岳蕓鵬，黃 英，曾雯文，馬小康

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300）

驅(qū)動(dòng)模式的多樣性是混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)高效和節(jié)能的基礎(chǔ)，混合動(dòng)力汽車需要經(jīng)常進(jìn)行模式切換以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于構(gòu)型中包含離合器的混合動(dòng)力汽車，根據(jù)離合器狀態(tài)可將模式切換分為3 類，第1 類模式切換包含離合器接合的過程，第2 類模式切換包含離合器分離的過程，第3 類模式切換離合器無動(dòng)作[1-2]。驅(qū)動(dòng)模式切換分類如圖1 所示，編號(hào)①～③分別表示第1 類至第3 類的模式切換。

圖 1 驅(qū)動(dòng)模式切換分類

由于第1 類模式切換包含啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器接合等過程，動(dòng)態(tài)過程最復(fù)雜，所以一直以來都是相關(guān)學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的模式切換類型。當(dāng)模式切換發(fā)生時(shí)，往往會(huì)涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求突變以及離合器的狀態(tài)發(fā)生改變的情況，且由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)差異和離合器轉(zhuǎn)矩的不連續(xù)特性，所以在發(fā)生模式切換時(shí)對(duì)它們進(jìn)行協(xié)調(diào)控制非常必要，否則會(huì)使輸出軸的轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈波動(dòng)，從而影響整車的駕駛性。模式切換轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的目的就是當(dāng)發(fā)生模式切換時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和電機(jī)響應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的過程中，協(xié)調(diào)控制它們各自的輸出轉(zhuǎn)矩，以使輸出軸的轉(zhuǎn)矩不發(fā)生劇烈波動(dòng)，保證駕駛舒適性[3]。因此，針對(duì)第1 類模式切換中的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換到混合驅(qū)動(dòng)模式（E-H）過程的控制策略進(jìn)行研究。

E-H 過程中涉及到的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制和離合器轉(zhuǎn)矩控制問題十分關(guān)鍵。秦大同等[4]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行了研究，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速點(diǎn)火和發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速點(diǎn)火兩種控制策略，研究表明，后一種策略能有效消除離合器鎖止前后的轉(zhuǎn)矩突變。杜波等[5]和李成等[6]對(duì)離合器的轉(zhuǎn)矩控制采用了不同的策略，杜波等提出的控制策略中，離合器從開始倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)到鎖止的過程一直處于滑磨狀態(tài)，李成等提出的控制策略中離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖到預(yù)定轉(zhuǎn)速后分離，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速離合器再次滑磨，轉(zhuǎn)速同步時(shí)離合器鎖止。前一種控制策略使離合器滑磨時(shí)間很長(zhǎng)，且滑磨功較大。后一種控制策略可以減少離合器滑磨時(shí)間，提高離合器的耐久性，并且避免發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)傳到輸出軸。由于以上文獻(xiàn)的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中均有單向離合器，可使發(fā)動(dòng)機(jī)端轉(zhuǎn)速不會(huì)高于電機(jī)端轉(zhuǎn)速，在離合器接合時(shí)會(huì)有較大的轉(zhuǎn)矩突變，而本文所研究的混合動(dòng)力系統(tǒng)沒有單向離合器的限制。因此，依據(jù)離合器滑磨階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，在離合器再次滑磨階段，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速兩種控制策略，針對(duì)第1 種控制策略中離合器轉(zhuǎn)矩由負(fù)到正突變的問題，提出以整車縱向加速度為控制目標(biāo)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制方法，對(duì)兩種控制策略進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，總結(jié)了兩種控制策略各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性條件。

1 P2.5 構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模

1.1 P2.5 構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

所研究的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖 2 所示，采用的是雙離合變速器（DCT），有發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，電機(jī)集成于DCT 內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，發(fā)動(dòng)機(jī)通過兩個(gè)濕式多片離合器與DCT 相連，根據(jù)電機(jī)的布置位置這種構(gòu)型也被稱為P2.5 構(gòu)型。

