合動力汽車行駛過程中電機起動發(fā)動機的控制是一個系統(tǒng)復(fù)雜的問題，需綜合考慮發(fā)動機、電機、變速箱、整車及駕駛員意圖等多方面的因素。試驗結(jié)果表明：本文作者提出的變速箱控制策略能夠傳遞合適的駕駛員扭矩，既確保電機成功起動發(fā)動機，又保持了整車駕駛舒適性，證明了控制策略的有效性。