某插電式混合動力公交客車離合器接合控制策略分析

楊 昭，李天闖

某插電式混合動力公交客車離合器接合控制策略分析

楊 昭，李天闖

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在混合動力公交客車中，整車控制系統根據工況頻繁切換車輛的驅動方式，而離合器就是驅動方式切換的一個重要部件，其工作品質決定著驅動系統的整體性能。文章通過對離合器的接合過程分析、結構建模，并對離合器接合品質的評價指標研究，建立模糊控制模型對離合器的接合過程進行控制。為實現降油耗目標，提出了在滿足汽車行駛所需轉矩的前提下，采用純電動驅動，當電機輸出轉矩不能滿足車輛行駛所需時，由電機輸出額外轉矩，帶動發動機達到一定轉速后噴油點火的模糊控制策略。在發動機點火后，使離合器主、從動盤處于滑磨狀態，待到主、從動盤轉速差較小的時候，快速接合，以達到減小沖擊、提高乘坐舒適性。

混合動力公交客車；自動離合器；舒適性；模糊控制

隨著汽車工業快速發展，汽車產銷及保有量逐年增加，化石燃料短缺、大氣污染加劇、排放法規升級，這些問題直接威脅內燃機汽車的可持續發展。因此，汽車要以清潔、環保、低油耗為發展方向。混合動力汽車是傳統內燃機與純電相結合的一種型式，可使汽車達到低能耗、低排放的目標。

混合動力公交客車使用工況具有行駛速度低、頻繁起步、停車、加速、減速等特點，為達到節油目的，需要在電機單獨驅動、發動機單獨驅動及發動機和電動機共同驅動三種模式中不斷切換，每次切換都需要離合器的分離和接合才能完成。接合過程的控制最為關鍵，既要平穩，沖擊小，保證乘坐的舒適性，又要保證離合器的使用壽命（即起步的滑磨功要小），這就需要對自動離合器接合的最佳時機及規律進行研究[1]。

1 離合器結構與數學模型建立

離合器是汽車傳動系統中與動力源直接相連的部件，主要作用是保證汽車平穩起步、換擋平順、減輕齒輪嚙合沖擊、防止傳動系統過載。膜片彈簧離合器由于轉矩容量大、穩定、操縱輕便、結構簡單且緊湊，目前被廣泛使用[2]。

膜片彈簧離合器構造簡圖如圖1所示，主要由膜片彈簧、主動盤、從動盤、離合器蓋、分離軸承總成和分離叉臂構成[2]。

圖1 膜片彈簧離合器構造簡圖

1.1 離合器接合過程分析

離合器的接合過程可分為四個階段[3]，如圖2所示，c為離合器傳遞的摩擦力矩；e為主動盤轉速；c為從動盤轉速。

圖2 離合器接合過程示意圖

1）第一階段（段）：此階段為消除空行程，無轉矩傳遞，接合速度應盡可能快，以縮短接合時間；

2）第二階段（段）：離合器主、從動片產生滑磨，此階段離合器傳遞的轉矩不足以克服阻力矩，從減少滑磨功角度考慮，此階段也要快速接合；

3）第三階段（段）：這一階段離合器向從動盤傳遞的轉矩超過了最大阻力矩。為實現平穩接合，此階段應緩慢接合，但考慮到減少滑磨功，保護離合器，此階段的接合速度又不能太慢，應合理選取接合速度[4]；

4）第四階段（段）：離合器的主、從動盤轉速基本實現同步，此階段的接合速度對沖擊度和滑磨功的影響較小，應快速接合[5]。

由上述分析可知，為達到減少沖擊度的同時減少滑磨功，離合器接合過程應遵循“快-慢-快”原則進行接合控制。

1.2 離合器接合評價標準

離合器接合的質量是以平穩性和使用壽命來評價的，即通過沖擊度和比滑磨功來度量[6-7]。

1.2.1沖擊度

沖擊度即車輛縱向加速度對時間的變化量，用表示。

式中，g為變速器傳動比；0為傳動系主減速比；為車輪滾動半徑；v為與變速器輸出軸剛性連接的整車質量轉換至輸出軸的當量慣量；c為離合器傳遞的摩擦力矩，c=(2)，其中2為離合器位移。