圖 2 P2.5 構(gòu)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 2 中，A、B、C、D 分別為變速器中的4 個(gè)同步器；C1 與C2 為兩個(gè)濕式多片離合器，C1 與變速器輸入內(nèi)軸相連，內(nèi)軸連接偶數(shù)擋位（2擋、4擋、R 擋），C2 與變速器輸入外軸相連，外軸連接奇數(shù)擋位（1 擋、3 擋、5 擋），通過濕式離合器的分離和接合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式，并且由于濕式離合器只承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，不會(huì)受到離合器承載轉(zhuǎn)矩的限制，相比于P2 構(gòu)型方案可以輸出更大的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]。由圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)共有5 個(gè)驅(qū)動(dòng)擋位，電機(jī)共有2 個(gè)驅(qū)動(dòng)擋位，輸出軸1 和軸2 分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同減速比的主減速器，整車結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 1。

表 1 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模式切換過程建模

根據(jù)圖 2 的結(jié)構(gòu)，采用集中質(zhì)量參數(shù)法，建立P2.5 構(gòu)型混合動(dòng)力汽車E-H 過程的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，如圖 3 所示。圖中，Je為發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jm為電機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jw為車輪等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωe，ωm，ωw分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和車輪的轉(zhuǎn)速；Te，Tm，Tc，Ts分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、離合器和半軸的輸出轉(zhuǎn)矩；ks，cs為傳動(dòng)系統(tǒng)等效剛度和阻尼；ie，im為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的速比；ia為主減速器速比。這里用一根軸代表主減速器輸出軸，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)由于處于不同擋位（發(fā)動(dòng)機(jī)3 擋，電機(jī)4 擋）而對(duì)應(yīng)不同輸出軸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)各自對(duì)應(yīng)的主減速器傳動(dòng)比不同，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)對(duì)應(yīng)到不同的主減速器傳動(dòng)比（結(jié)合圖 2 和表 1 來計(jì)算）。

圖 3 P2.5 構(gòu)型混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

當(dāng)離合器處于滑磨狀態(tài)時(shí)，根據(jù)簡(jiǎn)化模型可推導(dǎo)出傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力矩，點(diǎn)火后為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)離合器完全結(jié)合后，系統(tǒng)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

進(jìn)一步建立輪胎及整車模型。車輛半軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給車輪，輪胎克服阻力給車輛提供驅(qū)動(dòng)力，則根據(jù)動(dòng)力學(xué)關(guān)系得到：

式中：Fx為輪胎縱向驅(qū)動(dòng)力；r為輪胎滾動(dòng)半徑。對(duì)輪胎縱向力采用魔術(shù)輪胎公式計(jì)算，用輪胎的垂向載荷、滑移率的函數(shù)表示如下：

式中：Fz為輪胎垂向載荷；st為輪胎滑移率，由式（5）計(jì)算。B，C，D，E代表無量綱系數(shù)，分別取值為10，1.9，1，0.97。

忽略懸架對(duì)縱向力的影響，認(rèn)為車輪與車身直接連接，則整車縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：式中：CD為風(fēng)阻系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；A ρ為空氣密度；Vx為車輛縱向速度；v為車輛行駛方向上的相對(duì)風(fēng)速；β為道路坡角。

這里需要注意的是由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)處于不同擋位時(shí)速比各有不同，可參照表 1。為了便于后續(xù)控制策略設(shè)計(jì)，定義k=ie/im，代表發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)之間的速比關(guān)系。由于發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)矩特性對(duì)模式切換過程有很大的影響，所以需要建立三者詳細(xì)的轉(zhuǎn)矩特性模型。

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型

采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行建模，如圖4 和圖5 所示，同時(shí)分別用不同的一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

式中：Te_tar為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；τe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；α為節(jié)氣門開度。

式中：Tm-max為電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩；Tm-min為電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩；τm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。

圖 4 發(fā)動(dòng)機(jī)3D 特性

圖 5 電機(jī)特性

同時(shí)考慮到E-H 過程需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，基于文獻(xiàn)[5]中發(fā)動(dòng)機(jī)反拖試驗(yàn)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)下的阻力矩特性曲線，建立發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力矩模型，如圖 6所示，其發(fā)動(dòng)機(jī)類型和功率與所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)近似。

