混合動力離合器啟動發(fā)動機的控制策略研究

郭 偉，王書翰，劉 洋，劉獻(xiàn)棟，董 鵬

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2.新能源汽車高效動力傳動與系統(tǒng)控制北京重點實驗室，北京100191；3.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

混合動力離合器啟動發(fā)動機的控制策略研究

郭 偉1,2，王書翰1,2，劉 洋3，劉獻(xiàn)棟1，董 鵬1,2

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2.新能源汽車高效動力傳動與系統(tǒng)控制北京重點實驗室，北京100191；3.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

研究了P2結(jié)構(gòu)混合動力傳動系統(tǒng)通過IMG電機和混動離合器對發(fā)動機的啟動控制。建立了與發(fā)動機啟動過程相關(guān)的關(guān)鍵物理模型和控制策略模型，并分析了模型物理參數(shù)和控制參數(shù)對啟動性能的影響。通過仿真發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的啟動轉(zhuǎn)速、混動離合器的壓力控制都會對發(fā)動機的啟動時間和舒適性造成影響。在發(fā)動機啟動過程中，對換擋離合器采用滑摩的控制方式來消除混動離合器壓力與控制轉(zhuǎn)矩不匹配時產(chǎn)生的沖擊。通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的超調(diào)量進行監(jiān)控，動態(tài)地自適應(yīng)調(diào)整混動離合器的控制壓力以保證控制效果的一致性。為了兼顧不同油門下對發(fā)動機啟動過程的動力性和舒適性的要求，通過離合器壓力控制，對小油門工況采用舒適型啟動控制，對大油門工況采用動力型啟動控制。整車的試驗結(jié)果對離合器啟動發(fā)動機的控制過程進行了驗證，從啟動時間和舒適性角度滿足整車對啟動性能的要求。

混合動力；雙質(zhì)量飛輪；啟動控制；離合器控制；速度控制

混合動力汽車［1-4］不僅燃油經(jīng)濟性高，駕駛性能優(yōu)越，而且由于有驅(qū)動電機的助力，還可以優(yōu)化發(fā)動機（ICE）的經(jīng)濟工作區(qū)域以降低油耗。混合動力汽車是在駕駛員對整車動力性、經(jīng)濟性和國家對排放與油耗法規(guī)要求的驅(qū)動下，以及電機和電池技術(shù)水平提高的前提下發(fā)展起來的，但是在大力推廣過程中仍然存在一些問題，其中最主要的問題是成本因素。由于增加了電機、電池等硬件，產(chǎn)品價格大幅提高。而通過提高軟件的控制性能來降低對硬件的要求甚至取消部分硬件是一種有效的方法。

根據(jù)P2［5-7］結(jié)構(gòu)混合動力的特點，發(fā)動機和IMG（Integrated Motor Generator）電機［8］通過離合器連接，控制離合器的壓力可以將IMG電機的轉(zhuǎn)矩輸出到發(fā)動機輸出端，從而帶動發(fā)動機到點火轉(zhuǎn)速實現(xiàn)發(fā)動機啟動。這樣不僅可以取消傳統(tǒng)整車上的發(fā)動機啟動電機減少產(chǎn)品成本，還可以減小整車發(fā)動機艙內(nèi)各部件的空間布置壓力。

1 P2混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

P2混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，動力系統(tǒng)中發(fā)動機和IMG電機共同提供動力驅(qū)動整車。發(fā)動機通過雙質(zhì)量飛輪（DMF）［9］與變速器的混動離合器C0的主動端相連，IMG電機與C0的從動端相連，C0的從動端與變速器的輸入軸相連。變速器的輸出軸通過差速器與整車的前軸相連。當(dāng)C0打開時，IMG電機提供整車驅(qū)動力矩進入純電動模式。在發(fā)動機熄火時，通過C0的壓力控制可以實現(xiàn)對發(fā)動機的啟動控制，同時保證傳動鏈對動力的傳遞。發(fā)動機啟動后對IMG電機充電進入發(fā)動機驅(qū)動充電工作模式，或者和IMG電機一起驅(qū)動整車進入并聯(lián)［10-12］工作模式，或者單獨驅(qū)動整車進入純發(fā)動機工作模式。

