劉振軍 趙江靈 秦大同 崔榮賓

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室）

CVT式耦合系統(tǒng)的混合動力汽車電機起動發(fā)動機性能研究＊

劉振軍 趙江靈 秦大同 崔榮賓

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室）

針對CVT式新型耦合系統(tǒng)混合動力汽車在模式切換過程中出現(xiàn)動力源輸出扭矩波動過大的問題進行模式分析。劃分工作模式區(qū)域，確定模式切換條件及相應動力源的目標扭矩。研究發(fā)動機和電機目標扭矩動力協(xié)調(diào)控制算法，制定模式切換過程中CVT速比控制策略。用Simulink搭建仿真模型進行仿真分析，并采用臺架試驗進行驗證。結(jié)果表明，采用該扭矩協(xié)調(diào)控制策略能有效降低模式切換過程中的扭矩波動，提高了模式切換的品質(zhì)。

1 前言

混合動力系統(tǒng)有多種工作模式，模式切換過程十分復雜。在車輛行駛過程中，需根據(jù)整車行駛狀況進行工作模式切換，而切換過程中涉及到混合動力汽車的動態(tài)過程控制。如果控制不好，可能造成傳動系統(tǒng)的動力中斷或者扭矩波動，影響整車的動力性和平順性。因此,在強混合動力汽車中，扭矩協(xié)調(diào)算法與模式切換控制策略已成為重要的研究內(nèi)容。

國內(nèi)不少學者對混合動力汽車工作模式切換中的動力源扭矩協(xié)調(diào)控制做了研究：王慶年等[1]采用基于邏輯門限值的能量管理策略，但是沒有考慮對電機扭矩的控制；童毅等[2]提出了“內(nèi)燃機扭矩開環(huán)控制+電機扭矩補償控制”；侯獻軍等[3]采用了“穩(wěn)態(tài)扭矩分配+發(fā)動機動態(tài)扭矩估計+電機扭矩補償”的動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法，但未考慮對變速器進行控制；楊陽等[4]研究了搭載AMT變速器的混合動力系統(tǒng)的模式切換；戴一凡等[5]研究的是搭載MT變速器的模式切換，而現(xiàn)在混合動力汽車發(fā)展的趨勢是采用CVT變速器。

本文以新型的單電機、CVT式強混合動力汽車為研究對象，通過對系統(tǒng)構(gòu)成和工作模式分析，結(jié)合發(fā)動機的特性與電機扭矩劃分工作模式區(qū)域，制定模式切換策略。在此基礎上，重點研究行進中電機起動發(fā)動機過程的動態(tài)扭矩協(xié)調(diào)控制策略，并進行仿真分析與臺架試驗。

2 強混合動力系統(tǒng)的組成及模式分析

2.1 系統(tǒng)組成

所研究的強混合動力汽車結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。該系統(tǒng)的特點是只有一個汽車起動發(fā)電一體機（ISG電動機），并且搭載CVT變速器。發(fā)動機和電機之間通過濕式多片離合器與單向離合器連接。

耦合機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。濕式多片離合器的使用使電機起動發(fā)動機的過程平穩(wěn)可控，且能保證電機有足夠的輸出動力，不會發(fā)生動力不足或中斷現(xiàn)象。單向離合器保證發(fā)動機起動完成后，其轉(zhuǎn)速不高于電機轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)發(fā)動機動力傳遞。

所設計的新型混合動力傳動系統(tǒng)具有相對齊全的工作模式。在不同的運行工況下，動力傳動機構(gòu)根據(jù)混合動力車輛對傳動系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)不同模式下的系統(tǒng)運行。不同工作模式下的動力耦合機構(gòu)的工作狀態(tài)及特點如表1所列。單向離合器和濕式多片離合器的工作狀態(tài)決定動力傳遞路徑，而動力源的工作狀態(tài)決定動力流動的方向，兩者共同確定整車的工作模式。