圖 6 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力矩

1.2.2 離合器摩擦轉(zhuǎn)矩模型

DCT 中兩個(gè)濕式多片離合器的原理都是由液壓油驅(qū)動(dòng)活塞克服回位彈簧的壓力，使離合器摩擦片上產(chǎn)生正向壓力從而傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩。摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：ω1和ω2為離合器主、從動(dòng)盤角速度；P為離合器油缸油壓；μ為粘性阻力矩系數(shù)；μk為動(dòng)摩擦因數(shù)；D為離合器磨損系數(shù)；N為摩擦片數(shù)；Aeff為活塞有效作用面積；reff為有效摩擦半徑；Pth為用來消除主從盤間隙和克服彈簧空行程的油壓限值。當(dāng)油壓小于該值時(shí)，離合器不傳遞轉(zhuǎn)矩，當(dāng)油壓大于該值時(shí)，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩值按摩擦轉(zhuǎn)矩公式計(jì)算。當(dāng)離合器兩端轉(zhuǎn)速相同且此時(shí)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩小于離合器的最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩，則離合器鎖死；如果離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩超過其最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩，則離合器處于滑磨狀態(tài)，其最大靜摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

式中：μs為靜摩擦因數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中試驗(yàn)得到的離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性，離合器壓力和轉(zhuǎn)矩可近似為線性關(guān)系，因此忽略離合器老化以及摩擦因數(shù)隨溫度、轉(zhuǎn)速變化的影響，認(rèn)為其傳遞轉(zhuǎn)矩大小僅與油壓相關(guān)。離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲主要是由于油壓執(zhí)行器，采用一階慣性環(huán)節(jié)來描述離合器油壓的延遲特性，其公式為：

式中：P為離合器實(shí)際油壓；Ptar為離合器目標(biāo)油壓。離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 2。

表 2 濕式離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8-9]，其采用的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和離合器也分別為點(diǎn)燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)和濕式油壓離合器，在參數(shù)和工作特性方面與所研究的基本相同，因此分別近似取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及離合器油壓的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為0.2 s、0.002 s 和0.025 s。由于模式切換協(xié)調(diào)控制策略是基于轉(zhuǎn)矩控制設(shè)計(jì)的，因此控制器給離合器發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令需要轉(zhuǎn)換為油壓指令給油壓執(zhí)行器OPC。離合器的控制系統(tǒng)如圖 7 所示，離合器目標(biāo)油壓可由式（9）反算得到。

圖 7 離合器控制系統(tǒng)

2 模式切換協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)

對(duì)E-H 過程的控制一般可分為4 個(gè)階段[10]：倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段，離合器再次滑磨階段和轉(zhuǎn)速同步階段。設(shè)定整個(gè)過程為：發(fā)動(dòng)機(jī)被倒拖到設(shè)定轉(zhuǎn)速后離合器分離；發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)后加速到與目標(biāo)轉(zhuǎn)速（變速器輸入軸轉(zhuǎn)速）小于一定閾值時(shí)，離合器再次滑磨，此時(shí)將該閾值分為正負(fù)兩種情況，即離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速；離合器鎖止后進(jìn)入轉(zhuǎn)矩交替階段，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)分別達(dá)到各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，模式切換結(jié)束。下面分別介紹兩種情況下的控制策略。

2.1 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略

離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略階段劃分，如圖 8 所示。

圖 8 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速

2.1.1 倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段

在整車控制器發(fā)出模式切換指令后，離合器油壓開始上升，需在0.4 s 內(nèi)通過摩擦轉(zhuǎn)矩倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速[11]，因此通過計(jì)算將該階段離合器的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tc_tar設(shè)定為60 Nm 以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在0.4 s內(nèi)轉(zhuǎn)速達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。由于離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩Tc會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生拖曳效應(yīng)，通過電機(jī)補(bǔ)償離合器轉(zhuǎn)矩對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的干擾，如式（12）所示。

式中：Tm_tar為電機(jī)補(bǔ)償后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；Treq為電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛所需轉(zhuǎn)矩；Tc_e為離合器轉(zhuǎn)矩估計(jì)值。

為了使離合器的轉(zhuǎn)矩變化不超過電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩變化率，從而造成電機(jī)補(bǔ)償無法實(shí)現(xiàn)，在控制策略中限制離合器目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化率，離合器目標(biāo)轉(zhuǎn)矩上升和下降的控制算法分別為：

