P2 混合動力汽車發動機起動過程變速箱控制策略研究

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心 安徽 合肥 230601）

引言

隨著國家越來越嚴苛的油耗要求以及消費者對汽車動力的需求，混合動力車型日益成為各大汽車企業開發的重點，同時將濕式雙離合自動變速箱（DCT）搭載到混合動力車型中，既能滿足國家強制性油耗的要求，同時也能滿足消費者對駕駛舒適性和動力性的要求。一般情況下，混合動力汽車會采用純電驅動（即電機工作），當電機能力不能滿足駕駛需求時，此時電機會帶動發動機起動，使發動機介入工作，由于發動機起動過程轉速與轉矩都有很大波動，若控制不當，可能會導致輸入到車輪的轉矩劇烈變化，從而影響整車駕駛的平順性[1]。

模式切換過程中發動機起動整車相關控制已經成為國內外混合動力汽車研究的重點內容。如文獻2提出了一種變速箱與電機協調控制方法，通過制定變速箱前饋+反饋并結合轉矩觀測的控制策略，實現模式切換各階段的平穩過渡；文獻3 對發動機起動過程進行動力學分析，提出了一種車輛行駛過程中發動機起動過程電機轉矩控制策略；文獻4 提出一種內燃機轉速閉環控制，以減小混合動力汽車在發動機起動過程中動力系統的轉矩波動；文獻5 提出了基于模糊PID 算法的DCT 變速箱壓力控制策略和動力源轉矩協調控制策略，以提高模式切換過程整車平順性；文獻6 針對DCT 混合動力汽車變速箱在切換過程各階段進行目標轉矩跟蹤控制，進行仿真實驗，有效地解決了起動過程整車平順性；文獻7建立簡化的單電機混合動力系統模型,以減小起動發動機所用時間為目標，建立起動發動機最優控制；文獻8 設計了一種基于標準發動機轉矩的前向觀測器，通過后向觀測器對其進行補償，同時參考電機的轉矩對發動機怠速轉矩進行相關標定優化，以提高發動機起動過程變速箱轉矩估計的準確性。

目前，發動機起動過程模式切換的研究大部分都集中在發動機與電機上，但是作為整車動力輸出的最后控制單元的TCU（自動變速箱控制單元），其控制的好壞決定整車模式切換過程的平順性，卻很少受到重視。因此本文對發動機起動過程變速箱轉矩預控控制策略進行了研究分析，同時針對原有控制策略在實車驗證過程中存在的不足，提出了一種新的變速箱轉矩控制策略，通過增加進入變速箱控制時電機轉速與DCT 變速箱輸入軸之間轉速差的判斷條件、變速箱轉矩控制過程中采取合適加權轉矩跟隨策略，最后通過Simulink 建模，生成代碼并下載到變速箱TCU 中，在實車上對該控制策略的有效性進行了驗證。

1 混合動力系統結構

本文基于某款搭載雙離合自動變速箱的P2 混合動力汽車進行研究，具體參數如表1 所示，其P2構建的混合動力系統如圖1 所示，主要包括發動機、CO 變速箱、驅動電機、動力電池、高壓附件及雙離合自動變速箱等子系統。發動機與驅動電機共同組成該系統的動力源，兩者即可單獨驅動車輛行駛，也可以以混合驅動的方式驅動車輛行駛。因而采用此種結構的混和動力汽車可實現多種工作模式（如表2所示），能夠有效地降低車輛油耗，提升車輛的燃油經濟性。

表1 P2 混動車輛信息表

圖1 搭載DCT 的P2 混合動力系統結構示意圖

表2 P2 混合動力車輛工作模式

2 發動機起動過程變速箱轉矩預控控制策略

P2 混合動力汽車在發動機起動過程中，通過變速箱離合器的滑膜來控制變速箱的輸出轉矩，以避免發動機起動過程因電機轉矩的變化導致變速箱輸出到輪端轉矩的劇烈變化，確保整車駕駛的平順性。

2.1 發動機起動過程變速箱轉矩預控控制原理

在正常行駛過程中，電機轉速ωe的變化情況與期望轉矩Te和變速箱傳遞轉矩Tc之間的關系為：

其中：Ie為電機轉動慣量。

由（1）式可知，當Tc＜Te時，電機轉速將上升,當Tc>Te時，電機轉速會下降，因此，在發動機起動過程中，變速箱通過控制Tc，使得DCT 變速箱處于滑膜控制，以穩定輸出到輪端的轉矩。如果變速箱轉矩控制不當，會使得車輛出現沖擊感。為此，本文引用沖擊度對變速箱平順性進行評價[9]，其表達式為：

