郝美剛，于忠貴，方立輝，辛海霞，賈林娜

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基于P2架構(gòu)混動系統(tǒng)EV至HEV模式切換控制研究

郝美剛，于忠貴，方立輝，辛海霞，賈林娜

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章針對單電機P2系統(tǒng)行進(jìn)間起動發(fā)動機及參與至傳動鏈過程控制進(jìn)行了研究分析，提出了“發(fā)動機拖起階段、發(fā)動機初期燃燒上沖階段、轉(zhuǎn)速同步階段、K0離合器結(jié)合階段以及扭矩交接控制階段”分段優(yōu)化/整體均衡的控制策略。實車測試結(jié)果表明，所提出的控制策略可將系統(tǒng)沖擊及響應(yīng)性控制在合理水平。

P2系統(tǒng)；發(fā)動機拖起；系統(tǒng)沖擊

1 引言

能源危機、環(huán)境問題、法規(guī)要求等，促使汽車由傳統(tǒng)動力車型逐漸向新能源車型發(fā)展。從相關(guān)行業(yè)發(fā)展、政策導(dǎo)向及各大車廠宣傳等來看，混合動力車型將是未來數(shù)年的發(fā)展趨勢。業(yè)內(nèi)曾有一種觀點“世界上只有兩種混動，一種豐田，一種是其他”。

從當(dāng)前各大廠商推出的混動車型架構(gòu)配置看，主流的混動構(gòu)型可以歸納為三類：①以豐田為代表的PS(Power Split)動力分流構(gòu)型；②以歐系和韓系為代表的P2構(gòu)型；③以本田i-MMD為代表的串聯(lián)式變種（在串聯(lián)的基礎(chǔ)上增加了發(fā)動機直驅(qū)模式）。這三種混動構(gòu)型在技術(shù)上各有優(yōu)劣，發(fā)展軌跡也各有千秋，其主要原因來源于三個方面：①企業(yè)自身的技術(shù)積累過程；②專利壁壘；③市場需求及政策導(dǎo)向。

關(guān)于P2架構(gòu)混動，業(yè)界公認(rèn)的難點之一：“行進(jìn)間起動發(fā)動機及參與至傳動鏈過程（EV模式切換至HEV模式），系統(tǒng)對車輛行駛平順性的沖擊”。本文基于單電機P2系統(tǒng)，針對EV至HEV模式切換過程系統(tǒng)控制進(jìn)行了研究分析，提出了“發(fā)動機拖起階段、發(fā)動機初期燃燒上沖階段、轉(zhuǎn)速同步階段、K0離合器結(jié)合階段以及扭矩交接控制階段”分段優(yōu)化/整體均衡的控制策略。

2 P2混合動力系統(tǒng)架構(gòu)

關(guān)于P2架構(gòu)混動系統(tǒng)，目前業(yè)界主要有如下圖1所示的單電機P2系統(tǒng)、單電機P2+起動機系統(tǒng)、單電機P2+雙離合器系統(tǒng)，以及P0+P2系統(tǒng)四種主要配置形式；各系統(tǒng)主要特點等，本文不再贅述（業(yè)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)資料較多）。由于各系統(tǒng)主體配置的不同，其在成本、控制難度，以及駕駛舒適性上存在一定差異。

圖1 基于P2系統(tǒng)配置簡圖

3 單電機P2系統(tǒng)EV至HEV模式切換過程系統(tǒng)控制

3.1 控制原理提出

對于單電機P2系統(tǒng)的發(fā)動機拖起及介入傳動鏈，是通過VCU協(xié)調(diào)控制MCU、EMS、TCU等，使得ISG電機、發(fā)動機、K0及變速器等去合理執(zhí)行，予以滿足系統(tǒng)響應(yīng)性、舒適性、排放、油耗等設(shè)計指標(biāo)。

單電機P2系統(tǒng)由EV模式切換至HEV模式的控制原理如下圖2所示，此過程控制可分為6個階段（第①至⑥）。第①階段ISG拖動發(fā)動機階段；第②階段發(fā)動機燃燒上沖階段；第③階段和第④可合稱為轉(zhuǎn)速同步階段；第⑤階段K0離合器快速結(jié)合階段；第⑥階段動力源扭矩交接階段。

圖2 單電機P2系統(tǒng)EV切至HEV控制原理圖

3.2 發(fā)動機拖起階段控制

根據(jù)變速器輸入軸扭矩T_input=T_k0+T_isg，因此在EV模式下拖起發(fā)動機過程中，ISG電機加載扭矩應(yīng)包含“變速器輸入軸需求扭矩以及K0拖起發(fā)動機的負(fù)載扭矩”兩部分。發(fā)動機起動時，一般駕駛員能感覺到的振動主要分為“拖動階段”和“初始燃燒階段”[1]兩個階段。