式中：Kc為離合器轉(zhuǎn)矩變化率限制斜率；為限制斜率后的離合器目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)階段控制策略如圖9 所示。

圖 9 倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)階段控制策略

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火離合器分離階段

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)。此階段為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊以及離合器滑磨功，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前控制濕式離合器分離，此時(shí)離合器油壓下降至Kisspoint（油壓限值Pth）點(diǎn)，雖不傳遞轉(zhuǎn)矩，但為離合器再次滑磨階段做準(zhǔn)備。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)后需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID 控制[12]，使之與變速器輸入軸轉(zhuǎn)速快速同步。發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速即是變速器輸入軸轉(zhuǎn)速。

2.1.3 離合器再次滑磨階段

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器輸入軸轉(zhuǎn)速差小于一定閾值時(shí)，進(jìn)入離合器再次滑磨階段，離合器的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為離合器接合完成瞬間所傳遞的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)

式中：TL為車輛行駛阻力矩，包括風(fēng)阻、滾動(dòng)阻力和坡道阻力，可由式（6）中的公式計(jì)算；J為整車等效到車輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算公式為

在該階段由于離合器轉(zhuǎn)矩在接合時(shí)存在由負(fù)到正的突變，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，電機(jī)需要提供額外的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩來抑制轉(zhuǎn)矩突變產(chǎn)生的沖擊。由于駕駛員對(duì)車輛加速度有更直觀的感受，針對(duì)此問題，選擇以整車目標(biāo)加速度為控制目標(biāo)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償PID 控制來抑制整車沖擊度，不考慮滑移，目標(biāo)加速度可按照式（15）計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)按照上一階段進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

式中：af為目標(biāo)加速度；Tdem為駕駛員對(duì)整車的需求轉(zhuǎn)矩。該階段的控制策略如圖10 所示。

圖 10 電機(jī)開環(huán)+閉環(huán)控制策略

2.1.4 轉(zhuǎn)矩交替階段

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速同步后，離合器鎖止，離合器油壓上升到最大值，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)從當(dāng)前轉(zhuǎn)矩向能量管理策略預(yù)先制定的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩過渡。發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式。在此過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢且難以精確估計(jì)，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，控制精度高，為了保證系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，設(shè)計(jì)了“發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩近似估計(jì)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”的協(xié)調(diào)控制策略，如圖 11 所示。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)和便于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的近似估計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化率進(jìn)行限制，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩可近似于將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩在時(shí)間上進(jìn)行一定的延遲輸出進(jìn)行估計(jì)[13]， 為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩近似估計(jì)值，同時(shí)利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)整車需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。

圖 11 轉(zhuǎn)矩交替階段控制策略

2.2 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略

離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略階段劃分，如圖12 所示。在該控制策略中，僅有離合器再次滑磨階段不同，此處只介紹該階段的控制策略。

圖 12 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略階段劃分

發(fā)動(dòng)機(jī)按照第1 種控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于變速器輸入軸轉(zhuǎn)速一定閾值時(shí)，進(jìn)入離合器再次滑磨階段。該階段離合器向整車傳遞的轉(zhuǎn)矩為正轉(zhuǎn)矩，向發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的是負(fù)轉(zhuǎn)矩。由于離合器鎖止前后向輸出軸傳遞的均為正轉(zhuǎn)矩，所以避免了從負(fù)到正的轉(zhuǎn)矩突變。為了保證駕駛員需求轉(zhuǎn)矩不變，電機(jī)對(duì)離合器此時(shí)傳遞的正轉(zhuǎn)矩也進(jìn)行補(bǔ)償，方法類似式（12）。但該階段需要用離合器轉(zhuǎn)矩來迫使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，因此在階段的開始設(shè)定一個(gè)大于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩閾值a，然后以一定斜率下降，設(shè)計(jì)離合器控制算法為：

式中：Kc'd為該階段離合器轉(zhuǎn)矩下降斜率；tc1和tc2分別為離合器再次滑磨開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。該算法主要目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降以達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并且在轉(zhuǎn)速同步時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩盡量接近接合后傳遞的轉(zhuǎn)矩，如式（14）所示。

