趙 峰，羅禹貢,張 娜，李克強

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

汽車急加速時，加速踏板行程大幅度變化，為了滿足動力性需求，混合氣瞬間加濃，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩急劇變化，導(dǎo)致整車動態(tài)油耗的增加和排放的惡化[1]。對于多動力源的混合動力汽車，可利用電機動態(tài)響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩控制精確等優(yōu)點對總需求轉(zhuǎn)矩進行動態(tài)補償，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化速率，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩盡可能平穩(wěn)變化，降低急加速過程的動態(tài)油耗。

豐田PRIUS[2-3]通過特有的行星齒輪結(jié)構(gòu)，利用發(fā)電機的調(diào)速作用和電動機的轉(zhuǎn)矩補償作用，成功地降低了加速過程中的動態(tài)油耗。文獻[4]和文獻[5]中分別開展了柴油機混合動力汽車加速工況優(yōu)化控制研究，通過限制柴油機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，降低了柴油機加速過程中的動態(tài)油耗和排放，同時利用電機轉(zhuǎn)矩補償策略，保證了加速過程的動力性，但是兩者的研究均停留在仿真階段，缺乏進一步的實車道路驗證。文獻[6]在此基礎(chǔ)上考慮了發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量對動態(tài)油耗的影響，但同樣沒有進行實車道路驗證。

本文中針對混合動力汽車急加速工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程，提出了一種基于轉(zhuǎn)矩動態(tài)補償?shù)幕旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法。首先通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化速率的限制，避免了發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程中動態(tài)油耗的增加。然后利用電機轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制精確等優(yōu)點，進行轉(zhuǎn)矩補償，避免了整車動力性的下降。最后進行了實車試驗，試驗結(jié)果表明，該動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法能夠在保證整車動力性的前提下，改善混合動力汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程的燃油經(jīng)濟性。

1 研究對象

本文中的研究對象如圖1所示。該混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)由發(fā)動機、主電機PM、副電機BSG、機械式自動變速器AMT和動力電池等主要部件組成。其中主電機PM被布置在AMT后端，用于驅(qū)動或者進行制動能量回收，副電機BSG被連接于發(fā)動機前端，用于給電池充電或者快速起動發(fā)動機。

2 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制

針對急加速等工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變時發(fā)動機動態(tài)油耗增加和排放惡化等問題，設(shè)計了如圖2所示的混合動力汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括駕駛員操作、能量管理策略、動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略、部件執(zhí)行系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)。

其中，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動協(xié)調(diào)控制策略包括進入退出控制算法、基于斜率限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制策略和基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉(zhuǎn)矩控制策略。進入退出控制算法用于判斷是否進行動態(tài)協(xié)調(diào)?；谛甭氏拗频陌l(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制策略和基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉(zhuǎn)矩控制策略，通過協(xié)調(diào)控制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩，在保證整車動力性的前提下，有效減小發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程的動態(tài)油耗。

2.1 進入退出控制算法

設(shè)計的進入退出控制算法如圖3所示。

圖中：Brks為制動信號；ShifC為換擋命令；α為加速踏板行程；c0為加速踏板行程變化率門限值；Ictl為協(xié)調(diào)控制命令；Ictl_last為上一時刻的協(xié)調(diào)控制命令；Telim為斜率限制后的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；δ為轉(zhuǎn)矩差門限值。

首先，對制動信號Brks、換擋命令ShifC和混合動力工作模式M進行判斷。當(dāng)制動信號Brks不為0、換擋命令ShifC不為0或者工作模式M不為1、2或7時，即駕駛員踩下制動踏板、自動變速器發(fā)生換擋或者混合動力系統(tǒng)不工作在發(fā)動機單獨驅(qū)動、電動助力或傳統(tǒng)車模式時，不進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制；當(dāng)同時滿足駕駛員沒有進行制動，自動變速器沒有發(fā)生換擋，混合動力系統(tǒng)工作在發(fā)動機單獨驅(qū)動、電動助力或傳統(tǒng)車模式，且加速踏板行程變化率大于c0時，進入發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制；進入動態(tài)協(xié)調(diào)控制后，直至加速踏板行程變化率小于等于c0，且經(jīng)斜率限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Telim與能量管理策略制定的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Ter之差小于等于δ時，退出動態(tài)協(xié)調(diào)控制。