在C0啟動發(fā)動機的控制過程中，尤其是在發(fā)動機點火過程不穩(wěn)定且轉(zhuǎn)矩也比較難控制的情況下，為了避免發(fā)動機的振動通過變速器傳遞到輸出軸，可以考慮在C0與變速器輸入軸之間增加一個扭轉(zhuǎn)減振器，但是由于前置前驅(qū)變速器的軸向尺寸要求比較難布置，所以一般應(yīng)用在縱置變速器中。從控制角度可以對換擋離合器進行滑摩控制形成緩沖阻尼來吸收振動。

圖1 P2混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

P2混合動力自動變速器（Automatic Transmission，AT）結(jié)構(gòu)方案如圖2所示，它是在傳統(tǒng)的8AT基礎(chǔ)上，取消液力變矩器，增加混動離合器C0，再與ISG電機和電子油泵組合而成。為了提高油泵的工作效率降低轉(zhuǎn)矩?fù)p失，同時保證低速和停車時對系統(tǒng)壓力的需求，采用機械泵（MOP）和電泵（EOP）共同工作的設(shè)計方式。由于ISG電機是布置在變速器上，可以采用液力驅(qū)動方式控制C0，不僅結(jié)構(gòu)簡單成本低，還能充分利用液壓系統(tǒng)設(shè)計對電機和C0進行潤滑冷卻。

圖2 P2-8AT混合動力自動變速器結(jié)構(gòu)方案

2 ICE啟動過程建模

2.1 ICE動態(tài)性能建模

發(fā)動機啟動過程控制受發(fā)動機工作特性的影響很大，傳統(tǒng)發(fā)動機是通過啟動電機的齒輪與發(fā)動機飛輪嚙合輸出轉(zhuǎn)矩啟動，啟動電機的功率只有不到2 kW，只能將發(fā)動機帶到300～400 r/min附近，達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速需要發(fā)動機主動噴油控制。而采用C0啟動方式，IMG電機通過離合器與發(fā)動機相連，輸出功率可以達(dá)到50 kW以上，可將發(fā)動機直接拖到怠速以上。相比傳統(tǒng)啟動方式，C0啟動方式不但可以提高發(fā)動機的啟動響應(yīng)速度和提升發(fā)動機啟動過程中的NVH性能，還可提高發(fā)動機主動噴油點火的轉(zhuǎn)速，避開怠速前的發(fā)動機低效工作區(qū)域，降低油耗，同時減小發(fā)動機啟動沖擊轉(zhuǎn)矩。為了更好地研究C0啟動發(fā)動機的性能，需對發(fā)動機啟動過程的工作特性進行分析。

只考慮發(fā)動機活塞、連桿和曲柄的剛體運動如圖3所示，發(fā)動機單缸體的運動方程可表示為：

式中：TL為發(fā)動機曲柄端的外部轉(zhuǎn)矩，Nm； TP為氣缸壓力轉(zhuǎn)矩，Nm；Tf為發(fā)動機摩擦轉(zhuǎn)矩，Nm；Ta為發(fā)動機慣性轉(zhuǎn)矩，Nm。

圖3 發(fā)動機單缸體運動模型

發(fā)動機的慣性轉(zhuǎn)矩由旋轉(zhuǎn)慣性轉(zhuǎn)矩Trot和往復(fù)慣性轉(zhuǎn)矩Trec組成，而且通過特征量K的引入，活塞往復(fù)運動動力學(xué)方程描述為：

式中：Je為每個活塞的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；m為活塞往復(fù)運動的質(zhì)量，kg；R為曲柄半徑，m；L為連桿長度，m；θ為曲柄轉(zhuǎn)交轉(zhuǎn)角，rad；ωr為曲柄的轉(zhuǎn)速，rad /s；K為每個活塞的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2。