3 仿真研究與討論

為驗(yàn)證所提出的控制策略的有效性并分析兩種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，基于Matlab/SimDriveline 庫(kù)搭建了車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型以及控制器模型。由于在低擋位時(shí)傳動(dòng)比較大，動(dòng)力源和離合器發(fā)生的轉(zhuǎn)矩突變影響較為明顯，并且為了減少模式切換時(shí)同步器的動(dòng)作，針對(duì)P2.5 構(gòu)型特點(diǎn)，選擇平直路面車速為25 km/h 時(shí)，對(duì)從純電動(dòng)2 擋切換到混合驅(qū)動(dòng)2 擋的模式切換過程進(jìn)行仿真研究。此時(shí)，從模式切換完成時(shí)間、整車沖擊度和離合器的滑磨功3 個(gè)方面對(duì)模式切換過程進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]。其中，滑磨功可通過式（17）計(jì)算得到。

式中：Wc為離合器滑磨功，J；t為滑磨時(shí)間，s。

3.1 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略仿真研究

基于第1 種控制策略，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，隨著離合器進(jìn)入再次滑磨階段時(shí)的轉(zhuǎn)速閾值增大，模式切換時(shí)間和滑磨功有較小增加，但沖擊度明顯減小，這是因?yàn)檩^大的閾值給發(fā)動(dòng)機(jī)提供了更多時(shí)間完成點(diǎn)火后的轉(zhuǎn)矩下降。因此，為了減小該策略下的沖擊度，需要適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速閾值，同時(shí)為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間的沖擊出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速閾值不能過大。將離合器再次滑磨階段的轉(zhuǎn)速差設(shè)為300 r/min 進(jìn)行仿真研究，圖13 為離合器再次滑磨時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略下的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至混合驅(qū)動(dòng)模式的仿真結(jié)果。

圖 13 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略仿真結(jié)果

從階段變化結(jié)果可以看出，模式切換先后經(jīng)歷了倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、離合器分離發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、離合器再次滑磨和轉(zhuǎn)矩交替4 個(gè)階段。在0.5 s 之前，車輛以純電動(dòng)2 擋行駛，此階段電機(jī)提供整車需求轉(zhuǎn)矩，離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為0。

在0.5 s 時(shí)，整車控制器發(fā)出模式切換指令，進(jìn)入倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)階段。在0.844 s 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于600 r/min，倒拖階段結(jié)束；離合器轉(zhuǎn)矩逐漸降至0，油壓降至Kisspoint 點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速開始增加，直到比目標(biāo)轉(zhuǎn)速低300 r/min，此階段結(jié)束時(shí)刻的離合器滑磨功增至1.827 kJ。在1.056 s 時(shí)，進(jìn)入離合器再次滑磨階段。此階段離合器的滑磨轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)自身輸出的轉(zhuǎn)矩均使發(fā)動(dòng)機(jī)加速，因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升很快，該階段一共經(jīng)歷了0.068 s。離合器滑磨功增至1.86 kJ，之后離合器滑磨功不再變化，可見離合器滑磨功主要產(chǎn)生于倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)階段，離合器第2 次滑磨產(chǎn)生的滑磨功為0.033 kJ。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器鎖止。在離合器鎖止時(shí)刻產(chǎn)生了78.5 Nm 的轉(zhuǎn)矩突變，整車沖擊度為9.05 m/s3。在1.361 s 時(shí)，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分別達(dá)到目標(biāo)值，模式切換結(jié)束，整個(gè)模式切換過程共經(jīng)歷了0.861 s。

