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        P2混合動力離合器輔助發(fā)動機起動控制方法研究

        2018-12-26 05:23:10趙彬?qū)幖卓?/span>周達劉四海鄭巖
        汽車技術 2018年12期
        關鍵詞:濕式離合器扭矩

        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。

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