表1 工作模式狀態(tài)分析

2.2 模式分析

根據(jù)系統(tǒng)模型等效簡圖（圖3），對各種模式進行耦合分析，為制定控制策略和建立仿真模型奠定基礎。

圖3中，Te為發(fā)動機扭矩；Tm為電機扭矩；Tcl為濕式多片離合器傳遞扭矩；T為等效到變速器輸入端的阻力矩；We為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Wm為電機轉(zhuǎn)速；J1為系統(tǒng)濕式多片離合器前端的等效轉(zhuǎn)動慣量；J2為系統(tǒng)濕式多片離合器后端的等效轉(zhuǎn)動慣量。

a.純電動工況：在需求扭矩較低的運行工況下，汽車以純電動工況行駛；發(fā)動機不起動，濕式多片離合器分離，汽車所需要的動力由電機單獨提供。此時：

Te=0，ωe=0，Tcl=0，Tm-T=J2·ω˙m（1）

b.發(fā)動機單獨驅(qū)動：在此工況下，電機不輸出扭矩，由發(fā)動機單獨提供需求扭矩；由單向離合器接合傳遞扭矩，濕式多片離合器分離。此時：

c.聯(lián)合驅(qū)動：汽車運行在此模式時，由發(fā)動機與電機共同輸出扭矩來滿足所需求的扭矩；單向離合器接合傳遞扭矩。此時：

d.行車充電：當電池需要充電時，發(fā)動機不僅需要提供車輛運行所需扭矩，還要提供充電扭矩；濕式多片離合器分離，單向離合器接合，電機作為發(fā)電機給電池充電，提供負扭矩。此時：

模式切換過程中，在發(fā)動機單獨驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行車充電3種模式間切換中，不存在發(fā)動機的關(guān)閉與起動過程，易于控制。由純電動切換到含有發(fā)動機驅(qū)動的模式時，需要利用電機起動發(fā)動機，輸出扭矩容易產(chǎn)生較大的波動和沖擊，所以應該重點考慮由純電動工況起動發(fā)動機的控制（圖4）。

由純電動工況切換到發(fā)動機單獨驅(qū)動分為3個步驟：

a.汽車工作在純電動模式下（圖4a），當濕式多片離合器接到接合指令，開始接合滑磨（圖4b），主從動片有轉(zhuǎn)速差。當離合器接合，發(fā)動機起動完成后，對發(fā)動機扭矩進行控制。

b.濕式多片離合器接合，單向離合器鎖止，發(fā)動機開始輸出力矩。此時，電機并沒有立即退出工作，而是對發(fā)動機扭矩進行補償（圖4c），以避免產(chǎn)生扭矩波動，影響模式切換過程的平順性。

c.濕式多片離合器斷開，進入發(fā)動機單獨驅(qū)動模式（圖4d），動力由發(fā)動機經(jīng)單向離合器傳遞。模式切換過程中有：

3 模式切換控制策略

3.1 工作模式運行區(qū)域的劃分

在MAP圖的基礎上，結(jié)合電機的特性、發(fā)動機的經(jīng)濟性和動力性，保證電機在需要起動發(fā)動機時能夠提供足夠的起動扭矩和汽車行駛所需扭矩，而劃分工作區(qū)域如圖5所示。當汽車的工作區(qū)域越過發(fā)動機最小扭矩（Te_min）曲線時，有3種模式可以選擇，但是不論要切換到什么模式，此過程都需要在行進中電機起動發(fā)動機。其中，Te_ch表示行車充電扭矩，Tm_ass表示電機功率輔助最小扭矩。

3.2 控制策略

當車輛起步時，電池SOC值大于SOClow，電量較為充足，使用電機做為動力源完成起步。若需求扭矩Td_req＜Te_min，則汽車以純電動工況運行。當需求扭矩Td_req＞Te_min，從滿足駕駛員的需求扭矩和維持電池SOC值的角度考慮，車輛需要由電機起動發(fā)動機。表2為純電動模式切換到其它模式的切換條件和目標扭矩。通過協(xié)調(diào)發(fā)動機、電機的目標扭矩，最終實現(xiàn)發(fā)動機平穩(wěn)、快速起動。其中，SOCmin和SOClow分別表示允許放電最小值和高效區(qū)下限值，Tch_req表示充電需求扭矩，Te_max表示發(fā)動機最大扭矩，Tm_max表示電機最大扭矩，ne_min表示發(fā)動機運行的最低轉(zhuǎn)速。

純電動模式切換至發(fā)動機單獨驅(qū)動模式的切換控制流程如圖6所示。

表2 模式切換條件及目標扭矩

純電動模式時電機和發(fā)動機的初始目標扭矩為：

式中，Te_tar為發(fā)動機目標扭矩；Tm_tar為電機的目標扭矩。

對目標扭矩的控制大致分為3個階段：

第1階段：當離合器開始接合時，對電機目標扭矩進行控制，其大小與需求扭矩及離合器傳遞扭矩有關(guān):