3.2 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略仿真研究

基于第2 種控制策略，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，再次進(jìn)入滑磨階段的轉(zhuǎn)速閾值對(duì)切換過程有很大影響，較大的轉(zhuǎn)速閾值具有較小的沖擊度，但是切換時(shí)間和滑磨功顯著增大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速閾值越高，就越需要更大的離合器轉(zhuǎn)矩來迫使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。因此，該階段的閾值越小越好，但考慮到實(shí)際工程系統(tǒng)的信號(hào)延遲，即使選擇轉(zhuǎn)速閾值為0，在實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速閾值也往往會(huì)大于0，因此將轉(zhuǎn)速差設(shè)為50 r/min 進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際工程中采用該策略出現(xiàn)的情況，進(jìn)而得到更接近試驗(yàn)的仿真工況。圖14 為離合器再次滑磨時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略下的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至混合驅(qū)動(dòng)模式的仿真結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之前的結(jié)果與第1 種控制策略相同。在0.844 s 時(shí)，離合器分離，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開始上升，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比目標(biāo)轉(zhuǎn)速高50 r/min 時(shí)，該階段結(jié)束，與第1 種控制策略相比，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩明顯增大。

圖 14 離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略仿真結(jié)果

在1.143 s 時(shí)，進(jìn)入離合器再次滑磨階段。此時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開始下降，但剛開始時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩依然高于離合器轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍在上升，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩低于離合器轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速才開始下降。在1.292 s 時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，離合器鎖止。在離合器鎖止時(shí)刻產(chǎn)生了42.5 Nm 的轉(zhuǎn)矩突變，整車沖擊度為5.9 m/s3，相比于第1 種控制策略減少了34.8%。該階段離合器滑磨功增加了0.448 kJ，相比于前一種控制策略增加了92.6%，之后離合器滑磨功不再變化。在1.6 s 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別達(dá)到目標(biāo)值，模式切換結(jié)束。整個(gè)模式切換過程一共產(chǎn)生了2.308 kJ 滑磨功，共經(jīng)歷了1.1 s。與第1 種控制策略相比，該策略整車沖擊度較小，但是離合器再次滑磨階段的滑磨功明顯增加，整個(gè)模式切換時(shí)間也較長(zhǎng)。兩種策略都能滿足模式切換的要求，整車沖擊度遠(yuǎn)小于中國(guó)推薦指標(biāo)17.64 m/s3，也小于德國(guó)推薦指標(biāo)10 m/s3[14]。

表3 兩種控制策略仿真結(jié)果對(duì)比

由兩種控制策略的仿真結(jié)果可知：第1 種策略的優(yōu)點(diǎn)是離合器滑磨功較小，模式切換時(shí)間短，但在離合器鎖止時(shí)刻有一個(gè)從負(fù)到正的轉(zhuǎn)矩突變，會(huì)無法避免地給整車帶來一定的沖擊；第2 種策略可以明顯減小離合器鎖止時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩突變，且該策略在離合器第二次滑磨階段向輸出軸傳遞的是正轉(zhuǎn)矩，可以輔助驅(qū)動(dòng)整車。但是在離合器再次滑磨階段需要用離合器轉(zhuǎn)矩來迫使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低以達(dá)到轉(zhuǎn)速同步，致使該策略下離合器滑磨功較大，模式切換時(shí)間較長(zhǎng)，但平順性較好。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)一款并聯(lián)型插電式P2.5 構(gòu)型混合動(dòng)力汽車，進(jìn)行了純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換到混合驅(qū)動(dòng)模式的控制策略研究。提出了離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略和離合器再次滑磨時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制策略，針對(duì)第1種控制策略中離合器轉(zhuǎn)矩從負(fù)到正突變帶來較大沖擊度的問題，提出了以整車縱向加速度為控制目標(biāo)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制來抑制整車沖擊度。

（2）對(duì)兩種控制策略進(jìn)行仿真研究發(fā)現(xiàn)，第1種控制策略下整車沖擊度較大，第2 種控制策略下整車沖擊度較小，但離合器滑磨功較大且模式切換時(shí)間較長(zhǎng)。因此，在大部分工況下，為了保護(hù)離合器并提高模式切換的快速性，可采用第1 種控制策略；同時(shí)通過采用改進(jìn)的閉環(huán)控制算法，可進(jìn)一步抑制轉(zhuǎn)矩突變過程中產(chǎn)生的沖擊。但是當(dāng)電機(jī)工作在外特性附近，或者動(dòng)力不足時(shí)，可以采用第2 種控制策略，因?yàn)殡x合器第2 次滑磨階段向輸出軸傳遞的是正轉(zhuǎn)矩，可以輔助驅(qū)動(dòng)整車，同時(shí)也可以提高整車平順性。