劉永剛,秦大同,劉振軍,楊 陽
(重慶大學(xué),機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)
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2015009
單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)行進(jìn)間發(fā)動機(jī)起動控制策略研究*
劉永剛,秦大同,劉振軍,楊 陽
(重慶大學(xué),機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)
針對單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)行進(jìn)間發(fā)動機(jī)起動過程的平順性問題,對其起動過程進(jìn)行了動力學(xué)分析,對系統(tǒng)關(guān)鍵部件濕式多片離合器進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究,提出了行進(jìn)間發(fā)動機(jī)起動過程電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩控制策略。利用Matlab/Simulink軟件仿真平臺,進(jìn)行了起動過程的仿真分析,搭建試驗(yàn)臺對發(fā)動機(jī)起動過程進(jìn)行臺架試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的控制策略能有效保證行進(jìn)間發(fā)動機(jī)起動過程的平順性。
重度混合動力系統(tǒng);控制策略;仿真;試驗(yàn)
ISG型輕度或中度混合動力汽車,由于本身結(jié)構(gòu)和電機(jī)功率的限制,無法實(shí)現(xiàn)純電動驅(qū)動工況,因而節(jié)油率受到限制。重度混合動力系統(tǒng)具有純電動工作模式,在低速時可以純電機(jī)驅(qū)動行駛,中高速時須切換至發(fā)動機(jī)驅(qū)動或電機(jī)與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動行駛,從而減少發(fā)動機(jī)在低速和低負(fù)荷非經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)域工作,進(jìn)一步提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)平順性控制是重度混合動力汽車需要解決的關(guān)鍵問題之一。
文獻(xiàn)[2]中運(yùn)用二次型最優(yōu)控制算法進(jìn)行HEV純電動切換到發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式過程中離合器、制動器和電機(jī)的研究,實(shí)現(xiàn)了HEV傳動系統(tǒng)的平順切換。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中研究了行進(jìn)中起動發(fā)動機(jī)過程的動態(tài)協(xié)調(diào)控制,通過PID控制器對限力矩離合器目標(biāo)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),有效地解決了發(fā)動機(jī)起動過程中對傳動系統(tǒng)的沖擊問題。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中對基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的新型混合動力系統(tǒng)由純電動驅(qū)動切換至發(fā)動機(jī)驅(qū)動過程中的轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行研究,對離合器接合過程采用模糊控制,并采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩變化進(jìn)行補(bǔ)償控制策略,有效減少了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的波動。文獻(xiàn)[7]中對并聯(lián)式混合動力汽車起動發(fā)動機(jī)過程采用離合器轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制和離合器滑摩閉環(huán)控制相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的平穩(wěn)起動。研究表明,為了保證起動發(fā)動機(jī)過程的平順性,離合器轉(zhuǎn)矩與電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩之間需要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,但實(shí)現(xiàn)難度較大。同時,由于起動發(fā)動機(jī)過程時間非常短暫,離合器壓力響應(yīng)存在滯后等問題,實(shí)現(xiàn)離合器轉(zhuǎn)矩精確控制增加了控制系統(tǒng)的難度。本文中所進(jìn)行的研究單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、單向離合器、濕式多片離合器、ISG電機(jī)和無級自動變速器(CVT)組成。其中,單向離合器正向傳遞發(fā)動機(jī)動力,反向時不起作用;濕式多片離合器僅在起動發(fā)動機(jī)的過程中通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使其接合,其他時間處于分離狀態(tài)。通過此新型混合動力傳動系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)混合動力汽車各種工作模式,與傳統(tǒng)的雙電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,成本較低,對控制系統(tǒng)的要求相對簡單且容易實(shí)現(xiàn)[8]。
首先建立重度混合動力系統(tǒng)行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型,分析濕式多片離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性,以保證行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程整車的平順性為目標(biāo),提出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略,建立了動力傳動系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析,最后,搭建了臺架系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明,本文中所提出的電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩控制方法對行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程的平順性具有良好控制效果。
車輛處于純電動運(yùn)行狀態(tài)下,由于加速或爬坡等因素,需要接合濕式多片離合器以起動發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動。此時電機(jī)在提供車輛行駛所需驅(qū)動力的同時,還須配合濕式多片離合器的接合過程,提供起動發(fā)動機(jī)所需轉(zhuǎn)矩,保證發(fā)動機(jī)迅速從靜止到設(shè)定轉(zhuǎn)速。在此過程中,電機(jī)補(bǔ)償控制與離合器的接合動作需要動態(tài)協(xié)調(diào)控制,以保證發(fā)動機(jī)正常起動且不對車輛的正常行駛造成過大沖擊。在行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程中,由于單向離合器處于自由狀態(tài),可以忽略不計(jì),系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖2所示。圖中:Te在發(fā)動機(jī)起動前為反拖阻力矩,起動后為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;ωe為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速;Ie為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量;Tc為濕式多片離合器轉(zhuǎn)矩;Tm為ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩;ωm為ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速;Im為ISG電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量;it為無級變速器速比;i0為主減速器速比;Ts為中間軸輸出轉(zhuǎn)矩;ωs為中間軸轉(zhuǎn)速;Is為中間等效轉(zhuǎn)動慣量;ωw為車輪轉(zhuǎn)速;Iv為整車等效轉(zhuǎn)動慣量;Tf為行駛阻力矩。
行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程動力學(xué)方程為
(1)
