基于時間尺度的發(fā)動機(jī)起動控制策略

摘要：基于某款“P2+P4”架構(gòu)混動汽車，以研究發(fā)動機(jī)起動控制和優(yōu)化發(fā)動機(jī)起動時間為目的，研究了一種基于時間尺度的發(fā)動機(jī)滑摩起動離合器扭矩自學(xué)習(xí)策略。研究的策略是根據(jù)發(fā)動機(jī)滑摩起動過程中離合器輸出扭矩大小，發(fā)動機(jī)起動完成消耗的時間以及設(shè)置的時間容忍度范圍等動態(tài)調(diào)節(jié)離合器輸出扭矩值。通過離合器扭矩自學(xué)習(xí)達(dá)到減少發(fā)動機(jī)起動受不同車輛離合器扭矩傳遞特性影響的目的，保證發(fā)動機(jī)滑摩起動的一致性。

關(guān)鍵詞：混動汽車；離合器扭矩自學(xué)習(xí)；時間尺度

中圖分類號： U464.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著我國碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)明確，降低汽車的油耗和污染物的排放，是汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向之一[1]，這也將進(jìn)一步推動我國新能源和混動汽車市場持續(xù)發(fā)展。《節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》的發(fā)布揭示了混動汽車市場仍然蘊藏著巨大的發(fā)展空間。在當(dāng)前新能源汽車快速發(fā)展的背景下，混合動力汽車作為一種過渡性的技術(shù)，在節(jié)能減排、降低能耗、提升動力性能等方面具有獨特優(yōu)勢。隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新和成本不斷下降，混動汽車將繼續(xù)在汽車市場中扮演重要角色，為我國節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整作出重要貢獻(xiàn)。

混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)是由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和電力驅(qū)動系統(tǒng)組成，通過先進(jìn)的車輛控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的工作區(qū)間和起停進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)[2-3]。混合動力汽車的能量來源有發(fā)動機(jī)和動力電池，故混動車需要在駕駛循環(huán)中動態(tài)調(diào)整動力電池的電量和發(fā)動機(jī)工作時間。

本文研究基于一種“P2+P4”構(gòu)型的混動汽車發(fā)動機(jī)啟停控制策略[4]，此架構(gòu)下發(fā)動機(jī)的起動依靠離合器輸出的扭矩實現(xiàn)，而通常離合器輸出的扭矩是按照預(yù)設(shè)的曲線輸出，即離合器輸出的扭矩也是固定。而隨著混合動力車輛的使用，發(fā)動機(jī)的靜態(tài)阻力矩和離合器傳遞特性等都可能發(fā)生變化，離合器輸出固定的扭矩，可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起動失敗，從而使得混合動力車輛需要進(jìn)行發(fā)動機(jī)的多次起動，帶來混合動力車輛的起動駕駛性差的問題。本文將使用時間尺度方法，動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)起動時間和扭矩，達(dá)到優(yōu)化發(fā)動機(jī)起動駕駛性不一致問題。

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混動系統(tǒng)通常按照電機(jī)分布位置不同來進(jìn)行分類。如圖1 所示，混動系統(tǒng)上通常有6 種電機(jī)的分布位置。P0 ：電機(jī)位于發(fā)動機(jī)前端皮帶上。P1：電機(jī)位于發(fā)動機(jī)曲軸上，與發(fā)動機(jī)剛性連接。P2 ：電機(jī)位于發(fā)動機(jī)與變速器之間，位于離合器之后。P3 ：電機(jī)位于變速器輸出端，與發(fā)動機(jī)共享一根軸，同源輸出。P4 ：電機(jī)與發(fā)動機(jī)軸分離，通常用于驅(qū)動無動力的車輪[5]。

本文研究的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為“P2+P4”結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)、K0 離合器、P2 電機(jī)和AMT 變速器安裝在前軸，P4 電機(jī)安裝在驅(qū)動后軸，K0 離合器安裝在發(fā)動機(jī)和P2 之間，P2 和AMT之間沒有離合器，P4 固定安裝在后軸上。混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

