考慮起步意圖的P3構型AMT-PHEV雙層模糊起步控制策略研究

羅 勇，柳明生，闞英哲，鄧云霄，褚清國，張嘉璐

(1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054；2.重慶青山工業有限責任公司， 重慶 400054)

0 引言

隨著石油資源的短缺和大氣污染日益加劇，傳統燃油汽車發展受到油價上漲和污染環境的雙重困境。插電式混合動力汽車具有低能耗、低排放等優點，且駕駛員無里程焦慮問題，具有廣闊的市場前景，受到各大汽車廠家重視。

插電式混合動力汽車按照驅動電機安裝位置的不同，可分為P0、P1、P2、P3和P4等構型。其中P3構型PHEV電機安裝在變速器輸出軸端，能夠直接驅動汽車行駛，較其他構型在純電模式和能量回收模式下效率更高[1]。基于AMT的P3構型PHEV結構如圖1所示，在AMT的輸出軸上耦合P3電機，在起步換擋等動態過程中，P3電機可直接輸出扭矩作用在變速器輸出端，從而在離合器斷開時為汽車提供動力。起步或換擋完成后發動機介入，電機緩緩減少驅動力矩，最后退出，全程沒有產生動力中斷，能大大增加換檔時駕駛體驗。該結構可大大減小傳統AMT在起步換擋過程中的沖擊度和滑摩功，實現近似無動力中斷的起步和換擋。

圖1 基于AMT的P3構型PHEV結構示意圖

車輛起步過程中的離合器自動結合控制是關鍵，其中結合速度的控制是核心和難點。其控制目標包括：① 車輛起步過程平穩，沖擊度小；② 滑摩功盡可能小，以提高離合器使用壽命；③ 滿足駕駛員在不同工況下的起步意圖。沖擊度和滑摩功是一對相互矛盾的指標，需要根據駕駛員的起步意圖和當前坡度的情況綜合控制結合速度，以協調二者之間的關系。

國內外學者針對上述問題展開了廣泛研究，雷雨龍等[2]提出發動機恒轉速控制原則，減小了滑摩功，提高了離合器結合壽命；孫冬野等[3]在此基礎上提出發動機局部恒轉速控制原則，進一步減小了結合時產生的滑摩功；Knut Nomlgard[4]、肖勇明等[5]基于駕駛員經驗，采用模糊控制反應駕駛員意圖，以實現不同駕駛意圖下沖擊度和滑摩功的協調控制；秦大同等[6]采用線性二次型最優控制方法，將沖擊度轉化為約束條件，以滑摩功最小為目標，對起步過程進行優化控制。

從當前的研究可以看出，考慮駕駛意圖對沖擊度和滑摩功進行協調控制，能夠契合駕駛員的需求，增強駕駛舒適性和滿意度。常采用模糊控制對駕駛意圖進行判斷，但單層模糊控制存在輸入變量較多，實時性和參數調整較為復雜等問題。本文以基于AMT的P3構型PHEV為研究對象，提出一種考慮起步意圖的雙層模糊起步控制策略，第一層模糊控制器通過駕駛員操作對駕駛意圖進行判斷，得出基于駕駛意圖的沖擊度和滑摩功調節因子。第二層模糊控制根據基于駕駛意圖的調節因子對離合器結合速度進行調節。對基于AMT的P3構型PHEV起步動力學過程進行分析，并搭建其仿真模型，將雙層模糊控制和局部恒轉速控制進行仿真對比，以驗證雙層模糊起步控制策略的控制效果。

1 AMT-PHEV起步動力學分析

1.1 離合器結合過程分析

離合器起步過程大致可以分為3個階段，起步結合過程示意圖如圖2，其中，ne為發動機轉速，r/min，nc為離合器轉速，r/min，Te為發動機輸出轉矩，N·m；Tc為離合器傳遞的轉矩，N·m；Tf為地面阻力矩，N·m；L0為空行程，mm，LH為半結合點，mm。

圖2 離合器起步結合過程示意圖

1) 空行程階段t0～t1：在此階段發動機維持怠速階段，離合器主、從動盤尚未發生接觸，對沖擊度和滑摩功不產生影響，因此要求離合器此時以最大速度進行結合，縮短起步時間。