1.2.2比滑磨功

比滑磨功描述的是離合器單位面積摩擦盤之間滑動摩擦力做功的大小，數學表達式為

式中，1為從離合器主、從動盤開始接觸（c=0）起直到c逐漸增大到能夠克服阻力矩這一過程所經歷的時間；2為從c大于阻力矩時離合器從動盤角速度由零開始轉動起，直到c逐漸增大到離合器主動盤轉速e相等所經歷的時間；e為離合器壓盤轉速；c為離合器從動盤轉速。滑磨功還與道路阻力矩有關，道路阻力矩越大產生的比滑磨功越大。

1.3 離合器接合過程的動力學描述

離合器接合的動力學模型整車結構如圖3所示。圖3中離合器1連接發動機與電機，切斷與傳輸發動機的動力；離合器2連接電機與變速箱，控制電機輸出的動力傳輸。

圖3 整車結構簡圖

汽車的行駛需求轉矩小于電機的輸出轉矩且電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）大于最低限值（即無需充電）時，汽車處于純電動驅動工況；當汽車的需求轉矩大于電機的輸出轉矩時，驅動模式由純電動驅動向發動機驅動切換，自動離合器1開始接合，此時電機輸出額外轉矩c，通過自動離合器1帶動發動機曲軸轉動，該過程動力學方程[8]為

式中，c為離合器1傳遞的摩擦力矩；e1為發動機阻力矩；e為發動機飛輪轉動慣量；1為電機轉子轉動慣量；2為離合器從動盤轉動慣量；e為離合器從動盤轉速。

在自動離合器接合過程，當發動機轉速傳感器檢測到曲軸轉速大于900 r/min時，電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）發出發動機點火信號，發動機點火，此時發動機有轉矩輸出，但此時離合器主、從動盤的轉速尚未達到同步，離合器仍然傳遞轉矩，此時發動機輸出的轉矩和離合器傳遞的轉矩共同帶動離合器從動盤轉動，該過程的動力學方程為

式中，e2為發動機輸出轉矩。

在自動離合器接合過程中，對離合器主動盤進行受力分析如下：

式中，t為驅動輪角速度，rad/s；r為汽車行駛阻力矩，N·m；d為汽車風阻系數；為迎風面積，m2；為汽車行駛速度，km/h；為汽車質量，kg；為車輪滾動半徑，m；為汽車旋轉質量換算系數；為滾動阻力系數；v為與離合器輸出軸相連的轉動慣量，kg·m2。

此時，電動機轉動角速度m與車輪轉動角速度t的關系為

m=g0t（7）

2 自動離合器控制策略研究

模糊控制是一種面向未來的新型智能控制技術，能夠模仿人工活動在人腦中的模糊概念和成功的控制策略，運用模糊數學，可將人工控制策略用計算機去實現[9]。

2.1 模糊控制的概念與特點

模糊控制是建立在人工經驗基礎上的一種控制算法，是把熟練操作人員的實踐經驗加以總結和描述，并以通用語言表達出來，形成一種定性的、不精確的控制規則，用模糊集理論將其量化轉化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論[9]。

模糊控制系統的核心是模糊控制器，這也是模糊控制系統區別于其他控制系統的主要標志[9]。模糊控制器的結構如圖4所示，從功能上劃分，它主要由模糊化、模糊推理、模糊精確化、知識庫[10]四個部分組成。

圖4 模糊控制器

2.2 模糊系統的建立

本文將離合器接合過程中主、從動盤轉速差Δ和駕駛員油門踏板開度作為模糊控制器的輸入量，離合器的位移作為輸出量。模糊控制模型表示依據駕駛員的意圖來實現離合器的自動接合。油門踏板開度大，說明汽車需要的驅動轉矩大，離合器應盡快接合，反之應較慢接合。主、從動盤轉速差大，快速接合則沖擊度大，所以在主、從動盤轉速較大時，應緩慢接合，隨著主、從動盤轉速差的縮小，離合器的接合位移應加大，當二者接近同步時，離合器快速接合。由于離合器分離階段對沖擊度影響很小，可以快速分離，由離合器ECU發出控制信號斷開。

將離合器主、從動盤轉速差Δ和油門踏板開度的模糊語言變量劃分為{很小（VS），小（S），較小（LS），中等（M），較大（LB），大（B），非常大（VB）}；模糊論域為｛0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5, 0.6,0.7,0.8,0.9,1｝。離合器位移的模糊語言變量為{很小（VS），小（S），中等（M），大（B），很大（VB）}；模糊論域為{0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7, 0.8,0.9,1}。離合器接合過程中油門踏板開度主從動盤轉速差Δ和離合器位移的隸屬度函數如圖5所示。

