深度混合動力系統(tǒng)發(fā)動機起動控制研究*

王 晨,王 博

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.吉利電子傳動有限公司,上海 201501)

2016089

深度混合動力系統(tǒng)發(fā)動機起動控制研究*

王 晨1，2,王 博2

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.吉利電子傳動有限公司,上海 201501)

本文旨在對深度混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機起動控制進(jìn)行研究。首先，推導(dǎo)了新型拉維娜功率分流機構(gòu)的動力學(xué)方程，應(yīng)用杠桿法分析不同擋位下起動控制的方法。接著在設(shè)定了工程目標(biāo)、考慮了諸影響因素的基礎(chǔ)上設(shè)計了功能模塊框架和接口，使用Matlab/Simulink軟件搭建了發(fā)動機起動控制模型，并進(jìn)行了聯(lián)合仿真。最后，將起動控制模型集成到混合動力系統(tǒng)模型中，生成代碼后下載到控制器中，在搭載了新型拉維娜功率分流機構(gòu)的深度混合動力車上進(jìn)行了NEDC循環(huán)的驗證。

深度混合動力系統(tǒng)；拉維娜行星機構(gòu)；起動控制

前言

隨著全球能源和環(huán)境問題日益突出，在當(dāng)前電池的續(xù)航能力和使用壽命受限條件下，研究和發(fā)展混合動力車有重要的意義。

發(fā)動機作為混合動力系統(tǒng)的主要動力來源，對它的控制是否合理，直接關(guān)系到整車的動力性、經(jīng)濟性、排放和駕駛性能。

近年來，一些學(xué)者在搭載了4速AT變速器的混合動力車輛上進(jìn)行了發(fā)動機stop-start結(jié)構(gòu)和性能的研究，并與傳統(tǒng)轎車進(jìn)行了對比[1]；文獻(xiàn)[2]中在插電式混合動力車輛上進(jìn)行了發(fā)動機起?？刂撇呗缘膬?yōu)化研究，認(rèn)為動力電池荷電狀態(tài)(SOC)可以作為PHEV發(fā)動機起停的判斷條件；文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[6]中對BSG結(jié)構(gòu)的混合動力車柴油發(fā)動機起停控制進(jìn)行了全面的闡述和研究，包括前期調(diào)研、模型仿真和控制策略的開發(fā)。這些研究的結(jié)果表明，在混合動力車輛的發(fā)動機上，采用起?？刂萍夹g(shù)可以降低排放和油耗，通過推遲點火角和平滑撤去起動電機轉(zhuǎn)矩可以減小起動沖擊。但在拉維娜或相近類型行星變速機構(gòu)基礎(chǔ)上完整研究發(fā)動機起動控制策略的論文尚少。

目前，豐田PruisⅢ[7]采用了阿特金森循環(huán)發(fā)動機和用來進(jìn)行整車功率的分流的單行星排三軸傳動變速機構(gòu)，整車百公里油耗較低(4L)，與這次研究采用的功率分流機構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)相對簡單。

本文中在新型拉維娜混合動力變速器基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了動力學(xué)方程，使用杠桿法對發(fā)動機起動模式進(jìn)行了分析，設(shè)計了完整的起動功能模塊，配合車輛物理模型和混合動力系統(tǒng)控制模型進(jìn)行了離線仿真，生成代碼并下載到控制器中進(jìn)行實車驗證。本研究可為混合動力系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)、仿真和試驗研究提供參考。

1 混合動力系統(tǒng)方案

1.1 功率分流裝置

功率分流采用雙行星排結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中：S1為小太陽輪，P1為前排輪系短(粗)行星輪；S2為大太陽輪，P2為后排輪系長(細(xì))行星輪；C為前后排輪系共用的行星架；R為輪系共用齒圈。

從圖1中可見：P1分別與S1，P2和齒圈嚙合；P2與S2和P1嚙合。

1.2 動力學(xué)方程

根據(jù)行星齒輪運動學(xué)方程[8]得前、后排輪系各運動部件的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為

ωS1+ρ1·ωR=(1+ρ1)·ωC

(1)

ωS2-ρ2·ωR=(1-ρ2)·ωC

(2)