2.2 基于斜率限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制策略

混合動力汽車急加速時，可以充分利用混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)變化，以達到降低加速過程動態(tài)油耗的目的。

本文中研究的混合動力汽車，在發(fā)動機參與工作的各種工作模式下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速成固定比例關(guān)系，因此難以通過控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速來降低加速過程中的動態(tài)油耗。但是，可以充分利用位于AMT后端的主電機的動態(tài)響應(yīng)特性，控制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的變化速率，以達到降低加速過程中動態(tài)油耗的目的。

為了驗證上述思想，在相同車輛狀態(tài)、相同駕駛員輸入的前提下，針對不同發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化速率進行了實車試驗，結(jié)果如圖4所示。

由圖可見，通過改變發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的變化速率，能夠降低其動態(tài)油耗。

根據(jù)以上分析，設(shè)計了基于斜率限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制策略，其計算公式為

(1)

動態(tài)協(xié)調(diào)過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的變化速率控制在K以內(nèi)，直至退出動態(tài)協(xié)調(diào)控制。未進入動態(tài)協(xié)調(diào)控制時，發(fā)動機仍然執(zhí)行能量管理策略制定的發(fā)動機期望轉(zhuǎn)矩，即

(2)

2.3 基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉(zhuǎn)矩控制策略

動態(tài)協(xié)調(diào)過程中，設(shè)計的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制策略對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的變化率進行了限制，此時發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足駕駛員需求。因此，須利用動態(tài)響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩控制精確的主電機，對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩受限部分進行動態(tài)補償，保證動態(tài)協(xié)調(diào)過程中發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和電機輸出轉(zhuǎn)矩之和仍能滿足駕駛員驅(qū)動總需求。

針對以上問題，設(shè)計了基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉(zhuǎn)矩控制策略，其計算公式為

(3)

動態(tài)協(xié)調(diào)過程中，主電機對駕駛員需求驅(qū)動總力矩Treq(k)和實際發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Teact(k)的差值進行動態(tài)補償；未進入動態(tài)協(xié)調(diào)控制時，主電機仍然執(zhí)行能量管理策略制定的期望電機轉(zhuǎn)矩，即

(4)

3 實車驗證

為了驗證所提出的混合動力汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法的有效性，基于dSPACE開發(fā)了如圖5所示的試驗系統(tǒng)，對某款重度混合動力汽車進行試驗。

基于上述測試系統(tǒng)，設(shè)計了如表1所示的試驗工況。全部試驗均在長春農(nóng)安試車場完成。

為了便于對比有無動態(tài)協(xié)調(diào)控制的控制效果，要求測試工況具有重復(fù)性，因此試驗過程中的加速踏板行程由試驗人員通過dSPACE手動輸入，輸入的加速踏板行程如圖6所示。無動態(tài)協(xié)調(diào)控制時的試驗結(jié)果如圖7所示。

表1 試驗工況

由圖可見：23.4s時加速踏板行程開始迅速增大，發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩從60瞬間增大至100N·m以上，由于該發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)速度較慢，0.4s后發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩達到目標值，此時車輛處于發(fā)動機單獨驅(qū)動模式，主電機不參與工作；直至24.9s，換擋命令變?yōu)?，開始換擋，能量管理策略制定的需求發(fā)動機轉(zhuǎn)矩減小、需求電機轉(zhuǎn)矩增加；從23.4到24.9s為典型的急加速過程，統(tǒng)計該過程的平均加速度和平均瞬時油耗分別為0.6m/s2和4.13mL/s。