在啟動過程中，進排氣門按照氣門正時規(guī)律開合。不考慮進排氣門正時的影響，利用理想氣體的“進氣—壓縮—膨脹—排氣”的過程簡單模擬發(fā)動機一個循環(huán)過程的四沖程，對于壓縮比為ε的氣缸，氣缸內(nèi)氣壓施加在曲柄上的轉(zhuǎn)矩TP表示為：

式中：D為氣缸直徑，m；fp為氣缸壓力變化函數(shù)。

每個氣缸的總摩擦轉(zhuǎn)矩被看成是6個不同發(fā)動機零部件的線性摩擦轉(zhuǎn)矩之和。每個氣缸受到的摩擦轉(zhuǎn)矩包括：活塞裙部摩擦轉(zhuǎn)矩Tf（1），閥件系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩T（f2），附件和無載荷軸承轉(zhuǎn)矩T（f3），承載軸承轉(zhuǎn)矩Tf（4），活塞環(huán)黏性潤滑Tf（5），混合潤滑區(qū)域摩擦轉(zhuǎn)矩Tf（6），即每個氣缸受到的摩擦轉(zhuǎn)矩可表示為：

式中：ai為各摩擦轉(zhuǎn)矩的計算因子。

2.2 雙質(zhì)量飛輪模型

雙質(zhì)量飛輪（DMF）是扭振減振器，它對汽車運行過程和發(fā)動機啟動過程的舒適性貢獻(xiàn)很大，它在降低振動和噪聲的同時，還能起到舒緩沖擊的作用。通過DMF連接發(fā)動機和變速器，降低了連接剛度，隔離了發(fā)動機振動的傳遞。在C0啟動發(fā)動機的過程中，啟動力矩通過DMF傳遞到發(fā)動機的飛輪端，因此它的剛度和阻尼特性將會很大程度地影響啟動發(fā)動機的性能，針對這個問題德國的ZFSachs公司開發(fā)了一款新型DMF。這種DMF由多級螺旋彈簧作用在摩擦元件上（圖4），當(dāng)?shù)谝毁|(zhì)量塊受到擠壓后，螺旋彈簧通過摩擦元件徑向擠壓飛輪的第二質(zhì)量塊并建立摩擦阻尼。其摩擦特性可以衰減發(fā)動機啟動過程的振動。根據(jù)圖4中質(zhì)量塊的受力分析可以建立單體摩擦轉(zhuǎn)矩計算模型，如式（6）所示。

式中：μ為摩擦元件的摩擦因數(shù)；Tvisc_i為單一質(zhì)量塊的粘性阻力矩，Nm；μvisc為粘性阻尼系數(shù)；Ni為單一質(zhì)量塊的徑向壓力；Δθi為螺旋彈簧的彈性形變量；KDMF為螺旋彈簧的剛度。

2.3 整車的懸置系統(tǒng)模型

為了評估和優(yōu)化發(fā)動機啟動過程的舒適性，發(fā)動機和變速器與整車的懸置剛度、阻尼是必須考慮的問題。發(fā)動機和變速器的動力總成是通過一組低剛度的懸置系統(tǒng)固定在整車的發(fā)動機艙里。在發(fā)動機啟動過程中，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和慣性力的振動，作用在如圖5所示的垂直方向和旋轉(zhuǎn)方向（為了簡化模型，只考慮了這兩個自由度方面的影響因素）上，最終都會通過懸置傳遞到整車上。

圖5 發(fā)動機和變速器在整車上的自由度

2.4 參數(shù)對ICE啟動性能的影響

2.4.1 雙質(zhì)量飛輪的剛度kDMF

為了研究DMF的剛度對發(fā)動機啟動過程的影響，通過改變DMF彈簧的剛度來改變DMF轉(zhuǎn)速在600 r/min到1 000 r/min之間的固有頻率。通過仿真可以得到懸置安裝在整車上的發(fā)動機和變速器的受力情況（不考慮重力因素），如圖6所示。由圖可知，增加DMF的剛度可以降低20%以上的懸置受力波動振幅。目前主流的DMF設(shè)計一般傾向于降低剛度，這樣有利于降低發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速從而降低油耗。但是低剛度并不太適合發(fā)動機啟停控制，因此為了提高啟動舒適性，適當(dāng)提高發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速比較有利，因為混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般工作在1 500 r/min以上。此外，通常設(shè)計更硬的DMF以便進一步減小動力總成在整車的布置空間。