通過這種“P2+P4”混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以實現(xiàn)前后軸的混合動力驅(qū)動，有效提高車輛的動力性能和燃油效率。該系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)、電機(jī)和變速期等關(guān)鍵部件合理配置在車輛的前后軸上，通過各種部件之間的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)更加靈活高效的動力輸出和能量利用，為車輛提供更為可靠和高性能的動力支持。

2 發(fā)動機(jī)起動控制

2.1 發(fā)動機(jī)起動類型

本論文研究的“P2+P4”架構(gòu)混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)起動方式共包括3 種方法，分別是12 V 起動、空擋起動和滑摩起動。

首先是12 V 起動，這種起動方式適用于環(huán)境溫度極低或高壓系統(tǒng)失效的情況，例如電機(jī)或動力電池失效。起動條件要求車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，離合器處于打開狀態(tài)，離合器不傳遞扭矩。當(dāng)起動完成后，離合器將參與傳遞扭矩的功能。

其次是空擋起動，該起動方式適用于變速器處于空擋狀態(tài)時起動發(fā)動機(jī)。在起動過程中，電機(jī)以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式運行。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速并且離合器完全閉合且轉(zhuǎn)速差消除時，退出空擋起動過程。

最后是滑摩起動，這種起動方式適用于車輛行駛中需要起動發(fā)動機(jī)的情況。在滑摩起動過程中，需要通過增加K0 離合器的扭矩并通過電機(jī)來補償該扭矩來起動發(fā)動機(jī)。混合過渡扭矩分配完成后，如果離合器完全關(guān)閉，則轉(zhuǎn)換成功完成，發(fā)動機(jī)起動成功。

通過這3 種起動方式的靈活應(yīng)用，能夠滿足不同工況下的起動需求，提高混合動力系統(tǒng)的可靠性和性能。這種起動方式的選擇和切換，使得發(fā)動機(jī)能夠在不同情況下高效起動，并實現(xiàn)平穩(wěn)的動力輸出和順暢的駕駛體驗。

2.2 發(fā)動機(jī)滑摩起動過程時序

發(fā)動機(jī)滑摩起動過程時序圖如圖3 所示，滑摩起動可以分為5 個階段，具體如下。

2.2.1 S1 階段

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速拉升過程。在這個階段中，通過加載離合器扭矩和P2 電機(jī)的扭矩補償，使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速提升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以確保輪端扭矩平穩(wěn)無突變。同時，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)送噴油點火指令給發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)（Engine Management System，EMS）。

2.2.2 S2 階段

離合器打開的過程。在這一階段，根據(jù)發(fā)動機(jī)與電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差閾值查表，開始逐漸打開離合器，并根據(jù)轉(zhuǎn)速差值動態(tài)調(diào)節(jié)離合器扭矩，以確保發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)爬升。

2.2.3 S3 階段

轉(zhuǎn)速同步的過程。通過發(fā)動機(jī)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速差值，在表格中獲取加載離合器扭矩以消除轉(zhuǎn)速差，并為EMS 提供一定的扭矩，以確保轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。

2.2.4 S4 階段

離合器閉合的過程。在轉(zhuǎn)速同步后，離合器扭矩會逐漸恢復(fù)至250 N · m，為下一步的階段做準(zhǔn)備。

2.2.5 S5 階段

起動完成扭矩輸出階段。在這個階段，起動過程完成，車輛轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，各部件正常運作，起動扭矩輸出到傳動系統(tǒng)，確保車輛能夠平穩(wěn)起動并順利行駛。

通過以上5 個階段的流程控制和扭矩調(diào)節(jié)，滑摩起動過程能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)的有效起動，并保證起動過程的平穩(wěn)性和可靠性。滑摩起動的S1 過程依賴離合器來傳遞起動扭矩到發(fā)動機(jī)， 目前起動發(fā)動機(jī)的離合器控制通常采用固定值起動過程如圖4 所示，有以下缺陷。