基于干式離合器的混合動力汽車發動機啟動策略優化

秦鑫，曹宇，侯財輝，秦健璇，黃祖朋

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西柳州，545007）

0 引言

混合動力汽車是一種裝配至少兩種不同動力源的汽車類型。一個混合動力系統會結合兩種驅動力以獲得單一動力傳動系統所無法達到的動力性。混合電動汽車(HEV)作為混合動力汽車的一種，它同時擁有兩種動力且其中一種為電能，對于減少空氣污染和能源消耗具有更大的貢獻。[1]

通常，HEV的傳動部件主要有連續變速箱以及離合器。通過控制離合器開閉來連接或斷開動力系統部件，HEV可以實現選擇任意一種或同時選擇兩種動力源進行驅動。[2]在不同的駕駛模式下，通過離合器的滑膜，可以實現對車輛從靜止開始加速，或者實現發動機的啟動。[3]

為了確保動力系統擁有良好的性能，干式離合器閉合的過程需要進行精確的控制。控制過程中必須同時滿足一些指標：結合面磨損量小，結合過程短，駕駛感平穩。為了滿足上述需求，作用于離合器正向壓力必須是經過精確的計算且適合于當前工況。為了達到上述目標，人們研究了大量的控制策略[4-8]。本文通過設計一個發動機啟動過程的離合器狀態的自學習模型，通過計算每一次發動機啟動的時間，以及施加在離合器端的扭矩，確認啟動過程是否需要優化，從而調整每次閉合離合器所需扭矩，確保每次閉合過程能夠用最小的熱量損和最短的閉合時間完成發動機啟動，在獲得較優的駕駛性能的同時，可以極大的延長干式離合器的使用壽命。

1 動態模型描述

1.1 發動機啟動時間優化模型

通過計數器計算當前發動機啟動過程的持續時間(Tfac)并與預設的發動機啟動優化的時間閾值（Tthd）比較，當Tfac＞Tthdup時，則認為此次發動機啟動時間有過長的風險，可能需要啟用發動機啟動優化過程；或當Tfac＞Tthdup時，則認為此次發動機啟動時間有過短的風險，可能需要啟用發動機啟動優化過程。

通過定義時間常數Tc，確認本次啟動時間與理想啟動時間的時間差異率（Fori），所用公式如下：

其中Fori控制在既定的區域（MAXFori，MINFori）中。

將獲得的Fori與上一次啟動儲存的時間差異率（Fini）相加從而獲得本次啟動的更新時間差異率（F）：

將獲得的F與既定的允許差異率窗口進行比較：當Fmin＜F＜Fmax時，則將F儲存到RAM中，替換當前的Fini作為下一次啟動中使用的Fini。當F＞Fmax時，將Fmax與F的差值作為新的Fini并儲存下來；同理，當F＜Fmin時，將F與Fmin的差值的作為新的Fini并儲存下來。其中，Fmax為既定的允許差異率最大值，Fmin為既定的允許差異率最小值。

發動機啟動扭矩優化次數計算模型如下：

通過比較發動機水溫(Tmp)與選定的發動機水溫數組(Taxis)，得到當前發動機水溫狀況下，需要修正扭矩的次數(i)，計算方法如下：

其 中length(Taxis)為Taxis的 長 度，Taxis[MaxLen]為Taxis的最后一個元素，Taxis[i]為Taxis中第i個元素。

每獲得一個i，就會運行一次啟動時間優化的模型，直到i不再更新或F更新判斷條件不滿足。

1.2 發動機啟動離合器閉合扭矩優化模型

根據發動機水溫以及啟動時間優化修正發動機啟動過程離合器閉合請求扭矩獲得離合器閉合扭矩修正值（M），具體過程如下：

其中，TIni為初始設置的離合器扭矩請求數組，則TIni[0]為TIni的第0個元素，TIni[MaxLen]為TIni的第MaxLen個元素，其中TIni與i正相關，與F相關；當Fmin＜F＜Fmax時，TIni不變；當F＞Fmax時，TIni=TIni+DeltaT；同理，當F＜Fmin時，TIni=TIni-DeltaT；其中DeltaT為每次減少的T值。Taxis[j]為Taxis 的第j個元素；j為3）過程的循環計數值，且0 ≤j＜MaxLen。