第2階段：在此過程中發(fā)動機在電機拖動下轉(zhuǎn)速上升，直到發(fā)動機點火起動，整個過程發(fā)動機不對外輸出有效功率。

其中，t是時間變量，初值是0，逐漸增加到0.3 s，發(fā)動機的目標扭矩也由0逐漸增加到整車的需求扭矩。時間系數(shù)t還起到延時0.3 s的作用，可以使發(fā)動機的目標扭矩平穩(wěn)增加，減小突變。

第3階段：發(fā)動機此時已經(jīng)起動，但電機并沒有退出工作，而是在發(fā)動機起動后的一段時間內(nèi)繼續(xù)工作，系統(tǒng)進入短時混合驅(qū)動工作模式，以保證扭矩輸出的平穩(wěn)性，直至電機關(guān)閉。

當發(fā)動機的扭矩差值進入允許范圍時，此時電機退出補償，進入發(fā)動機單獨驅(qū)動模式，模式切換完成，此時有：

3.3 CVT速比的控制方法

3.3.1 理想速比控制

a.純電動模式

當電機運行轉(zhuǎn)速小于某設定轉(zhuǎn)速時，為保持整車有足夠的驅(qū)動力，此時CVT的速比為最大速比2.432。

當電機轉(zhuǎn)速大于某設定轉(zhuǎn)速時，為更好的實現(xiàn)電機模式與發(fā)動機模式平穩(wěn)銜接和過渡，且切換完成后，CVT目標速比不發(fā)生突變，將電機等效為發(fā)動機運行模式，并使其運行在等效發(fā)動機最佳經(jīng)濟狀態(tài)或最佳動力狀態(tài)。

b.發(fā)動機單獨驅(qū)動模式

根據(jù)發(fā)動機特性圖，通過數(shù)據(jù)擬合，找出經(jīng)濟模式或動力性模式時發(fā)動機的油門開度與對應轉(zhuǎn)速的關(guān)系，求出對應油門開度下的發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速ne，再求出目標速比im：

式中，v為實際車速；i0為主減速器速比；rt為車輪半徑。

3.3.2 PID控制

速比控制過程實質(zhì)是CVT速比變化率的控制過程。合理的確定速比變化率是CVT速比匹配的關(guān)鍵，其將直接影響到汽車的加速性能和加速時的平順性[10]。速比變化率為：

式中，k1、k2、k3分別為比例、積分、微分增益。

4 仿真

在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立整車模型并進行仿真分析，研究CVT式混合動力汽車由純電動工況起動發(fā)動機的特性。汽車由純電動工況切換到發(fā)動機單獨驅(qū)動工況的仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，初始時電機輸出扭矩約為55 N·m，汽車處于純電動模式。隨著加速踏板開度由17%增加到40%，需求扭矩增加，達到模式切換條件，需要起動發(fā)動機。汽車在5.8 s接到起動發(fā)動機指令，增加電機的目標扭矩，電機的輸出扭矩也快速響應，在7.8 s時電機輸出扭矩達到最大值（109 N·m）。當濕式多片離合器完全接合時，發(fā)動機此時可以輸出一部分扭矩。但由于發(fā)動機扭矩響應會有一定的延遲，因此電機并沒有立即退出工作，而是在減小的同時補嘗扭矩不足的部分，使總輸出滿足需求扭矩。發(fā)動機在7.8 s開始輸出正扭矩，在7.9 s濕式多片離合器完全接合，電機扭矩逐漸減小至0。

純電動模式CVT速比為2.54，在8 s時開始變化，在12 s時速比趨近于1。整個模式的切換時間為2.2 s，過程中沖擊度最大值為8 m/s3。在模式切換的過程中電機轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)較小幅度下降，而后由于發(fā)動機扭矩及轉(zhuǎn)速的升高，電機轉(zhuǎn)速在單向離合器的帶動下提升。仿真結(jié)果表明，該扭矩控制策略能滿足發(fā)動機的經(jīng)濟性，有效降低行進中起動發(fā)動機的沖擊度。

5 試驗

在仿真過程中，發(fā)動機的動態(tài)扭矩是在穩(wěn)態(tài)輸出基礎上進行相應延遲而得到的，忽略了系統(tǒng)的彈性及阻尼特性的影響，存在一定誤差。當單向離合器接合時，發(fā)動機、電機等部件均認為是剛性連接，與實際情況也有一定誤差。為了驗證該單電機、CVT式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否合理，能否順利完成由純電動工況起動發(fā)動機的過程，控制策略能否有效降低沖擊度，對其進行臺架試驗，試驗臺架原理如圖8所示，其中BCM為電磁控制器，MAB為電機控制器，IPU為集成組合動力裝置。