式中：ωS1為前排輪系小太陽輪角速度；ωS2為后排輪系大太陽輪角速度；ωR為共用齒圈角速度；ωC為行星架角速度；ρ1，ρ2分別為前、后排輪系傳動比，ρ1=ZR/Z1，ρ2=ZR/Z2，Z1，Z2和ZR分別為太陽輪S1，S2和齒圈R的齒數(shù)。

根據(jù)行星齒輪動力學(xué)方程[9]得前、后排輪系各運動部件轉(zhuǎn)矩與齒輪嚙合力之間的關(guān)系式為

TS1=-F1·rs1

(3)

TC1=F1·(rs1+r0)

(4)

TC2=F2·(rs2-r0)

(5)

TC=TC1+TC2

(6)

TS2=-F2·rs2

(7)

TR1=-F1·r0

(8)

TR2=F2·r0

(9)

TR=TR1+TR2

(10)

式中：TS1為前排輪系小太陽輪轉(zhuǎn)矩；TS2為后排輪系大太陽輪轉(zhuǎn)矩；TC1，TC2分別為前、后排輪系作用在行星架上的轉(zhuǎn)矩；TC為前后排輪系作用在行星架上的轉(zhuǎn)矩之和；TR1，TR2分別為前、后排輪系作用在齒圈上轉(zhuǎn)矩；TR為前后排輪系作用在齒圈上的轉(zhuǎn)矩之和；rs1為前排輪系小太陽輪半徑；rs2為后排輪系大太陽輪半徑；r0為共用齒圈半徑；F1，F(xiàn)2分別為前、后排輪系齒輪嚙合力。

由以上各式可得

TR+TC+TS1+TS2=0

(11)

TR-TS1·ρ1+TS2·ρ2=0

(12)

1.3 杠桿等效圖

采用杠桿法[10]對上述新型拉維娜裝置的前、后排輪系進(jìn)行結(jié)構(gòu)等效,如圖2所示。

圖中虛線杠桿與各軸系相交，交點到水平線的垂直距離分別表示為ωS1，ωC，ωR和ωS2，以行星架為支點時，ωC=0，S1軸與C軸的水平距離為ρ1，R軸與C軸的水平距離為1，S2與C軸的水平距離為ρ2。

1.4 混合動力變速器方案

在新型功率分流裝置的基礎(chǔ)上，配置電機和發(fā)動機作為動力輸入，通過外齒圈輸出動力，構(gòu)成了混合動力變速器，如圖3所示。圖中：S1為小太陽輪；S2為大太陽輪。

發(fā)動機經(jīng)扭轉(zhuǎn)減振器與行星架相連，電機E2與后排大太陽輪相連，電機E1與前排小太陽輪相連，3者動力經(jīng)共用齒圈復(fù)合后傳遞至輸出端。忽略扭轉(zhuǎn)減振器的影響，搭載該混合動力變速器的整車動力學(xué)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖中：PG1和PG2分別為前后排行星輪系；Out為變速器動力輸出端；K為減速器傳動比；Vehicle為整車端；TE1和TE2分別為電機E1和E2的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；TEng為發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；Tf為輸出齒圈轉(zhuǎn)矩。

忽略行星輪轉(zhuǎn)動慣量，變速器各軸系動力學(xué)關(guān)系為

(13)

(14)

(15)

(16)

2 發(fā)動機起動模式分析

2.1 駐車起動模式

駐車工況時，齒圈R由駐車(P)擋機構(gòu)鎖止，小電機E1、大電機E2和發(fā)動機ICE均處于待機模式。當(dāng)動力電池電量低于某值，或者水溫較低，整車管理系統(tǒng)向小電機E1發(fā)出進(jìn)入拖轉(zhuǎn)發(fā)動機模式指令，小電機施加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩TE1，克服阻力做功，將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)至預(yù)設(shè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，此時發(fā)動機開始噴油并迅速完成起動過程，輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩TEng，小電機E1輸出制動轉(zhuǎn)矩為動力電池充電，大電機E2始終保持隨動，輸出齒圈轉(zhuǎn)矩Tf由P擋機構(gòu)提供。駐車起動模式等效杠桿圖如圖5所示。