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩斜率限制為18N·m/s時的試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖可見：24.81s時加速踏板行程迅速增大，進入動態(tài)協(xié)調(diào)控制，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩跟隨動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略制定的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩命令以低于18N·m/s的速率緩慢上升，電機動態(tài)補償發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩與能量管理策略制定的發(fā)動機期望轉(zhuǎn)矩之間的差值；29.59s時換擋命令從0變?yōu)?，開始換擋，為了避免與換擋過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略發(fā)生沖突，退出本文中設(shè)計的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制；24.81到29.59s的平均加速度增大為0.7m/s2，平均油耗減小為2.43mL/s；相比于沒有動態(tài)協(xié)調(diào)控制時，動態(tài)油耗減小41%，加速性能提高17%。

加速性能的提高是因為試驗車輛所配發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)特性較差，無動態(tài)協(xié)調(diào)控制時，急加速初期發(fā)動機無法快速響應(yīng)發(fā)動機期望轉(zhuǎn)矩的突然變化，0.4s后才達到目標值，如圖7(c)所示；有動態(tài)協(xié)調(diào)控制后，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩命令平穩(wěn)變化，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩能夠很好地跟隨命令值，如圖8(c)所示，同時還利用電機對發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩和期望轉(zhuǎn)矩的差值進行了動態(tài)補償。因此，進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制后，不僅能夠降低加速過程中的動態(tài)油耗，也能夠改善整車的動力性。

為了進一步說明本文中提出的動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法的控制效果，對表1中所設(shè)計的各種工況的試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，具體如表2所示。

表2 試驗結(jié)果統(tǒng)計

由表可見：無動態(tài)協(xié)調(diào)控制時平均加速度為0.597m/s2，平均瞬時油耗為4.2mL/s；發(fā)動機轉(zhuǎn)矩限制斜率為50N·m/s時平均加速度為0.655m/s2，平均瞬時油耗為3.63mL/s；發(fā)動機轉(zhuǎn)矩限制斜率為30N·m/s時平均加速度為0.65m/s2，平均瞬時油耗為3.4mL/s；發(fā)動機轉(zhuǎn)矩限制斜率為18N·m/s時平均加速度為0.695m/s2，平均瞬時油耗為2.46mL/s。

因此，上述統(tǒng)計結(jié)果說明動態(tài)協(xié)調(diào)控制時隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)矩限制斜率的下降，加速過程中的動態(tài)油耗呈下降趨勢，加速度呈增大趨勢。與無動態(tài)協(xié)調(diào)控制相比，提出的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法能夠有效地降低加速過程中發(fā)動機的動態(tài)油耗，提高整車的動力性。

4 結(jié)論

本文中以某款重度混合動力汽車為研究對象，提出了一種基于轉(zhuǎn)矩動態(tài)補償?shù)幕旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變過程動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法。設(shè)計的基于斜率限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制策略避免了加速過程中動態(tài)油耗的增加。利用電機轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制精確的優(yōu)點，設(shè)計了基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉(zhuǎn)矩控制策略，在有效降低動態(tài)油耗的同時保證了車輛的加速性能。實車試驗結(jié)果表明，該動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法能夠同時改善混合動力汽車加速時的燃油經(jīng)濟性和動力性。

[1] 王存磊,殷承良,羅剛,等.ISG混合動力汽車起動及加速策略[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2012,30(1):79-85.

[2] Sasaki S, Takaoka T, Matsui H, et al. Toyota’s Newly Developed Electric-Gasoline Engine Hybrid Powertrain System[C]. EVS14:1-8.

[3] Michael Douba, Henry Ng, Robert Larsen. Characterization and Comparison of Two Hybrid Electric Vehicles(HEVs)-Honda Insight and Toyota Prius[C]. SAE Paper 2001-01-1335.

[4] 袁銀男,王忠,梁磊,等.ISG混合動力汽車加速扭矩補償策略與仿真[J].車用發(fā)動機,2009(1):27-30.

[5] 何建輝,何林.雙離合器混合動力系統(tǒng)瞬態(tài)工況的仿真[J].中南大學(xué)學(xué)報,2011,42(1):73-79.

[6] 葉心,秦大同.胡明輝,等.ISG型中度混合動力轎車油門動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2010,33(11):1-6.