臺架試驗主要是為了驗證模式切換的平順性，并沒有考慮其經(jīng)濟性和動力性。設置測功機處于道路阻力模擬狀態(tài)下，通過駕駛操作分別將車速控制在10 km/h、15 km/h、20 km/h、25 km/h，試驗結(jié)果如表3所列。

由表3可知，在測功機處于道路阻力模擬狀態(tài)、不同車速時，能順利實現(xiàn)模式切換。通過試驗發(fā)現(xiàn)，速比越小，電機補償扭矩越大，車速越大，發(fā)動機的水溫越高。電機轉(zhuǎn)速波動和沖擊度的波動在中等擋位時比較小。

臺架試驗說明，該控制策略能順利完成行進中電機起動發(fā)動機的過程；仿真分析和臺架試驗均表明，采用所制定的扭矩協(xié)調(diào)控制策略能有效降低沖擊度，滿足平順性要求，所建立的模型較為合理。

6 結(jié)束語

a.對一種新型耦合系統(tǒng)的CVT式混合動力汽車進行模式分析，劃分了工作模式區(qū)域，制定了模式切換中發(fā)動機與電機的扭矩協(xié)調(diào)控制策略。

b.以整車經(jīng)濟性和平順性為重點，制定了CVT速比控制策略。

c.對由純電動起動發(fā)動機的過程進行仿真分析與臺架試驗表明，臺架試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，電機對扭矩的補償減小了狀態(tài)切換過程中總需求扭矩的波動，提高了控制效果。

表3 不同車速條件下試驗結(jié)果

1王慶年，趙子亮，劉東秦，等.并聯(lián)混合動力汽車控制策略與仿真分析研究.機械工程學報，2005，1（12）:13～18.

2童毅，歐陽明高，張俊智.并聯(lián)式混合動力汽車控制算法的實時仿真研究.機械工程學報，2003，39（10）:156～161.

3侯獻軍，杜常清，顏伏伍，等.混合動力系統(tǒng)狀態(tài)切換技術(shù)研究.內(nèi)然機工程，2009，30（16）:72～76.

4楊陽，楊文輝，秦大同，等.強混合動力汽車驅(qū)動模式切換扭矩協(xié)調(diào)控制策略.重慶大學學報，2011，34（2）:74～81，94.

5戴一凡，羅禹貢，邊明遠，等.單電機強混合動力車輛控制策略.中國機械工程，2010，21（7）:120～124.

6常城，周雅夫.混合動力電動汽車的建模與仿真研究.機械設計與制造.2009，216（02）:134～136.

7李紅朋，秦大同，楊陽，等.汽車發(fā)動機起動過程的動力學仿真.2005，28（6）:4～8.

8侯獻軍，杜常清，顏伏伍.混合動力系統(tǒng)狀態(tài)切換技術(shù)研究.內(nèi)燃機工程，2009，30（6）:72～76.

9黃偉.基于CVT的四輪驅(qū)動混合動力汽車傳動控制策略研究：[學位論文].長沙：湖南大學，2008.

10周乃威.無級變速混合動力汽車動力耦合及速比控制研究：[學位論文].長春：吉林大學，2009.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年5月24日。

Performance Study of Motor Starting Engine of CVT Hybrid Vehicle with New Coupling System

Liu Zhenjun,Zhao Jiangling,Qin Datong,Cui Rongbin
（State Key Laboratory of Mechanical Transmission of Chongqing University）

To troubleshoot the oversized output torque ripple of power source during mode switching of CVT hybrid vehicle with new type coupling system,we make mode analysis by dividing operating mode area and define mode switching conditions and target torque of corresponding power source.By studying power coordinated control algorithm of engine and motor target torque,we develop CVT speed ratio control strategy during mode switching.We use Simulink to establish simulation model for analysis and verify with bench test.The results show that this coordinated torque control strategy can effectively reduce torque ripple during mode switching,and improve mode switching quality.

Hybrid electric vehicle,CVT coupling system,Coordinated torque control, Mode switching

混合動力汽車CVT式耦合系統(tǒng)扭矩協(xié)調(diào)控制模式切換

U469.72

：A

：1000-3703（2014）03-0049-05

（國家自然科學基金）干式雙離合器耐久性設計理論與控制方法研究（基金號：51075412）。