機電耦合雙離合混合動力系統極低溫行駛控制研究

呂俊磊

摘 要：目前，混合動力汽車是新能源汽車的重要發展方向之一。在極低溫工況或者電池包故障下，電池包受溫度或者自身故障影響不允許充放電，此時車輛怎么才能正常行駛，是研究的重點。我們基于雙離合變速箱設計的P2.5混動架構的混合動力系統，能夠在沒有12V發電機的情況下，保證車輛正常行駛，確保系統低壓附件的正常工作，實現車輛起步，加速，減速等行駛工況，并保證該模式與正常模式的平順切換。

關鍵詞：混合動力;P2.5;極低溫行駛;恒壓充電

1 引言

DCT+P2.5的混動系統是在DCT基礎上最大限度借用批產零件，采用P2.5單電機構型，高度集成高功率密度永磁同步電機，電機動力通過3檔從動檔位齒和發動機動力實現耦合，同時為了滿足純電動工況下的換擋、潤滑、離合器控制，增加低壓電子泵系統的一款機電耦合混合動力變速器，DCT+P2.5結構示意圖見圖1。該變速器搭載在PHEV車輛上，整車為了節省車輛成本，省去了低壓發電機，僅通過DCDC給低壓電瓶充電以及滿足低壓附件工作需求[1]。由于該系統為單電機系統且無低壓發電機，在極低溫（-40℃到-30℃）工況下，高壓電池包禁止充放電，造成該系統無法使用高壓來進行驅動和給低壓附件供電[2]。為了保證車輛能夠繼續行駛，我們采用電機驅動系統進入恒壓充電模式，通過DCDC給低壓附件供電，發動機同時提供整車驅動力和電機恒壓充電動力源，雙離合器采用一個離合器閉合，一個離合器滑磨來完成蠕行，起步，加速等工況。

2 極低溫行駛的恒壓充電方案

本論文的方法實現需要混合動力控制單元HCU（Hybrid Control Unit）、驅動電機控制單元MCU（Motor Control Unit）、變速箱控制單元TCU（Transmission Control Unit）控制單元相互密切配合，才能實現完整的機電耦合雙離合混合動力系統極低溫行駛控制。本論文采用電機驅動系統進入恒壓充電模式，通過DCDC給低壓附件供電，發動機同時提供整車驅動力和電機恒壓充電動力源，變速箱中的雙離合器采用一個離合器閉合，一個離合器滑磨的策略來完成蠕行，起步，加速等工況。其中閉合離合器為奇數離合器，其在恒壓充電模式下，始終保持閉合，將發動機扭矩傳遞給電機，電機通過恒壓控制來控制電機的輸出扭矩，保持輸出電壓恒定，來保證低壓用電設備的需求。另一個離合器（偶數離合器）需要根據不同的駕駛員需求（換擋桿、油門、剎車），進行對應工況（蠕行、起步、高速駕駛、換擋等）離合器控制，滿足整車平順性，動力性的要求。實現恒壓充電所需的控制器之間的信號交互如圖2所示。

2.1 車輛起步直接進入恒壓充電控制方案

車輛從靜態起步直接進入恒壓充電過程如下：

（1）車輛上電，當HCU識別電池包允許充放電功率為0（極低溫或者SOC極低） 時。HCU根據實車狀態判斷是否需要進入Emergency Mode。當HCU判斷需要立即進入Emergency Mode時，如果此時發動機未啟動，則HCU控制發動機啟機（啟機方式根據車速和BMS可用功率來決定），HCU控制奇數軸的檔位需求為空，TCU執行脫奇數軸檔位指令。當HCU檢測到奇數軸檔位已經為空，且換擋桿處于D檔，則請求TCU進入蠕行控制，同時請求奇數離合器閉合。

（2）HCU請求MCU進入恒壓發電模式，同時請求MCU將母線電壓恒定在360V。MCU需要進入恒壓發電模式，并且保證母線電壓控制在360V附近[4]。

MCU為了保證母線電壓在360V附近，需要不斷的根據需求功率調整扭矩，恒壓發電控制模式下，MCU對扭矩的控制方程如下[3]：

（3）當駕駛員不踩油門且不踩剎車時，TCU控制偶數離合器進入蠕行，同時響應HCU對于奇數離合器的閉合請求;當駕駛員踩油門加速時，TCU控制偶數離合器進入起步加速控制，同時保持奇數離合器閉合狀態。當車速達到換擋點時，由于電機需要保持恒壓充電模式，只能換偶數軸檔位，這時HCU請求偶數軸目標檔位，TCU打開離合器，退掉當前偶數檔位，掛上偶數軸目標檔位，再次結合離合器，完成整個換擋過程，車輛以新的檔位行駛。

HCU根據動力學平衡方程來控制發動機扭矩輸出，平衡方程如下[5]：

其中，TWheel：為輪端需求扭矩，由油門開度查PedalMap獲得;

TEng：為HCU對發動機的請求扭矩;