2.4.2 發(fā)動機啟動力矩的影響

另一個影響發(fā)動機啟動速度和舒適性的控制參數(shù)是C0的啟動力矩。在兩種不同的C0啟動力矩的控制下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和懸置受力情況，如圖7所示。在C0離合器60 Nm的啟動力矩下，發(fā)動機需要0.6 s以上的時間才能達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，此時懸置受力振幅較小，C0的啟動力矩提升至100 Nm時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0.35 s左右便可以達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，但是此時懸置受力的振幅大幅增加，這樣就更容易產(chǎn)生沖擊，對懸置的設(shè)計要求就更高，否則極易造成啟動沖擊傳遞到整車。所以C0的控制是優(yōu)化啟動發(fā)動機過程的關(guān)鍵。

圖6 DMF的剛度對啟動性能的影響

圖7 啟動力矩對啟動性能的影響

3 C0啟動發(fā)動機的控制原理

對于C0啟動發(fā)動機的控制目標(biāo)主要包括啟動的響應(yīng)性和舒適性，響應(yīng)性可以通過增加發(fā)動機的啟動力矩實現(xiàn)，舒適性需要減小C0啟動發(fā)動機過程中的變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩突變。純電動工作模式進入并聯(lián)驅(qū)動工作模式時，通過C0啟動發(fā)動機的控制過程，按照C0的壓力PC0控制過程可以分為6個階段，如圖8所示。

圖8 C0啟動發(fā)動機控制過程

階段1：該階段是C0主動啟動發(fā)動機過程，對啟動的最低轉(zhuǎn)速要求應(yīng)保證發(fā)動機能夠從主動噴油點火運行到怠速轉(zhuǎn)速之上。也可以通過C0將發(fā)動機拖行至輸入軸轉(zhuǎn)速之下的任何一個轉(zhuǎn)速。通過C0的壓力控制產(chǎn)生一個脈沖轉(zhuǎn)矩TC0，該脈沖轉(zhuǎn)矩又通過DMF作用在發(fā)動機的輸出軸上用來啟動發(fā)動機。C0的脈沖壓力越大，產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)矩也越大，此時C0作用在變速器輸入軸的轉(zhuǎn)矩負(fù)載也越大。根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)矩計算Tin=TC0+TIMG，C0產(chǎn)生的負(fù)載必須通過增加IMG電機轉(zhuǎn)矩TIMG來平衡才能夠保證輸入軸轉(zhuǎn)矩Tin在啟動發(fā)動機過程中保持不變，也才不致產(chǎn)生啟動沖擊。這就對PC0和TIMG有著較高的控制要求，不僅包括控制精度還包括響應(yīng)時間。

階段2：該階段是發(fā)動機主動噴油點火調(diào)速過程，此時發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對變速器輸入軸而言仍是負(fù)轉(zhuǎn)矩，且點火產(chǎn)生的激振會通過C0傳遞到變速器上，為了保證舒適性，可使C0脫開，斷開發(fā)動機與變速器之間的關(guān)聯(lián)。PC0的壓力可以控制在離合器的接觸壓力之下，這樣既保證C0不傳遞轉(zhuǎn)矩，又能避免再次充油，提高C0控制響應(yīng)性。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速nICE大于電機轉(zhuǎn)速nISG后，退出階段2。

階段3：該階段是通過增加C0壓力使離合器轉(zhuǎn)矩TC0與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩TICE控制達(dá)到平衡的控制過程。發(fā)動機傳遞到變速器輸入軸上的轉(zhuǎn)矩與C0的壓力相關(guān)。當(dāng)TC0＜TICE時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會繼續(xù)上升，當(dāng)TC0＞TICE時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始下降，尋找發(fā)動機轉(zhuǎn)速nICE變化的臨界點是后續(xù)階段通過PC0實現(xiàn)速度閉環(huán)控制和自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。