當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速(電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速)時,單向離合器閉合后動力學(xué)方程為
(2)
為進(jìn)行該系統(tǒng)動力學(xué)分析,分別對系統(tǒng)動力源發(fā)動機(jī)和ISG電機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制了發(fā)動機(jī)的3D特性曲面和反拖阻力矩試驗(yàn)曲線,分別如圖3和圖4所示。
根據(jù)ISG測試數(shù)據(jù),建立ISG電機(jī)特性圖,如圖5所示。其中,電機(jī)最大功率為30kW,最大轉(zhuǎn)矩為115N·m,額定轉(zhuǎn)速為2 500r/min。
濕式多片離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的容量主要由離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力決定,因此,在起動發(fā)動機(jī)過程中,該離合器也稱之為限力矩離合器。離合器的壓力-轉(zhuǎn)矩特性直接關(guān)系到行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)的控制效果。濕式多片離合器壓力確定后,根據(jù)離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性可以確定離合器起動發(fā)動機(jī)過程中傳遞的轉(zhuǎn)矩,因而可以進(jìn)一步確定電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩。
在起動發(fā)動機(jī)的短暫過程中,若對濕式多片離合器的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),控制難度較大。因此,根據(jù)實(shí)際控制需要,設(shè)計(jì)了一套離合器液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),離合器液壓系統(tǒng)通過控制電磁閥的開閉,實(shí)現(xiàn)離合器油壓加載或卸載,并通過溢流閥來限制供油壓力大小。因此,濕式多片離合器在起動過程中無須進(jìn)行壓力控制,較大程度上減少了控制難度。離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。
濕式多片離合器處于滑摩狀態(tài)時,隨著油缸工作壓力的增加,其傳遞的轉(zhuǎn)矩逐漸增大,其計(jì)算公式為
Tc=μzAp(pin-pbase)Rm
(3)
由式(3)可知,離合器結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下,離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩主要由油缸控制壓力與摩擦片摩擦因數(shù)決定。油缸控制壓力大小通過溢流閥調(diào)節(jié),摩擦片摩擦因數(shù)在動態(tài)條件下則是與離合器摩擦面溫度、相對角速度和離合器壓力等因素相關(guān)。
為獲得準(zhǔn)確的濕式多片離合器在設(shè)定壓力下所傳遞的轉(zhuǎn)矩特性,進(jìn)行了離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn),得到離合器動態(tài)轉(zhuǎn)矩變化曲線。油壓0.76MPa時濕式多片離合器傳遞轉(zhuǎn)矩實(shí)測值與理論計(jì)算值的對比如圖7所示。
通過對濕式多片離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性的分析,建立了離合器壓力與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,為ISG電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略的制定奠定基礎(chǔ)。
根據(jù)濕式多片離合器建立壓力和傳遞轉(zhuǎn)矩特性,進(jìn)行ISG電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩的加載方式和加載時刻的匹配。根據(jù)所設(shè)計(jì)的單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和濕式多片離合器特性,濕式多片離合器不存在轉(zhuǎn)矩控制問題,行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程控制主要為電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。
3.1 限力矩離合器壓力設(shè)定
由式(1)可知,濕式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩由離合器設(shè)定壓力決定,而壓力的設(shè)定又取決于發(fā)動機(jī)的反拖阻力矩和發(fā)動機(jī)目標(biāo)起動時間,總體來說,離合器壓力越大,起動所需要的電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩越大,發(fā)動機(jī)起動時間相應(yīng)縮短,但系統(tǒng)的沖擊有增大的趨勢,控制難度加大。以發(fā)動機(jī)起動時間≤0.5s為控制目標(biāo),起動過程中發(fā)動機(jī)的反拖力矩通過試驗(yàn)測得(見圖4)。因此,發(fā)動機(jī)的起動時間主要取決于濕式多片離合器轉(zhuǎn)矩。根據(jù)式(1)計(jì)算可得離合器轉(zhuǎn)矩應(yīng)為50~70N·m。再根據(jù)濕式多片離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性,可知壓力應(yīng)設(shè)置在0.7~0.8MPa之間。
3.2 ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制
車輛由純電動驅(qū)動切換至發(fā)動機(jī)驅(qū)動過程中,控制的關(guān)鍵在于行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程的平順性,由于起動時間非常短,離合器的壓力建立過程在0.2s以內(nèi),因此,電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率較大,此時ISG電機(jī)必須提供額外的轉(zhuǎn)矩來克服發(fā)動機(jī)起動過程的阻力矩。當(dāng)電機(jī)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩與濕式離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩相等時,起動發(fā)動機(jī)過程就不會對整車平順性產(chǎn)生任何沖擊。因此,行進(jìn)中起動發(fā)動機(jī)控制策略主要是根據(jù)起動過程中濕式多片離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩來決定電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩,電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制原理如圖8所示。
充分利用電機(jī)響應(yīng)速度快的特點(diǎn),ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動由PID控制器來控制,通過電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差作為PID控制輸入,從而對電機(jī)的目標(biāo)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正。
行進(jìn)中起動發(fā)動機(jī)控制時序如圖9所示。圖中:t1為離合器開始建壓時刻(行進(jìn)間起動開始時刻);t2為電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩加載時刻;t3為離合器壓力達(dá)到設(shè)定值的時刻;t4為發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時刻(電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩卸載時刻)。
濕式多片離合器的壓力為電磁閥控制的開關(guān)信號,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到行進(jìn)中起動發(fā)動機(jī)時刻t1,電磁閥開關(guān)打開,接合指令變?yōu)?,離合器壓力迅速上升直到達(dá)到設(shè)定值的時刻t3。當(dāng)離合器壓力克服離合器空行程的時刻t2時,電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩控制開始。當(dāng)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火成功,到達(dá)時刻t4時,電磁閥關(guān)閉,接合指令為0,離合器壓力開始卸載,退出電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩控制模式。