2) 滑摩階段t1～t2：當離合器走完空行程L0時，以較小速度進行結合，此時由于作用在從動盤阻力矩的存在，需要在t3時刻到達半結合點LH，Tc=Tf時從動盤才開始轉動，因此，在此階段從動盤不轉動。

3) 滑摩階段t2～t3：從動盤開始轉動，摩擦轉矩Tc小于發動機轉矩Te，因此主動盤在此階段轉速一直在增加，直到t3時刻兩者轉矩相等，主動盤轉速不再增加。由于主、從動盤轉速差較大，所以此段需要以較小的結合速度維持結合。

4) 滑摩階段t3～t4：發動機轉矩Te小于摩擦轉矩Tc，主動盤轉速開始下降，主、從動盤轉速差開始降低，此階段會以較大的結合速度結合直到完成同步為止。

5) 同步階段t4～tn：當主、從動盤轉速達到一致時便進入同步階段，車輛成功起步，由于主、從動盤轉速已經同步，不會再產生沖擊度，剩下的行程以最大結合速度完成結合。

1.2 AMT-PHEV離合器起步過程動力學分析

車輛傳動系統十分復雜，為了簡化模型，忽略傳動軸的剛度和阻尼，AMT-PHEV起步過程動力學模型如圖3所示。

圖3 AMT-PHEV起步過程動力學模型示意圖

圖3中，Te為發動機輸出轉矩，N·m；Tc為離合器傳遞的轉矩，N·m；Tf為地面阻力矩，N·m；ωe為離合器主動盤轉動角速度，rad/s；ωc為離合器從動盤轉動角速度，rad/s；Ie為發動機曲軸、連桿、飛輪等部件等效至飛輪中心線的轉動慣量，kg·m2；I0為汽車質量等效至變速器輸入軸上的轉動慣量，kg·m2；i0為傳動系的速比。

根據起步時離合器工作狀態的不同，將其分為3個階段：

1) 消除空行程階段

此時主、從動盤沒有發生接觸，主動盤轉速與發動機轉速相同。

(1)

離合器不傳遞力矩，轉矩為零。

Tc=0

(2)

2) 滑摩階段

主動盤端受力：

(3)

從動盤端受力：

(4)

此時離合器傳遞的摩擦轉矩：

Tc=2rckcfcLx

(5)

式中：kc為波形彈簧的剛度系數，取1 399 N/mm，fc為摩擦片的摩擦因數，取0.25;Lx為離合器的結合位移；rc為離合器摩擦片有效工作半徑，通過下式計算得到：

(6)

式中：r0為摩擦片外徑，m；r1為摩擦片的內徑,m。

3) 離合器同步階段

此時主、從動盤轉速相同，離合器傳遞的轉矩為靜摩擦轉矩：

(7)

因為相較于整車轉動慣量，發動機轉動慣量較小，因此可以近似認為離合器傳遞的轉矩等于發動機轉矩，因此有下式：

ωe=ωc

(8)

(9)

2 AMT-PHEV雙層模糊起步控制策略

2.1 起步過程的評價指標

由于汽車起步過程復雜，影響因素眾多，通常以起步過程的沖擊度和滑摩功衡量汽車起步的品質[7]。

1) 沖擊度

汽車起步沖擊度定義為起步過程中汽車縱向加速的變化率，能定量地評價駕駛員的沖擊感受，反映起步的平穩性。沖擊度表達式為：

(10)

式中：δ為汽車的旋轉轉換系數，取1.02；J為沖擊度，m/s3，德國推薦值[J]≤10 m/s3，我國推薦值[J]≤17.64 m/s3。

2) 滑摩功

滑摩功的定義為離合器結合過程中機械能轉換為熱能的值[8-9]。滑摩功是由于離合器在主從動部分之間在摩擦力矩作用下相互滑動的結果，滑摩功由兩部分組成：

(11)

式中：t1是離合器走完空行程所經歷的時間；t2是離合器達到半結合點所經歷的時間；t1～t2產生的滑摩功為靜態滑摩功，一般值都較小；t4是汽車開始起步到離合器完全同步所經歷的時間，這段時間產生的滑摩功稱為動態滑摩功，占總滑摩功的大部分。

