趙彬?qū)幖卓?周達劉四海鄭巖

（1.一汽解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院，長春130011；2.中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

主題詞：P2構(gòu)型 雙離合器式自動變速器 離合器輔助起機 控制策略 HEV

1 前言

混合動力汽車具有對傳統(tǒng)汽車動力總成繼承性好、續(xù)駛里程長、節(jié)能減排效果明顯等特點，是應對能源緊缺和環(huán)境污染問題的主流技術方案之一[1]。在混合動力汽車研究領域中，模式切換中發(fā)動機起動控制始終是重要的研究內(nèi)容之一，如文獻[2]提出通過發(fā)動機曲軸位置和拖轉(zhuǎn)扭矩預估行星架輸入端阻力的方法，目的是改善功率分流式混合動力系統(tǒng)模式切換性能；文獻[3]和文獻[4]重點研究了分離離合器和動力電機之間的扭矩協(xié)調(diào)控制，但未對離合器扭矩控制進行分析；文獻[5]提出雙離合器混合動力的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，但未考慮AMT離合器滑摩差控制問題。

本文以單電機雙離合自動變速器前置結(jié)構(gòu)的混合動力系統(tǒng)[6]作為研究對象，通過對離合器輔助發(fā)動機起動過程的分析，提出發(fā)動機起動過程中離合器和動力電機的協(xié)調(diào)控制策略，并通過模型仿真和整車試驗對該控制策略進行了驗證。

2 動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單電機混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按電機布置位置的不同分別定義為P0、P1、P2等構(gòu)型，其中P2構(gòu)型的電機布置在發(fā)動機與變速器之間，主要包括發(fā)動機、分離離合器、電機和自動變速器，如圖1所示。圖1中，變速器采用濕式雙離合器式自動變速器（DCT），分離離合器（C0）同樣采用濕式離合器，其與動力電機集成在一起，稱為離合器耦合電機（Clutch Coupling Motor，CCM）。C0離合器的主要作用是輔助發(fā)動機起動、傳遞發(fā)動機動力和切斷發(fā)動機與電機的連接，實現(xiàn)停機功能。C0離合器的液壓控制模塊屬于DCT液壓控制系統(tǒng)的一個子模塊，通過比例壓力閥和比例流量閥來控制C0離合器的作動壓力和冷卻流量。為保證發(fā)動機起動過程的平順，需要協(xié)調(diào)控制上述兩個離合器與動力電機之間的扭矩。

圖1 P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 傳動系統(tǒng)動力學模型

為便于進行傳動系統(tǒng)動力學分析，忽略了傳動系統(tǒng)的彈性和動力傳遞損失，將整車阻力折算到DCT的輸出端，因為模式切換過程中會盡量避免發(fā)動機起動與DCT換擋同時進行，所以在發(fā)動機起動過程中只有一個離合器接合傳遞動力，不考慮換擋雙離合器扭矩交換的情況。簡化的傳動系統(tǒng)動力學模型見圖2。

圖2 簡化的傳動系統(tǒng)動力學模型

圖2 中，Te為發(fā)動機飛輪端的扭矩，當發(fā)動機運行時表示飛輪端的輸出扭矩，當發(fā)動機處于停機狀態(tài)時表示發(fā)動機起動阻力矩；Tc0、Tm、Tc1、Tv分別為C0離合器扭矩、耦合電機扭矩、DCT離合器扭矩和等效到變速器離合器輸出端的車輛阻力矩；ωe、ωccm、ωc1分別為發(fā)動機飛輪、離合器耦合電機、DCT離合器的角速度；Je、Jc0、Jm、Jv分別為發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)動慣量、C0離合器轉(zhuǎn)動慣量、動力電機轉(zhuǎn)動慣量和等效到DCT離合器輸出端的整車轉(zhuǎn)動慣量；be、bc0、bm、bc1分別為發(fā)動機飛輪、C0離合器、動力電機和DCT離合器的阻尼系數(shù)。

在車輛純電動行駛過程中，如果動力電池SOC低于一定閾值或電機功率無法滿足駕駛員加速要求時則起動發(fā)動機。發(fā)動機起動控制方式主要有起動機起動和離合器輔助起動兩種，本文主要對離合器輔助起動發(fā)動機控制方法進行分析。