2.2 前進(jìn)行車起動模式

2.3 倒車起動模式

3 工程設(shè)計目標(biāo)與分析

3.1 平順性

良好的起動平順性是混合動力發(fā)動機起動控制算法設(shè)計的目標(biāo)。發(fā)動機摩擦力矩[11]、施加在發(fā)動機軸上的拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與梯度和扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)是影響起動平順性的主要因素。

3.2 動力性

駕駛員有較大的加速需求或者按下運動模式開關(guān)時，需要發(fā)動機起動并快速提供轉(zhuǎn)矩。噴油點火時刻、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩加載梯度和電機電池的能力是影響動力性的主要因素。

3.3 油耗和排放特性

混合動力發(fā)動機起動控制算法還必須綜合考慮整車的油耗和排放要求，發(fā)動機進(jìn)入閉環(huán)控制的時間、目標(biāo)噴油轉(zhuǎn)速、點火角、起動時刻的空燃比配置和冷機狀態(tài)下的發(fā)動機負(fù)載是主要影響因素。

4 起動算法的設(shè)計與仿真

4.1 起動算法接口

起動算法的輸入和輸出如圖8所示，輸入包括：發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、摩擦力矩、噴油和點火正時信息(以發(fā)動機表示)；擋位位置信息(以整車表示)；電池能力(以電池表示)；駕駛員需求(以變速器表示)；制動能量回收轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)需求(以制動能量回收表示)和電機能力(以電機表示)等。輸出包括發(fā)動機、電機、車輛、制動能量回收轉(zhuǎn)矩需求和各狀態(tài)切換的標(biāo)志位。

4.2 起動算法

起動算法由起動方式判斷、狀態(tài)切換和轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)組成，如圖9所示。

起動方式根據(jù)駕駛員需求和發(fā)動機水溫分為低速起動和高速起動。低速和高速起動都由電機E1執(zhí)行轉(zhuǎn)矩將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到目標(biāo)噴油轉(zhuǎn)速完成，與低速起動相比，高速起動具有目標(biāo)噴油轉(zhuǎn)速高、起動時間長、平順性好的特點。起動方式判斷模塊還包括噴油點火時刻的設(shè)置、節(jié)氣門開度設(shè)置和進(jìn)氣壓力的判斷，如圖10所示。

狀態(tài)切換是指系統(tǒng)滿足起動發(fā)動機的條件后，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速來進(jìn)行起動狀態(tài)的識別，在起動的不同時刻為電機E1轉(zhuǎn)矩加載和發(fā)動機角加速度調(diào)節(jié)提供輸入條件，狀態(tài)切換如圖11所示。

4.3 離線仿真結(jié)果與分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下建模并進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12～圖15所示。

由圖12～圖14可見，車輛在駐車(P)擋起動發(fā)動機時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與行星架轉(zhuǎn)速吻合較好，車速一直保持為0，電機E1施加的拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩平滑；倒車(R)擋時，車輛由純電動工況切換到發(fā)動機起動工況，電機E1轉(zhuǎn)矩由負(fù)向變化為正向，將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與行星架轉(zhuǎn)速基本一致。從車速變化趨勢可以看出，在發(fā)動機起動過程中，整車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩受到限制，這是電池功率保護(hù)所致；前進(jìn)(D)擋仿真時，節(jié)氣門開度60%，純電動工況運行0.5s后起動發(fā)動機，從結(jié)果中可以看出，電機E1轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機起動瞬間有一個突變，這是系統(tǒng)為了保證起動成功限制整車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩所致，根據(jù)行星系統(tǒng)的動力學(xué)原理，電機E2的轉(zhuǎn)矩也會出現(xiàn)波動；電機轉(zhuǎn)矩突變，導(dǎo)致折算到行星架輸入軸上的拖動轉(zhuǎn)矩突變，這通過扭轉(zhuǎn)減振器緩沖后傳遞到發(fā)動機曲軸上，導(dǎo)致了由曲軸位置信號計算得出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了波動。R和P擋下起動發(fā)動機時，電機E1轉(zhuǎn)矩曲線平滑，未出現(xiàn)D擋的轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。