通過比較當前車輛水溫與設定的發動機水溫數組，確定當前啟動過程需要優化的次數。參考優化次數，按照一定比例修正發動機啟動過程離合器閉合請求扭矩。

2 測試數據分析

通過將程序生成嵌入式軟件更新到車輛控制器硬件中對車輛在不同狀態下進行發動機啟動測試得到程序運行實際數據。以Tfac為分界點，測試兩組數據。測試時限制M的最大值為20 Nm，最小值為0 Nm確保每次啟動過程離合器需求扭矩需求修正不會太大導致駕駛體驗不佳。為了使試驗過程中，確保盡可能使每一次試驗數據都有參考性，設置Tthdup為0.37s, Tthddwn為 0.29 s，設置 Tc為 0.03 s。

圖1(a)為Tfac＞Tthdup時測試的M及Tmp，圖中顯示，Tmp與M整體成反比關系，隨著溫度的周期性變化，M跟隨著周期性變化，確保每次啟動時間變化波動較小。圖1（b）為Tfac＜Tthddwn時測試的M及Tmp，測試結果顯示，隨著溫度周期性變化，M跟隨Tmp周期性變化，在0-350 s測試過程中，由于Tfac一直居高不下，導致M一直增加，當Tmp上升后，Tfac下降，M也隨之下降。出現這個現象的主要是由于實際環境下，如果環境氣溫較低，發動機運行時間較短的情況下，會導致Tmp上升速度慢，從而延長了啟動時長。

圖1

圖2為記錄的連續多個發動機啟動過程中，每一次啟動所有時間（Tfac）以及啟動修正的啟動扭矩（M）。圖2（a）為Tfac＞Tthdup時測試的Tfac與M的數據，圖中顯示，當Tfac增加，M也隨之增加，但有大約一次啟動次數的延遲。這是由于設計模型中，下次啟動M的值與上一次啟動Tfac值直接相關，所以M值的變化規律與Tfac值的變化規律有一次啟動的差距。圖2（b）為Tfac＜Tthdup時測試的Tfac與M的數據，數據顯示當Tfac減少，M值隨之減少；但是，圖2（a）（b）中Tfac與M值的變化并不是線性的，而是一定程度上呈周期性變化，這是由于當前的Tfac計算的F值處于Fmin＜F＜Fmax（Fmin=-4, Fmax=4）范圍時，計算M值公式中的Tini值并不會變化，當F＞Fmin或F＜Fmin時，模型會通過加減DeltaT來修飾Tini。

圖2

為了進一步觀察Tmp與M的變化關系，繪制了每次啟動過程中Tmp與M的變化關系如圖3。其中圖3(a)為Tfac＞Tthdup時測試的M及Tmp，其中圖3(b)為Tfac＜Tthddown時測試的M及Tmp。圖中顯示，當溫度上升， M值隨著溫度周期性變化。但是由于Tini的存在，Tfac的變化率也直接影響了M值的變化，導致圖中有未嚴格按照溫度變化規律來變化的點，如圖3（b）中Count(39)的點。此時溫度下降，而M值也隨之下降。這是由于當前啟動的F值小于-4，導致Tini值被修正，從而M值下降。

圖3

3 結語

干式離合器由于其零件特性，無法支持長時間的滑摩。對于離合器能量的精確使用和精確的啟動控制是延長離合器使用壽命的重要手段。本文通過對輸入的發動機水溫、上一次啟動過程的消耗時間以及本次啟動的消耗時間進行分析，自動調節每一次啟動時離合器需求扭矩，控制離合器啟動能量損耗在一定的范圍內，同時也能夠輔助提高啟動過程的一致性。同時，通過軟件邏輯多次自學習調節的方法，獲得更加智能的啟動控制過程，也為智能車輛控制的方法提供了參考。