式中：v 為汽車速度（m/s）；a 為汽車加速度（m/s2）。

為確保發動機起動過程整車平順性，沖擊度j 應不大于5 m/s3[10]。

2.2 發動機起動過程變速箱轉矩預控控制策略

在發動機起動過程變速箱的轉矩預控控制如圖2 所示。

圖2 發動機起動過程變速箱轉矩預控控制圖

總體可分為初始階段、轉矩下降階段、轉矩穩定階段及轉矩上升階段4 個階段，控制邏輯如圖3 所示，每個階段控制如下：

1）初始階段。

初始階段即變速箱進入轉矩預控階段，當整車能量控制單元HVCU 向變速箱發送轉矩預控請求時，變速箱相應請求，進入轉矩預控控制。

2）轉矩下降階段

圖3 轉矩預控控制邏輯圖

在變速箱進入轉矩預控后，降低變速箱轉矩，以獲得滑膜控制（但是不能降低過小，避免動力傳遞過小）。

3）轉矩穩定階段

在轉矩穩定階段發動機完成起動過程，通過調整變速箱轉矩，使得變速箱一直處于動態滑膜控制，以穩定變速箱轉矩Tc，確保輸出轉矩穩定，不受發動機起動過程轉矩波動的影響。

4）轉矩增長階段

當發動機起動完成后，調整變速箱轉矩Tc，使之恢復到初始階段轉矩，變速箱轉矩預控結束。

2.3 現有控制策略的不足

在實車上進行轉矩預控優化時，發現現有的控制策略存在相關不足，會對發動機起動過程整車駕駛的平順性有一定影響，具體分析如下：

1）在HVCU 發動轉矩請求時，TCU 就會響應請求，進入轉矩預控控制，此時電機軸與變速箱輸入軸處于同步狀態，當電機轉速提升時，變速箱輸入軸轉速會跟隨電機轉速波動，從而引發整車波動，影響駕駛性。如圖4 所示。

圖4 電機轉速帶動輸入軸轉速波動

2）在轉矩穩定階段，變速箱轉矩計算公式為：

Tc=Tc0+ΔTe（3）

其中：Tc0為變速箱初始轉矩，ΔTe為期望轉矩變化率。

當期望轉矩Te不變時，ΔTe=0，變速箱不會加載，踩恒定油門下轉矩預控過程整車無加速感，轉矩預控結束后整車突然有加速感，造成變速箱狀態切換過程整車加速不平順，如圖5 所示。

圖5 變速箱實際傳遞轉矩不跟隨期望轉矩

2.4 優化后的控制策略

針對現有變速箱轉矩預控控制策略的不足，對相關控制策略進行了優化，具體如下：

1）針對因電機轉速提升帶動變速箱軸轉速波動問題，在現有的轉矩預控策略上增加轉速判斷條件，當HVCU 發送轉矩預控請求時，只有當電機轉速rd與輸入軸轉速rs有一定轉速差時，即rd-rs>Δ 時（Δ為可標定值），TCU 才響應HVCU 的轉矩預控請求。

2）針對因期望轉矩Te不變導致變速箱轉矩Tc不加載問題，在轉矩穩定階段，增加變速箱轉矩控制策略，確保變速箱扭矩Tc參照期望轉矩Te進行加載，即Tc=Tc0+δ（Te-Tc0），δ 為可標定值。

優化后的轉矩預控邏輯圖如圖6 所示。

2.5 實車驗證

為了驗證優化后的轉矩預控策略的實際控制效果，將研究的轉矩預控控制策略通過Simulink 建模，生成代碼并下載到變速箱TCU 中，在實車上進行了相關測試驗證，整車綜合一體化控制的CAN 信號通過CANape 設備進行采集，采集的驗證工況如表3所示。

圖6 優化后的轉矩預控邏輯圖

表3 轉矩預控驗證工況

驗證時，設置轉速差Δ=30 r/min；δ=1，按照表3 的驗證工況進行驗證測試，較原有的邏輯，新邏輯增加轉速差判斷條件后實車測試結果如圖7 所示，當HVCU 發送轉矩預控請求時，等電機轉速與輸入軸轉速形成30 r/min 的轉速差時，TCU 才響應轉矩預控請求，此時電機轉速提升，輸入軸轉速保持穩定，沖擊度最大為0.8（小于5 m/s3），總體較平穩（如圖7 所示）。

較原有邏輯，新邏輯修改轉矩跟隨策略后實車測試結果如圖8 所示，變速箱實際傳遞轉矩達到期望轉矩，發動機起動過程，沖擊度最大為2.5（小于5 m/s3），車輛加速總體平順。

實車驗證測試結果表明，采用所提出的變速箱轉矩預控控制策略在整車上可實現變速箱轉矩傳遞的平穩，有效地避免了P2 混合動力汽車發動機起動過程的沖擊，確保車輛駕駛的平順性和舒適性。

圖7 優化轉速差判斷條件策略

圖8 優化轉矩跟隨策略

3 結論

對P2 混合動力汽車發動機起動過程變速箱轉矩預控控制進行了研究分析，針對目前控制策略的不足，提出了一種新的變速箱轉矩控制策略：

1）通過設計進入變速箱轉矩控制時電機轉速與DCT 變速箱之間滑膜差的判斷條件，確保變速箱進入轉矩預控時電機轉速與變速箱軸轉速間存在滑膜差。

2）轉矩預控過程中采取合適的變速箱轉矩跟隨策略，確保變速箱實際轉矩跟隨期望轉矩。

3）設計出發動機起動過程中變速箱轉矩預控整車驗證工況，通過實車驗證。新的轉矩預控邏輯滿足開發要求，滿足設計指標（沖擊度小于5 m/s3）。