趙彬?qū)幖卓?周達(dá)劉四海鄭巖
(1.一汽解放事業(yè)本部商用車開發(fā)院,長(zhǎng)春130011;2.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院,長(zhǎng)春 130011)
主題詞:P2構(gòu)型 雙離合器式自動(dòng)變速器 離合器輔助起機(jī) 控制策略 HEV
混合動(dòng)力汽車具有對(duì)傳統(tǒng)汽車動(dòng)力總成繼承性好、續(xù)駛里程長(zhǎng)、節(jié)能減排效果明顯等特點(diǎn),是應(yīng)對(duì)能源緊缺和環(huán)境污染問題的主流技術(shù)方案之一[1]。在混合動(dòng)力汽車研究領(lǐng)域中,模式切換中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制始終是重要的研究?jī)?nèi)容之一,如文獻(xiàn)[2]提出通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置和拖轉(zhuǎn)扭矩預(yù)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(dòng)力系統(tǒng)模式切換性能;文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)研究了分離離合器和動(dòng)力電機(jī)之間的扭矩協(xié)調(diào)控制,但未對(duì)離合器扭矩控制進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[5]提出雙離合器混合動(dòng)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(jī)雙離合自動(dòng)變速器前置結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)[6]作為研究對(duì)象,通過對(duì)離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的分析,提出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中離合器和動(dòng)力電機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略,并通過模型仿真和整車試驗(yàn)對(duì)該控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。
單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按電機(jī)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(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間,主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、分離離合器、電機(jī)和自動(dòng)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(dòng)變速器(DCT),分離離合器(C0)同樣采用濕式離合器,其與動(dòng)力電機(jī)集成在一起,稱為離合器耦合電機(jī)(Clutch Coupling Motor,CCM)。C0離合器的主要作用是輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和切斷發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的連接,實(shí)現(xiàn)停機(jī)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(gè)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(dòng)壓力和冷卻流量。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的平順,需要協(xié)調(diào)控制上述兩個(gè)離合器與動(dòng)力電機(jī)之間的扭矩。
圖1 P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為便于進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析,忽略了傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性和動(dòng)力傳遞損失,將整車阻力折算到DCT的輸出端,因?yàn)槟J角袚Q過程中會(huì)盡量避免發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與DCT換擋同時(shí)進(jìn)行,所以在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中只有一個(gè)離合器接合傳遞動(dòng)力,不考慮換擋雙離合器扭矩交換的情況。簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型見圖2。
圖2 簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
圖2 中,Te為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的扭矩,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)表示飛輪端的輸出扭矩,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)表示發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩;Tc0、Tm、Tc1、Tv分別為C0離合器扭矩、耦合電機(jī)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(dòng)機(jī)飛輪、離合器耦合電機(jī)、DCT離合器的角速度;Je、Jc0、Jm、Jv分別為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、C0離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效到DCT離合器輸出端的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;be、bc0、bm、bc1分別為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪、C0離合器、動(dòng)力電機(jī)和DCT離合器的阻尼系數(shù)。
在車輛純電動(dòng)行駛過程中,如果動(dòng)力電池SOC低于一定閾值或電機(jī)功率無法滿足駕駛員加速要求時(shí)則起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方式主要有起動(dòng)機(jī)起動(dòng)和離合器輔助起動(dòng)兩種,本文主要對(duì)離合器輔助起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法進(jìn)行分析。
純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式主要經(jīng)歷純電動(dòng)行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)3個(gè)過程,模式切換過程的動(dòng)力學(xué)分析如下。
a.純電動(dòng)行駛過程中,C0離合器處于分離狀態(tài),電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛,其動(dòng)力學(xué)方程為:
b.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程。電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛,C0離合器接合拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī),同時(shí)電機(jī)增加輸出扭矩,用來克服發(fā)動(dòng)機(jī)被拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力矩,其動(dòng)力學(xué)方程為:
式中,Te為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩。
c.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài),其輸出扭矩經(jīng)C0離合器傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛行駛,其動(dòng)力學(xué)方程為:
濕式離合器處于滑摩狀態(tài)時(shí),離合器傳遞的扭矩主要與作用壓力相關(guān),其計(jì)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(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中,如果離合器控制不當(dāng)會(huì)使車輛出現(xiàn)頓挫或前沖感,為此采用沖擊度對(duì)離合器控制平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)[7],其表達(dá)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(dòng)比,i0為主減速器傳動(dòng)比。
P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)的C0離合器輔助起機(jī)控制過程見圖3。
圖3 離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程
如圖3所示,起機(jī)前C0離合器完全分離,DCT離合器保持微滑摩狀態(tài),電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛(階段1);進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程時(shí),先增大電機(jī)扭矩,提升電機(jī)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(jī)根據(jù)C0離合器接合扭矩進(jìn)行補(bǔ)償,但由于補(bǔ)償扭矩與實(shí)際負(fù)載扭矩之間存在偏差,電機(jī)轉(zhuǎn)速通常會(huì)有波動(dòng)(階段2);當(dāng)將發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪拖動(dòng)至設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí),C0離合器分離,發(fā)動(dòng)機(jī)自行噴油點(diǎn)火進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(階段3);發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至電機(jī)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略,其流程如圖4所示。
發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制涉及C0離合器、DCT離合器與動(dòng)力電機(jī)之間的扭矩分配控制,平順的離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(cè)的控制方法,基本原理如圖5所示。其中,ωref表示控制發(fā)動(dòng)機(jī)要達(dá)到的目標(biāo)轉(zhuǎn)速;TFF表示前饋扭矩或開環(huán)扭矩,相當(dāng)于離合器要傳遞的目標(biāo)扭矩;Tcl表示閉環(huán)扭矩,是為了控制轉(zhuǎn)速差在設(shè)定范圍內(nèi),根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的偏差,通過比例-積分計(jì)算得到;Tob表示離合器觀測(cè)扭矩(Obsever),是為了修正離合器控制目標(biāo)扭矩與實(shí)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(jī)控制流程
圖5 離合器扭矩控制原理
起機(jī)過程中,DCT離合器存在較大滑摩差,驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)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(guān),則可將式(6)轉(zhuǎn)換成離合器扭矩形式:
式中,η為傳動(dòng)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(dòng)輪滾動(dòng)半徑。
由式(7)可知,為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起機(jī),DCT離合器扭矩不應(yīng)有劇烈變化。
4.2.2 動(dòng)力電機(jī)扭矩控制
當(dāng)C0離合器接合拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)除輸出驅(qū)動(dòng)車輛必需的扭矩外,還需額外輸出扭矩用來補(bǔ)償反拖發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的阻力矩,以確保車輛不出現(xiàn)制動(dòng)感。
電機(jī)扭矩控制目標(biāo)值Tm計(jì)算式為:
式中,Tdri為電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛的需求扭矩;Tcom為補(bǔ)償扭矩,其作用是提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,增加電機(jī)與DCT離合器之間的滑摩差。
C0離合器完全接合后,電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)扭矩控制目標(biāo)值計(jì)算式為:
4.2.3 濕式離合器壓力控制
由式(4)可知,為能實(shí)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
在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立P2構(gòu)型混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,整車及關(guān)鍵部件參數(shù)見表1。
根據(jù)P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理,利用MATLAB/Simulink工具建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程仿真模型,如圖7所示。
表1 整車及關(guān)鍵部件參數(shù)
圖7傳動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真結(jié)果,當(dāng)控制系統(tǒng)決定通過動(dòng)力電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),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(jī)轉(zhuǎn)速,控制C0離合器逐漸增加壓力,與此同時(shí)電機(jī)控制器根據(jù)C0離合器扭矩進(jìn)行補(bǔ)償并提升電機(jī)轉(zhuǎn)速,當(dāng)C0離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拖至起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí),C0離合器分離,發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火自行控制轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速附近,隨后接合C0離合器,至此離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)控制仿真結(jié)果
為驗(yàn)證離合器輔助起動(dòng)控制策略的實(shí)際控制效果,進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn),試驗(yàn)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(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后C0離合器再次接合,整個(gè)過程用時(shí)不超過2 s,并且沖擊度不超過5 m/s3。測(cè)試結(jié)果表明,采用所提出的離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)控制整車測(cè)試結(jié)果
建立了P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)離合器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的控制過程進(jìn)行了仿真分析。制定了離合器前饋+反饋并結(jié)合扭矩觀測(cè)的控制策略,通過增加電機(jī)轉(zhuǎn)速與DCT離合器之間的滑摩差,避免了起機(jī)過程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)給車輛帶來的沖擊,同時(shí)給出動(dòng)力電機(jī)扭矩的控制方法,實(shí)現(xiàn)了扭矩的合理分配。仿真和試驗(yàn)表明,所提出的扭矩控制方法可有效避免P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)離合器輔助起機(jī)過程的沖擊,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)各階段的平穩(wěn)過度,確保了車輛行駛的平順性和舒適性。