在所建立的單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程動力學(xué)模型、電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩控制策略的基礎(chǔ)上,利用Matlab/Simulink軟件仿真平臺,建立了行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)控制仿真模型。仿真所用的主要參數(shù)見表1。
表1 行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)仿真主要仿真參數(shù)
由于篇幅限制,文中僅給出ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min、CVT變速器速比為1.526 7時行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)控制的仿真結(jié)果,如圖10所示。
由圖可見:在行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程中,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000r/min時,濕式多片離合器開始接合,電機(jī)較好地進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制;當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于等于電機(jī)轉(zhuǎn)速之前,離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩均為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因此,電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩卸載同樣必須根據(jù)離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性(圖7)相應(yīng)卸載,直到電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩降為零,為保證沖擊度要求,電機(jī)轉(zhuǎn)矩卸載過程中,卸載速率受到整車沖擊度的限制。
在整個仿真過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速無明顯波動,發(fā)動機(jī)起動時間≤0.5s,沖擊度主要出現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)矩卸載和單向離合器閉合后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛時,整車沖擊度≤10m/s3,以上指標(biāo)均滿足相關(guān)性能要求。仿真結(jié)果表明了文中所建立的行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型正確性和電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略的有效性。
為了驗(yàn)證所提出的重度混合動力系統(tǒng)行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩控制策略的有效性,利用基于MICROAUTOBOX的dSPACE快速控制原型功能開發(fā)了單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺,如圖11所示?;旌蟿恿ο到y(tǒng)主要部件的性能參數(shù)如表2所示。
表2 重度混合動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)
為更好地與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,試驗(yàn)中諸參數(shù)的設(shè)置與仿真時相同。試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。
由圖可見,電機(jī)最大補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩約為60N·m,電機(jī)最大轉(zhuǎn)速波動絕對值為35r/min,發(fā)動機(jī)起動時間約為0.4s,整車沖擊度滿足平順性要求。需要說明的是,本臺架所使用的傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)噴油點(diǎn)火時刻為250r/min,在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火以后,發(fā)動機(jī)電控單元介入對電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動和整車的沖擊度造成了較大影響,這是由于實(shí)際條件限制,發(fā)動機(jī)沒有根據(jù)控制策略進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)定和匹配。
(1) 根據(jù)所提出的單電機(jī)重度混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對行進(jìn)間發(fā)動機(jī)起動過程進(jìn)行了動力學(xué)分析,建立了發(fā)動機(jī)起動過程的動力學(xué)模型,為電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略的制定奠定基礎(chǔ)。
(2) 通過試驗(yàn)獲得了發(fā)動機(jī)3D特性曲面和ISG電機(jī)特性圖,采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,建立了濕式多片離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性,為電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略提供了依據(jù)。
(3) 以保證行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程整車的平順性為目標(biāo),提出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略,建立了動力傳動系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析,搭建了臺架系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明所提出的電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩控制策略對行進(jìn)間起動發(fā)動機(jī)過程的平順性具有良好控制效果。
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A Research on the Control Strategy for Engine Starting WhileDriving in a Full Hybrid Power System with Single Motor
Liu Yonggang, Qin Datong, Liu Zhenjun & Yang Yang
ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400044
Aiming at the ride comfort problem of “engine starting while driving” process in a full hybrid power system with single motor, a kinetics analysis on its starting process is carried out. A theoretical analysis and experimental study are conducted on the wet multi-plate clutch, a key component of system, and a motor torque coordinated control strategy for the engine starting process is proposed. A simulation on the engine starting process is performed with Matlab/Simulink platform, and a test rig is constructed for the bench test for the starting process. The results of simulation and test indicate that the control strategy proposed effectively ensure the ride comfort in the process of engine starting while driving.
full hybrid power system; control strategy; simulation; test
*國家自然科學(xué)基金(51305468)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(CDJZR12110005)資助。
原稿收到日期為2012年12月6日。