TEM：為電機的實際扭矩;

iEVen：為發動機到輪端的速比;

iEM2Eng：為電機端到發動機的速比。

（4）HCU根據電機反饋的實際扭矩和駕駛員需求扭矩對發動機進行扭矩控制，使其既能滿足駕駛需求又能滿足整車高低壓附件的供電需求，保證整車能夠行駛。

車輛起步直接進入恒壓充電流程圖見圖3。

恒壓發電模式，HCU對發動機和電機的扭矩分配示意圖如下：

實車測試效果如圖5，當實際SOC較低時，起步進入恒壓發電，從圖中看出，電機的發電扭矩基本維持恒定，兩個離合器也都處于工作狀態，其中一個離合器閉合用于發電，另一個離合器驅動，總的駕駛員需求（即輪端需求扭矩）也能夠被滿足。

2.2 車輛由恒壓充電模式回到正常駕駛模式控制方案

車輛由恒壓充電模式回到正常駕駛模式過程如下：

（1）當車輛正在進行恒壓充電模式時，此時電池包由于PTC或者發動機外循環加熱或者故障恢復，電池包能夠正常充放電， HCU判斷可進入正常駕駛模式。

（2）HCU請求電機控制器MCU退出恒壓模式，以正常模式運行，滿足HCU的模式，扭矩及轉速請求。

（3）HCU控制奇數離合器打開，并根據當前的換檔圖判斷目標檔位，如果目標檔位為奇數檔，則HCU請求掛奇數軸檔位，TCU執行掛奇數軸檔位指令。當奇數檔位在檔后，TCU控制離合器由偶數離合器切換到奇數離合器。如果目標檔位為偶數檔，且目標檔位等于當前檔位，TCU控制當前離合器繼續按照駕駛需求進行工作;如果目標檔位為偶數檔，且目標檔位不等于當前檔位，則TCU將偶數離合器切換到奇數離合器，TCU執行脫掉當前檔位指令，再掛偶數軸檔位指令，當偶數檔位在檔后，TCU控制離合器由奇數離合器切換到偶數離合器，完成對目標檔位的響應，進入正常駕駛模式。

（4）HCU按照正常的扭矩分配策略，控制兩大動力源電機及和發動機，使他們的輸出扭矩滿足駕駛員需求，保證整車經濟性、動力性達到最優。

車輛由恒壓充電模式回到正常駕駛模式流程圖見圖3。

正常駕駛模式，HCU對發動機和電機的扭矩分配示意圖如下：

2.3 行進中由正常駕駛模式進入恒壓充電模式

車輛行進中由正常駕駛模式進入恒壓充電模式過程如下：

（1）當車輛正在正常駕駛模式時，此時電池包由于某種原因無法充放電，此時，HCU判斷需要進入恒壓充電模式。

（2）如果當前TCU工作在奇數軸，則HCU請求TCU打開奇數離合器，HCU根據當前的換檔圖判斷目標檔位（在恒壓充電模式，目標檔位均為偶數檔），則請求偶數軸檔位為目標檔位。當奇數離合器打開后，TCU執行脫奇數軸檔位指令，閉合奇數離合器，然后，判斷偶數軸檔位是否等于目標檔位，如果偶數軸檔位等于目標檔位，則TCU控制偶數離合器繼續工作，MCU進入恒壓充電模式。如果偶數軸檔位不等于目標檔位，則TCU脫掉當前偶數軸檔位，掛上目標檔位，則TCU控制偶數離合器工作，MCU進入恒壓充電模式。

如果當前TCU工作在偶數軸，且奇數離合處于打開狀態，則如果奇數軸上有檔位，脫掉奇數軸上的檔位，TCU控制奇數離合器閉合。TCU判斷偶數軸檔位是否等于目標檔位，如果偶數軸檔位等于目標檔位，則TCU控制偶數離合器工作，MCU進入恒壓充電模式。如果偶數軸檔位不等于目標檔位，則TCU脫掉當前偶數軸檔位，掛上目標檔位，則TCU控制偶數離合器工作，MCU進入恒壓充電模式。

（3）電機控制器MCU進入恒壓模式，實時控制輸出電壓保持恒定。

（4）HCU根據電機反饋的實際扭矩和駕駛員需求扭矩對發動機進行扭矩控制，使其既能滿足駕駛需求又能滿足整車高低壓附件的供電需求，保證整車能夠行駛。

行進中由正常駕駛模式進入恒壓充電模式流程圖見圖8。

3 結論

本文通過研究詳細介紹了極低溫工況或者電池包充放電功率為0的工況下，HCU、MCU、TCU、EMS相互密切配合，實現完整的機電耦合雙離合混合動力系統極低溫行駛控制。采用電機驅動系統進入恒壓充電模式，通過DCDC給低壓附件供電，發動機同時提供整車驅動力和電機恒壓充電動力源，變速箱中的雙離合器采用一個離合器閉合，一個離合器滑磨的策略來完成蠕行，起步，加速等工況。本文研究的方法，能夠為整車節省成本提供依據，具有可實施性。

參考文獻：

[1]王保華，王偉明，張建武等.并聯混合動力汽車控制策略比較研究[系統仿真學報.2006.

[2]趙子亮，劉冬秦，劉明輝等.并聯式混合動力汽車控制策略與仿真分析研究[J].機械工程學報.2005.

[3]袁慶強，徐達.新型混合動力驅動系統與控制策略的設計[J].上海汽車，2007.

[4]浦金歡.混合動力汽車能量優化管理與控制策略研究.博士學位論文，上海交通大學.2004.

[5]李興虎.混合動力汽車結構與原理[M].北京.人民交通出版社.2009.