根據輸入輸出的語言變量的數目，共建立了49條控制規則，離合器的模糊控制規則如表1所示；主、從動盤轉速差Δ、油門踏板開度和離合器位移的模糊控制規則插值表如圖6所示。

表1 離合器位移模糊控制規則表

模糊語言變量VSSLSMLBBVB VSBBBBBBB SMMMBSBBB LSMMBMBBBS MMMMMBSBSBS LBMMSMMBSM BLSLSLSLSMMLS VBSSLSLSLSLSLS

圖6 模糊控制規則插值表

2.3 離合器狀態判斷

在離合器的工作過程中，離合器的狀態有斷開狀態、滑磨狀態和接合狀態三種。接合以前，離合器處于分離狀態；開始接合到離合器主、從動盤轉速達到同步之前，離合器都處于滑磨狀態；同步之后接合成為接合狀態。離合器狀態的判斷在控制策略的制定上尤為重要。在本控制策略中，離合器狀態的判斷條件見式（8）－式（10）；接合狀態離合器狀態邏輯判斷框圖如圖7所示。

斷開狀態：

e-m<0且e=0 （8）

滑磨狀態：

e-m<0.01×60/2π且e>0 （9）

接合狀態：

e-m≥0.01×60/2π （10）

式中，e為發動機轉速，r/min；m為電機轉速，r/min。

圖7 離合器狀態邏輯框圖

2.4 驅動模式切換

混合動力公交客車的驅動方式有純電動驅動，發動機驅動和發動機、電機混合驅動，整車控制系統根據不同的工況要求選擇不同的驅動模式。為了達到節省燃油、降低排放的目的，在發動機轉速低于900 r/min和整車需求轉矩不大的情況下由電機驅動，當需求轉矩大于由整車控制策略制定的電機轉矩輸出界限時，由電機輸出額外轉矩，離合器帶動發動機轉動；當發動機轉速大于900 r/min時，發動機噴油點火，此時在保證需求轉矩的前提下，電機輸出轉矩逐漸減小，當離合器主、從動盤轉速達到同步時，電機關閉，完成從純電動驅動到發動機驅動的切換。當發動機輸出的最大轉矩也無法滿足整車需求轉矩時，電機再次啟動，完成發動機驅動模式到混合驅動模式的切換。

3 結論

本文分析了膜片彈簧離合器結構、工作原理以及膜片彈簧特性，建立了離合器的數學模型和膜片彈簧的力學模型，提出了在電機轉矩不足時，通過電機帶動發動機達到一定轉速后發動機點火切換動力驅動模式，并采用模糊控制理論設計了控制策略，對自動離合器的切換及切換過程進行控制，以達到降低油耗及提高換擋舒適性的目的。

[1] 張雄華.混合動力汽車電控離合器系統開發與研究[D].大連:大連理工大學,2005.

[2] 陳家瑞,馬天飛.汽車構造[M].7版.北京:人民交通大學出版社,2021.

[3] 張雄華,周雅夫,宋振寰.電機驅動是自動離合器控制與實驗[J].天津汽車,2005(1):29-32.

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[5] 單外平,李翔晟,葉文.基于可變力軌跡AMT離合器結合品質的研究[J].機械傳動, 2018,42(11):40-45.

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[10] 張曾科.模糊數學在自動化技術中的應用[M].北京:清華大學出版社,1997.

Analysis of Clutch Engagement Control Strategy of a Plug-in Hybrid Electric Bus

YANG Zhao, LI Tianchuang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

In the hybrid electric bus, the vehicle control system frequently switches the driving mode of the vehicle according to the working conditions, and the clutch is an important component of the drive mode switching, and its working quality determines the overall performance of the drive system. In this paper, a fuzzy control model is established to control the engagement process of clutch by analyzing and modeling the structure of the clutch and studying the evaluation index of the clutch bonding quality.In order to achieve the goal of reducing fuel consumption of hybrid electric vehicles, it is proposed to use pure electric drive on the premise of meeting the torque required for driving the vehicle. When the output torque of the motor cannot meet the driving requirements of the vehicle, the motor outputs additional torque to drive the engine. The control strategy of fuel injection ignition after reaching a certain speed. After the engine is ignited, the main and driven discs of the clutch are in a sliding state, and when the speed difference between the main and driven discs is small, they are quickly engaged to reduce impact and improve ride comfort.

Hybrid electric bus;Automatic clutch;Comfortability;Fuzzy control

U469.7

A

1671-7988(2023)17-119-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.021

楊昭（1989－），男，工程師，研究方向為新能源汽車，E-mail:yangzhao@sxqc.com。