拖起階段K0離合器壓力以及ISG扭矩補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制，應(yīng)盡量滿足K0離合器產(chǎn)生的負(fù)載（發(fā)動機損失）扭矩能通過ISG補償扭矩“抵消掉”。通過合理的KO壓力、ISG扭矩補償曲線形狀及標(biāo)定參數(shù)（與具體的發(fā)動機、變速器、ISG硬件及使用“環(huán)境”等有關(guān)），去合理優(yōu)化“發(fā)動機拖起響應(yīng)、車輛拖/拽感”。不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件匹配、策略設(shè)計時，應(yīng)充分考慮ISG電機拖起預(yù)留扭矩裕度（ISG電機拖起扭矩的大小與發(fā)動機本體、機油溫、拖動響應(yīng)時間等有關(guān)，初始值可設(shè)為50-70Nm去進(jìn)一步迭代優(yōu)化[2]）。

3.3 發(fā)動機初期燃燒上沖階段

傳統(tǒng)車型發(fā)動機起動，一般由起動機拖動發(fā)動機、EMS檢測到同步信號后即進(jìn)行噴油、點火等控制、EMS根據(jù)發(fā)動機上沖轉(zhuǎn)速閾值判斷發(fā)動機是否起動成功，完成發(fā)動機的起動控制。

對于P2混動系統(tǒng)，EV行車間可利用ISG電機在0.1-0.2s將發(fā)動機拖至噴油轉(zhuǎn)速（發(fā)動機首次噴油時的轉(zhuǎn)速，例如800rpm）然后完成發(fā)動機的起動控制[3]。發(fā)動機噴油轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)具體硬件、排放、油耗、起動可靠性等綜合標(biāo)定優(yōu)化選擇。需要注意的是EMS軟件起動控制策略應(yīng)相對傳統(tǒng)車型升級，例如：進(jìn)氣、噴油及點火控制；起動成功判斷方式等。由于發(fā)動機高度非線性，發(fā)動機起動過程EMS一般采取開環(huán)控制，初期燃燒及上沖階段很難精確控制。

3.4 轉(zhuǎn)速同步階段

轉(zhuǎn)速同步階段是指K0結(jié)合前將發(fā)動機與ISG電機轉(zhuǎn)速控制在較小速差內(nèi)，從而減小K0結(jié)合時由于發(fā)動機慣性對車輛產(chǎn)生的沖擊。轉(zhuǎn)速同步階段，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間及控制精度問題，實際中可采取發(fā)動機轉(zhuǎn)速響應(yīng)的同時、利用K0壓力控制將速差控制在可接受的范圍（一般速差35rpm以下屬于良好水平，實際中各工況很難均達(dá)到此水平）。

3.5 K0離合器結(jié)合階段

K0離合器結(jié)合階段是指轉(zhuǎn)速同步達(dá)到要求后，快速壓緊K0離合器的過程。關(guān)于此階段的開始時機，控制策略中可采取“基于速差及時長閾值”判斷決策；在制定控制策略時，基于系統(tǒng)響應(yīng)性、舒適性的同時，也應(yīng)充分考慮某些情況下出現(xiàn)的“由于速差同步控制而長時等待”的處理機制（應(yīng)避免出現(xiàn)由于轉(zhuǎn)速同步控制失敗時，K0結(jié)合可能被無限期延遲的情況），此情況下可能會出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)沖擊。

3.6 扭矩交接控制階段

扭矩交接控制階段是指在K0離合器結(jié)合完成后，通過ISG電機扭矩和發(fā)動機扭矩的移交完成模式切換。扭矩交接可以采用如下圖3所示的控制方法，總體思路是變速器輸入軸目標(biāo)扭矩是駕駛需求扭矩或者外圍部件限制扭矩；T_input req = T_eng req + T_isg req；由于發(fā)動機實際響應(yīng)速度及精度，發(fā)動目標(biāo)扭矩可以采取既定的扭矩分配策略、ISG目標(biāo)扭矩可采取變速器輸入軸目標(biāo)扭矩與發(fā)動機實際扭矩差值自適應(yīng)調(diào)整；扭矩移交過程，發(fā)動機目標(biāo)扭矩可采取如下圖3所示的“一定斜率直線”的方式。