2.2 最大結合速度的計算

通過式(5)和式(10)可知，沖擊度的大小主要由摩擦轉矩Tc決定，Tc的大小與離合器的結合位移有關，將兩式結合有[10]：

(12)

式中：m為汽車的質量，kg；Vc為離合器的結合速度，mm/s；rv為汽車的車輪滾動半徑，m。

如果以最大沖擊度Jmax代入計算即可得到離合器在結合過程中的最大結合速度Vcmax。

2.3 離合器空行程的修正

離合器空行程的判斷對于起步至關重要，在空行程階段離合器以最大結合速度結合，之后再以較慢的速度結合至主、從動盤同步完成。如果空行程判斷錯誤，離合器主動盤會以最大結合速度與從動盤接觸，造成較大沖擊度，如圖4所示，是離合器空行程判斷超過實際量的0.1 mm而造成較大沖擊。

圖4 起步過程沖擊度曲線

影響空行程的因素3個：摩擦片的磨損、汽車負載和道路摩擦因數的變化。摩擦片的磨損過程較為復雜，很難定性分析，因此忽略摩擦片的磨損[11]。

以汽車前一次控制器儲存的半結合點位置為基準，得到本次起步的空行程預估值[12]：

(13)

式中：x0為本次起步的空行程預估量，mm；x1為上次起步離合器的半結合點，mm；M1為上次起步汽車的總質量，kg；f為本次汽車起步道路的摩擦因數。通過計算得到在不同道路摩擦因數和載重下汽車空行程如表1所示。

表1 修正后的空行程

2.4 雙層模糊控制起步策略

雙層模糊控制在汽車起步過程中發動機轉速不再保持恒定，呈先上升后下降的趨勢，對比局部恒轉速起步可以有效地減少起步時間和沖擊度。雙層模糊控制結構如圖5所示[13]。

圖5 雙層模糊控制結構框圖

第一層模糊控制為駕駛意圖模糊控制器，通過加速踏板開度和開度變化率來推測駕駛員的起步意圖[14]。加速踏板開度越慢，則需要平穩起步，開度越大，則需要快速起步。開度變化率也是說明駕駛員意圖的一個參數，變化率越大則越趨向急起步，反之相同。

第二層模糊控制為結合速度的模糊控制器，通過起步意圖和主、從動盤轉速之比，得到修正前的結合速度[15]。

1) 起步意圖模糊控制器

將加速踏板開度α語言變量定義為{很小、小、中、大、很大}，相應的模糊子集為{VS、S、M、B、VB}，加速踏板的論域為{0 0.125 0.25 0.375 0.5}。

輸出的駕駛員I意圖語言變量為{很小、小、中、大、很大}，對應的相應的模糊子集為{VS、S、M、B、VB}，駕駛意圖的論域為{0 1.2 2.4 3.6 4.8 6}。

駕駛意圖模糊控制器輸入和輸出隸屬函數如圖6所示。

圖6 駕駛意圖模糊控制器輸入和輸出隸屬函數曲線

根據輸入和輸出函數的隸屬函數，制定駕駛意圖模糊控制規則，如表2所示。

表2 駕駛意圖模糊控制規則

根據模糊控制規則，得到起步意圖模糊控制規則曲面，如圖7所示。

圖7 起步意圖模糊控制規則曲面

2) 結合速度模糊控制器

第二層模糊控制以駕駛員起步意圖I和主、從動盤轉速比作為輸入量，輸出量為離合器結合速度V。主、從動盤轉速比語言集為{很小、小、較小、中、較大、大、很大}，相應的模糊子集為{VS、LS、S、M、B、LB、VB}，結合速度的論域{0 1 2 3 4 5 6}，主、從動盤轉速比的論域為{0 0.167 0.333 0.5 0.667 0.833 1}。

結合速度的語言集為{很小、小、較小、中、較大、大、很大}，相應的模糊子集為{VS、LS、S、M、B、LB、VB}，結合速度的論域為{0 1 2 3 4 5 6}。