純電動驅(qū)動模式切換至發(fā)動機驅(qū)動模式主要經(jīng)歷純電動行駛、發(fā)動機起動及發(fā)動機參與驅(qū)動3個過程，模式切換過程的動力學分析如下。

a.純電動行駛過程中，C0離合器處于分離狀態(tài)，電機驅(qū)動車輛行駛，其動力學方程為：

b.發(fā)動機起動過程。電機驅(qū)動車輛行駛，C0離合器接合拖動發(fā)動機起機，同時電機增加輸出扭矩，用來克服發(fā)動機被拖動時產(chǎn)生的阻力矩，其動力學方程為：

式中，Te為發(fā)動機起動阻力矩。

c.發(fā)動機起動成功后進入正常運行狀態(tài)，其輸出扭矩經(jīng)C0離合器傳遞給傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輛行駛，其動力學方程為：

濕式離合器處于滑摩狀態(tài)時，離合器傳遞的扭矩主要與作用壓力相關，其計算式為：

式中，n為離合器摩擦面數(shù)；μc0為離合器摩擦因數(shù)；Ac0為活塞作用面積；Rc0為摩擦片有效半徑；Pin為液壓油缸控制壓力；Psp為濕式離合器回位彈簧壓力；Ri、Ro分別為摩擦片內(nèi)、外半徑。

離合器輔助發(fā)動機起動過程中，如果離合器控制不當會使車輛出現(xiàn)頓挫或前沖感，為此采用沖擊度對離合器控制平順性進行評價[7]，其表達式為:

式中，j為沖擊度；ωv為變速器輸入軸角速度；rw為車輪半徑，ig為擋位傳動比，i0為主減速器傳動比。

4 離合器控制方法

4.1 發(fā)動機起動控制過程

P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)的C0離合器輔助起機控制過程見圖3。

圖3 離合器輔助發(fā)動機起動過程

如圖3所示，起機前C0離合器完全分離，DCT離合器保持微滑摩狀態(tài)，電機驅(qū)動車輛行駛（階段1）；進入發(fā)動機起動過程時，先增大電機扭矩，提升電機轉(zhuǎn)速，使DCT離合器滑摩差增大，控制C0離合器逐步接合（階段2），電機根據(jù)C0離合器接合扭矩進行補償，但由于補償扭矩與實際負載扭矩之間存在偏差，電機轉(zhuǎn)速通常會有波動（階段2）；當將發(fā)動機飛輪拖動至設定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時，C0離合器分離，發(fā)動機自行噴油點火進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)（階段3）；發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升至電機轉(zhuǎn)速，再接合C0離合器，最后將DCT離合器的較大滑摩差減小至微滑摩狀態(tài)（階段4）；此時發(fā)動機起動過程結(jié)束，DCT離合器保持微滑摩狀態(tài)（階段5）。根據(jù)以上分析制定了離合器輔助起動發(fā)動機控制策略，其流程如圖4所示。

4.2 離合器輔助發(fā)動機起動控制策略

發(fā)動機起動控制涉及C0離合器、DCT離合器與動力電機之間的扭矩分配控制，平順的離合器輔助發(fā)動機起動過程依賴這三者扭矩合理的協(xié)調(diào)控制和離合器滑摩控制。

4.2.1 離合器滑摩控制

離合器滑摩控制采用前饋+反饋并結(jié)合扭矩觀測的控制方法，基本原理如圖5所示。其中，ωref表示控制發(fā)動機要達到的目標轉(zhuǎn)速；TFF表示前饋扭矩或開環(huán)扭矩，相當于離合器要傳遞的目標扭矩；Tcl表示閉環(huán)扭矩，是為了控制轉(zhuǎn)速差在設定范圍內(nèi)，根據(jù)目標轉(zhuǎn)速和實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的偏差，通過比例-積分計算得到；Tob表示離合器觀測扭矩（Obsever），是為了修正離合器控制目標扭矩與實際傳遞扭矩之間的偏差；K1和K2分別為比例、積分控制的系數(shù)。

圖4 離合器輔助起機控制流程

圖5 離合器扭矩控制原理

起機過程中，DCT離合器存在較大滑摩差，驅(qū)動車輛動力的大小主要由DCT離合器扭矩決定，因此車輛沖擊度與離合器扭矩相關，則可將式（6）轉(zhuǎn)換成離合器扭矩形式：