圖3 扭矩交接控制原理圖

4 EV至HEV模式切換過程實車標(biāo)定優(yōu)化

單電機P2系統(tǒng)EV至HEV模式切換控制過程中，系統(tǒng)對車輛的沖擊多出現(xiàn)在發(fā)動機拖動階段以及發(fā)動機初始燃燒階段，如下圖4及5中標(biāo)注的①②③處所示。其中圖4中的①處出現(xiàn)ISG電機轉(zhuǎn)速下跌、實際駕駛車輛“后拽感”，其主要原因是隨著K0實際壓力增加、KO負(fù)載扭矩增加，而未對ISG電機進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐ぞ匮a償；圖4中的②處出現(xiàn)ISG電機轉(zhuǎn)速上沖、實際駕駛車輛“前推感”，其主要原是初期燃燒階段發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性及可控性相對較差、而K0壓力未及時釋放，擾動傳至車輪所致。

圖4 無ISG補償扭矩測試曲線

如圖5所示的①及②處出現(xiàn)ISG電機轉(zhuǎn)速上沖/下跌、實際駕駛車輛“前推感/后拽感”，其主要原因是ISG補償扭矩與K0壓力控制的負(fù)載扭矩未合理“抵消”引起。

如上文圖2所示的實車測試曲線，其是我們基于一個固定工況、通過反復(fù)優(yōu)化相關(guān)標(biāo)定參數(shù)的一個測試結(jié)果。通過拖動階段ISG補償扭矩和K0壓力控制負(fù)載扭矩的合理抵消，可減小此階段系統(tǒng)控制對車輛駕駛造成的“拖拽感”；發(fā)動機拖起成功后，及時將K0壓力降低至kisspoint點以下附近、可減小“發(fā)動機初始燃燒不穩(wěn)定”對系統(tǒng)造成的沖擊；轉(zhuǎn)速同步階段，利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速自調(diào)節(jié)、同時控制K0離合器壓力將速差控制在小于40rpm的水平。

圖5 典型拖/拽測試曲線

由于系統(tǒng)硬件的實際特性（電磁閥特性、油壓特性、油泵特性、發(fā)動機高度非線性、制造精度、控制器及相關(guān)信號的延遲，以及使用環(huán)境等邊界特性），系統(tǒng)的實際響應(yīng)及控制精度會隨著“相關(guān)磨損/衰減”及使用環(huán)境的變化出現(xiàn)一定的變化；單電機P2系統(tǒng)控制很難做到完全兼顧。相比上文提到的“P0+P2系統(tǒng)”及“單電機P2+雙離合器系統(tǒng)”,單電機P2系統(tǒng)的控制實現(xiàn)性相對較難（同等指標(biāo)要求下）。

5 結(jié)束語

本文針對單電機P2系統(tǒng)由EV至HEV模式切換過程的系統(tǒng)控制進(jìn)行了研究分析。實車測試結(jié)果表明，采取文中所提的“發(fā)動機拖起階段、發(fā)動機初期燃燒上沖階段、轉(zhuǎn)速同步階段、K0離合器結(jié)合階段以及扭矩交接控制階段”分段優(yōu)化/整體均衡的控制策略，可將系統(tǒng)沖擊及響應(yīng)性控制在合理水平。

[1] Ming L.Kuang,An Investigation of Engine Start-Stop NVH in A Power Split Powertrain Hybrid Electric Vehicle,SAE Paper,No.2006 -01-1500.

[2] 劉永剛,秦大同,等.單電機重度混合動力系統(tǒng)行進(jìn)間發(fā)動機起動控制策略研究[J].汽車工程,2015年01期.

[3] 周健豪.混合動力汽車起/停工況瞬態(tài)排放特性與優(yōu)化控制策略（碩士論文）[D].江蘇:江蘇大學(xué),2011.

Research On EV To Hev Mode Switching Control Of Hybrid System Based On P2 Architecture

Hao Meigang, Yu Zhonggui, Fang Lihui, Xin Haixia, Jia Linna

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjing Harbin 150060）

In this paper, in view of the single motor P2 system moving starting engines and participate in process control are analyzed to transmission chain, put forward the "engine drag up the stage, the engine combustion on the early stage, the speed synchronization phase, K0 clutch combination of phase transition and torque control stage" section optimization/balanced control strategy as a whole. The test results show that the proposed control strategy can control the system impact and response at a reasonable level.

P2 system; Engine towed; System shock

A

1671-7988(2019)05-11-03

U463

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1671-7988(2019)05-11-03

U463

郝美剛（1983-），男，工程師，研究生學(xué)歷，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司，從事發(fā)動機匹配標(biāo)定、混合動力控制策略開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.003