結合速度模糊控制器輸入和輸出隸屬函數如圖8所示。

根據輸入和輸出函數的隸屬函數，制定結合速度模糊控制規則，如表3所示。

表3 結合速度模糊控制規則

根據模糊控制規則，得到結合速度模糊控制規則曲面，如圖9所示。

圖9 結合速度模糊控制規則曲面

3) 結合速度的修正

傳統模糊雙層控制策略將結合速度模糊控制器輸出的值作為最終值，這種方法控制得到的滑摩功過大，緩起步時不能滿足駕駛員對舒適性起步的需求[16]。因此，經過模糊控制器得到的速度需要進一步地修正才可作為最終的結合速度值，根據模糊值器輸出的值和當前駕駛意圖得到修正后的結合速度，如圖10所示。

圖10 結合速度修正過程框圖

在急起步時，駕駛員需要縮短起步時間，此時加快結合速度，沖擊度會略微增大，但仍然在限制范圍內。緩起步時，為提高起步時的舒適性，在滑摩功限制范圍內減小結合速度，進一步地減小起步沖擊度。而在上坡起步時，因為阻力矩過大，從動盤轉速上升速度減緩，會造成滑摩功過大的問題，因此需要進一步加快結合速度。

3 AMT-PHEV建模及仿真分析

為了驗證控制器的效果，在Matlab/Simulink中搭建起步過程的控制仿真模型，并對所建立的雙層模糊控制策略進行驗證，具體如圖11所示。

圖11 AMT-PHEV起步過程的控制仿真模型示意圖

經過速度修正以后，在緩起步的最大沖擊度由9.5 m/s3減少到6 m/s3、急起步的同步時間由1.6 s減少到1.1 s，20%的坡道起步的滑摩功由9.5 kJ減少到6.5 kJ，同步時間和滑摩功都有了明顯的改善，如圖12所示。

圖12 結合速度修正后的各參數變化曲線

搭建模型后得到加速踏板開度在30%和60%的仿真結果與使用相同車輛參數的局部恒轉速控制策略得到的結果，如圖13所示。

圖13 起步踏板開度在30%～60%時的仿真結果曲線

當汽車以30%踏板開度起步時，雙層模糊控制對比局部恒轉速起步沒有優勢，除沖擊度略有減少外，滑摩功和同步時間都有增加。在60%開度起步時，雙層模糊控制的優勢開始體現，因為結合速度修正的原因，對比局部恒轉速控制，雙層模糊控制的滑摩功由4.25 kJ減小到3.75 kJ，同步時間由1.2 s減少到1.1 s，兩者都得到了減小，但是最大沖擊度卻無太大變化。此外，還需要對在100%踏板開度和最大駐車坡度10%時起步的仿真結果(如圖14所示)進行分析。

圖14 加速踏板開度100%，坡度在0%和10%時的仿真結果曲線

當加速踏板在100%開度下，由于經過修正加快了結合速度，如果是在坡道上時，則進一步加快結合速度，因此二者的最大沖擊度和滑摩功都有所減少。由圖14可以看出，雙層模糊控制的沖擊度幾乎一直小于局部恒轉矩的沖擊度，局部恒轉矩的滑摩功為6 kJ，而雙層模糊控制的滑摩功為5 kJ左右。對比在此狀況下局部恒轉速起步控制，可以看出優化后雙層模糊控制更優。

4 結論

1) 以P3構型PHEV為研究對象，針對AMT起步結合時間長，且結合效果依賴于發動機目標轉速設定等問題，提出考慮起步意圖的雙層模糊起步控制策略。

2) 分析道路坡度、駕駛員意圖和主、從動盤轉速對結合速度的影響規律，對結合速度進行修正，更能體現出不同起步意圖下駕駛員對于起步時間和沖擊度的需求，改善了在大負荷起步時的滑摩功。

3) 對影響空行程的因素進行分析，并根據不同車況對離合器空行程進行修正，保證了汽車在不同外在條件下起步時的沖擊度保持穩定。

4) 通過與局部恒轉速起步控制策略進行仿真分析，考慮起步意圖的雙層模糊起步控制策略降低了AMT起步過程的換擋沖擊度和同步時間。對比于局部恒轉矩控制，踏板開度為100%下的同步時間由1.1 s減小到0.4 s，在踏板開度為100%的10%坡度下，最大沖擊度由10 m/s3減小到9 m/s3，均能充分體現駕駛員的意圖。