在發(fā)動機起動結(jié)束末期需要進(jìn)行起動是否成功的檢查，以確定是否可以開始轉(zhuǎn)矩加載；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入起動的第3階段，即起動末期，此時用于拖轉(zhuǎn)的電機E1轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速沒有下降的趨勢，且發(fā)動機反饋的實際輸出轉(zhuǎn)矩與需求轉(zhuǎn)矩接近，維持一段時間，則認(rèn)為起動結(jié)束。

由圖15可見，與高速起動方式相比，低速起動完成的時間縮短了一半；高速起動和低速起動在拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與梯度、拖轉(zhuǎn)功率、點火角設(shè)置、空燃比、節(jié)氣門開度和目標(biāo)轉(zhuǎn)速的設(shè)置上均有所區(qū)別。與高速起動相比，低速起動拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載的梯度較大，拖轉(zhuǎn)功率被限制以保護(hù)電池，點火角提前較小，其它各項在此不具體說明。從平順性角度看，低速起動方式的轉(zhuǎn)速波動比較明顯，平順性較差。

5 實車驗證

在離線仿真的基礎(chǔ)上，將起動模型集成到混合動力控制系統(tǒng)模型中并生成代碼，在某深度混合動力車上進(jìn)行NEDC循環(huán)驗證。電機、電池和發(fā)動機參數(shù)見表1，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、油耗(以CO2排放表示)和SOC變化曲線見圖16，空燃比、點火角和發(fā)動機水溫變化曲線見圖17，排放特性曲線見圖18。按照國五排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，整個NEDC循環(huán)工況的百公里綜合油耗為5.9L，HC排放為0.031g/km，CO排放為0.112g/km，NOx排放為0.011g/km，NMHC排放為0.028g/km。

在零下不同溫度點進(jìn)行了低溫起動驗證，發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線如圖19所示。由圖可見，在-9，-24和-30℃低溫環(huán)境下，系統(tǒng)執(zhí)行低速起動，電機能將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到預(yù)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，起動過程可以成功完成；隨著溫度的降低，起動過程轉(zhuǎn)速的波動增大，經(jīng)過分析認(rèn)為，低溫環(huán)境下起動過程的平順性與發(fā)動機阻力矩的波動、電機拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載方式和發(fā)動機燃燒特性有關(guān)。

表1 關(guān)鍵零部件參數(shù)

倒車起動模式驗證試驗結(jié)果如圖20所示。由圖可見，起動過程中，行星架轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速均有不同程度的抖動。與發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動相比，行星架轉(zhuǎn)速波動的頻率較高，這是電機進(jìn)行消除抖動轉(zhuǎn)矩干涉所致。

與傳統(tǒng)汽油車相比，本研究的混合動力車發(fā)動機飛輪與行星架輸入軸之間沒有離合器，在起動過程中，發(fā)動機的振動通過動力總成傳導(dǎo)到車身上，給駕駛員帶來沖擊。后續(xù)的工作將從結(jié)構(gòu)入手，深入研究起動過程的抖動問題，優(yōu)化控制策略，以達(dá)到良好的起動平順性。

6 結(jié)論

(1) 在產(chǎn)品級混合動力變速器的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了新型功率分流機構(gòu)的動力學(xué)公式，并進(jìn)行了杠桿簡化。

(2) 利用杠桿法分析了混合動力車不同擋位下的發(fā)動機起動過程，包括工作原理和控制方法。

(3) 預(yù)設(shè)了發(fā)動機起動控制的工程目標(biāo)，并提前考慮了影響目標(biāo)的各種因素，設(shè)計了功能模塊的通信接口和控制策略，并對算法進(jìn)行了分析。

(4) 利用Matlab/Simulink軟件搭建了混合動力變速器、整車物理模型和起動控制模型，分別在3種擋位下對發(fā)動機起動控制進(jìn)行了功能仿真驗證，其中P擋、R擋下發(fā)動機轉(zhuǎn)速比較平滑，D擋下發(fā)動機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩；高速和低速起動方式對比仿真結(jié)果顯示，與高速方式相比，低速方式發(fā)動機起動完成的時間縮短一半，但平順性較差。