式中，η為傳動系效率；m為汽車總質(zhì)量；δg為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；rw為驅(qū)動輪滾動半徑。

由式（7）可知，為實現(xiàn)平穩(wěn)起機，DCT離合器扭矩不應有劇烈變化。

4.2.2 動力電機扭矩控制

當C0離合器接合拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，電機除輸出驅(qū)動車輛必需的扭矩外，還需額外輸出扭矩用來補償反拖發(fā)動機產(chǎn)生的阻力矩，以確保車輛不出現(xiàn)制動感。

電機扭矩控制目標值Tm計算式為：

式中，Tdri為電機用于驅(qū)動車輛的需求扭矩；Tcom為補償扭矩，其作用是提高電機轉(zhuǎn)速，增加電機與DCT離合器之間的滑摩差。

C0離合器完全接合后，電機轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步，但與DCT離合器之間仍存在較大滑摩差，若要縮小二者的轉(zhuǎn)速差，則電機扭矩控制目標值計算式為：

4.2.3 濕式離合器壓力控制

由式（4）可知，為能實現(xiàn)濕式離合器的扭矩控制，還需要通過VFS閥來控制離合器工作壓力，壓力控制原理如圖6所示。

圖6 壓力控制原理

5 仿真與試驗結(jié)果分析

5.1 起機控制過程仿真分析

在MATLAB/Simulink平臺上建立P2構(gòu)型混合動力傳動系統(tǒng)仿真模型，整車及關鍵部件參數(shù)見表1。

根據(jù)P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)動力學原理，利用MATLAB/Simulink工具建立發(fā)動機起動過程仿真模型，如圖7所示。

表1 整車及關鍵部件參數(shù)

圖7傳動系統(tǒng)仿真模型

圖8 為車輛行駛過程中C0離合器輔助發(fā)動機起動仿真結(jié)果，當控制系統(tǒng)決定通過動力電機起動發(fā)動機時，C0離合器先充油建立壓力至與濕式離合器彈簧壓力相等，然后提升電機轉(zhuǎn)速，控制C0離合器逐漸增加壓力，與此同時電機控制器根據(jù)C0離合器扭矩進行補償并提升電機轉(zhuǎn)速，當C0離合器將發(fā)動機轉(zhuǎn)速拖至起動轉(zhuǎn)速時，C0離合器分離，發(fā)動機噴油點火自行控制轉(zhuǎn)速達到電機轉(zhuǎn)速附近，隨后接合C0離合器，至此離合器輔助發(fā)動機起動控制過程結(jié)束。

仿真結(jié)果表明，C0離合器接合給整車帶來的沖擊度約為8 m/s3，表明該離合器輔助發(fā)動機起動控制策略能夠有效將沖擊度控制在要求（＜10 m/s3）[8]范圍內(nèi)。

圖8 離合器輔助發(fā)動機起動控制仿真結(jié)果

5.2 整車試驗

為驗證離合器輔助起動控制策略的實際控制效果，進行了實車試驗，試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可看出，從命令C0離合器接合，到發(fā)動機起動成功后C0離合器再次接合，整個過程用時不超過2 s，并且沖擊度不超過5 m/s3。測試結(jié)果表明，采用所提出的離合器輔助發(fā)動機起動控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電機驅(qū)動模式切換到發(fā)動機驅(qū)動模式的平穩(wěn)過度，滿足了整車平順性要求。

圖9 離合器輔助發(fā)動機起動控制整車測試結(jié)果

6 結(jié)束語

建立了P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)的動力學模型，并對離合器輔助發(fā)動機起動的控制過程進行了仿真分析。制定了離合器前饋+反饋并結(jié)合扭矩觀測的控制策略，通過增加電機轉(zhuǎn)速與DCT離合器之間的滑摩差，避免了起機過程中轉(zhuǎn)速波動給車輛帶來的沖擊，同時給出動力電機扭矩的控制方法，實現(xiàn)了扭矩的合理分配。仿真和試驗表明，所提出的扭矩控制方法可有效避免P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)離合器輔助起機過程的沖擊，實現(xiàn)了發(fā)動機起動各階段的平穩(wěn)過度，確保了車輛行駛的平順性和舒適性。