(5) 針對設(shè)計的起動策略，在實車上進(jìn)行了國五排放試驗，并進(jìn)行了低溫起動和倒車起動試驗驗證。結(jié)果顯示：經(jīng)濟性方面，與搭載相同型號發(fā)動機的傳統(tǒng)汽油車(百公里油耗為7.5L)相比，混合動力車的百公里綜合油耗為5.9L，節(jié)油20%以上(考慮了電池電量下降折算的油耗)；動力性方面，設(shè)計了兩種起動方式，在駕駛員有動力性優(yōu)先的需求時，系統(tǒng)采用低速起動，與高速起動相比，低速起動可以縮短發(fā)動機完成起動過程的時間，提前供給轉(zhuǎn)矩；排放方面，采用了精確優(yōu)化的空燃比、點火角控制，合適的轉(zhuǎn)矩加載，全面達(dá)到國五排放標(biāo)準(zhǔn)(采用國四催化轉(zhuǎn)換器)；平順性方面，在發(fā)動機起動瞬間，車輛存在輕微抖動的現(xiàn)象。

[1] TAMAI G, HOANG T, TAYLOR J, et al. Saturn Engine Stop-Start System with an Automatic Transmission[C]. SAE Paper 2001-01-0326.

[2] LI Xianjing, LI Liguang, SUN Yongzheng, et al. Optimization of Control Strategy for Engine Start-stop in a Plug-in Series Hybrid Electric Vehicle[C]. SAE Paper 2010-01-2214.

[3] CANOVA M, GUEZENNEC Y, YURKOVICH S. On the Control of Engine Start-Stop Dynamics in a Hybrid Electric Vehicle[J]. Transactions of the ASME,2009,11(131):061005-1.

[4] CANOVA M, GUEZENNEC Y, YURKOVICH S, et al. Control of the Start/Stop of a Diesel Engine in a Parallel HEV: Modeling and Experiments[C]. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition,2006.

[5] CANOVA M, GUEZENNEC Y, YURKOVICH S, et al. Control of the Start/Stop of a Diesel Engine in a Parallel HEV with a Belted Starter/Alternator[C]. Eighth International Conference on Engines for Automobile,2007.

[6] CANOVA M, GUEZENNEC Y, YURKOVICH S, et al. Model-Based Control for Diesel Engine Start/Stop Operations with a Belted Starter/Alternator[C]. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition,2007.

[7] ZHANG Xiaowu, LI Chiao-Ting, DONGSUK Kum, et al. Prius+ and Volt-: Configuration Analysis of Power-Split Hybrid Vehicles with a Single Planetary Gear[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,16(6):3544-3552.

[8] 葛安林.車輛自動變速器理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991.

[9] 馮力平,袁建民,李書江.用行星輪系運動特性方程計算自動變速器傳動比的方法探討[J].石家莊理工職業(yè)學(xué)院學(xué)術(shù)研究,2009,4(2):14-17.

[10] BENDORD H, LEISING M. The Lever Analogy: a New Tool in Transmission Analysis[C]. SAE Paper 810102.

[11] 李紅朋,秦大同,楊陽,等.汽車發(fā)動機起動過程的動力學(xué)仿真[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2005,28(6):4-6.

A Study on Engine Start Control in a Full Hybrid Electric Vehicle

Wang Chen1,2& Wang Bo2

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.GeelyElectricTransmissionTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201501

The engine start control of a full hybrid power system is studied in this paper. Firstly the dynamics equations for a new Ravigneaux planetary power split mechanism are derived, and the start control method under different gear positions are analyzed with lever analogy technique. Then based on engineering objective defined with consideration of various influencing factors, the functional module framework and interfaces are designed, an engine start control model is built with Matlab/Simulink software and a co-simulation is conducted. Finally the engine start control model is integrated into hybrid power system model with corresponding code generated and downloaded to controller, and a NEDC cycle verification is performed on a full hybrid electric vehicle equipped with Ravigneaux planetary power split mechanism.

full hybrid power system; Ravigneaux planetary mechanism; start control

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2011AA11A20)和國家自然科學(xué)基金(51275355)資助。

原稿收到日期為2015年1月14日，修改稿收到日期為2015年4月9日。