階段4：該階段是通過C0壓力控制實現(xiàn)滑差消除的階段。PC0壓力增加越快，C0滑差消除越快，同時越容易產(chǎn)生拖拽感，所以PC0的控制需要與發(fā)動機輸入的轉(zhuǎn)矩匹配。

階段5：該階段是C0快速壓緊并達(dá)到最大控制壓力的過程。

階段6：該階段是發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩交換的過程。C0完全閉鎖后，便可進行轉(zhuǎn)矩的交換控制。

4 C0啟動發(fā)動機的特性動態(tài)仿真

4.1 ICE在不同的轉(zhuǎn)速下啟動的影響

通過C0拖行發(fā)動機至1 600 r/min附近后，發(fā)動機點火，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速nICE超過電機轉(zhuǎn)速nIMG以后，C0結(jié)合，如圖9a所示。在C0啟動發(fā)動機的過程中，需要通過IMG電機增加轉(zhuǎn)矩來平衡發(fā)動機的負(fù)載，保證輸入軸轉(zhuǎn)矩Tin的穩(wěn)定。在發(fā)動機達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，C0壓力PC0和IMG電機轉(zhuǎn)矩下降，發(fā)動機開始自行點火來控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速跟隨IMG電機轉(zhuǎn)速。由于發(fā)動機在C0完全脫開后才能點火，所以發(fā)動機轉(zhuǎn)速會存在小幅的下降。發(fā)動機點火轉(zhuǎn)速與IMG電機轉(zhuǎn)速比較接近，所以發(fā)動機啟動后控制的轉(zhuǎn)矩可以比較低，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量比較小，從仿真結(jié)果看從C0啟動發(fā)動機到C0速度同步用時1.4 s。在C0結(jié)合后，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩增加為IMG電機充電進入發(fā)動機充電驅(qū)動工作模式。

圖9 發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的啟動仿真

通過C0拖行發(fā)動機至500 r/min，發(fā)動機再自行點火啟動的運行工況，如圖9b所示。發(fā)動機點火之后，轉(zhuǎn)速快速上升，由于C0的壓力響應(yīng)存在一定的滯后，C0相對于發(fā)動機而言產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機輸出的凈轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機產(chǎn)生了400 r/min 的超調(diào)量，然后隨著C0的轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸下降，最后完成速度同步。由仿真結(jié)果可知，從C0啟動發(fā)動機到C0速度同步用時0.7 s。

對比兩種仿真工況可知，發(fā)動機點火的轉(zhuǎn)速越低，發(fā)動機調(diào)速的區(qū)域越大，就可以增加發(fā)動機調(diào)速時控制的轉(zhuǎn)矩。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，產(chǎn)生的阻力力矩也隨著增加，在相同的TC0下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升速度將會下降，此外，通過C0調(diào)速的過程受限于IMG電機的最大轉(zhuǎn)矩容量。

4.2 C0控制對ICE啟動的影響

在C0啟動發(fā)動機的過程中，涉及到發(fā)動機控制單元EMS對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的控制，IMG電機控制單元MCU對電機轉(zhuǎn)矩進行控制，變速器控制單元TCU對C0壓力的控制。這三種控制由不同的控制器完成，這給控制增加了非常大的難度。C0壓力控制對啟動過程的影響如圖10所示。當(dāng)IMG電機的增加轉(zhuǎn)矩相對于C0的實際壓力存在滯后時，輸入軸的轉(zhuǎn)矩Tin將會出現(xiàn)如圖10所示的轉(zhuǎn)矩沖擊，并導(dǎo)致區(qū)域Ⅰ所示的輸入軸轉(zhuǎn)速的波動并造成沖擊。由于C0的壓力在啟動發(fā)動機過程中屬于開環(huán)控制，而實際的壓力響應(yīng)受C0液壓系統(tǒng)［13-15］的泄漏、彈簧特性、電磁閥特性等因素的影響而存在20～50 ms的誤差，且無法檢測。為了解決這一問題，從硬件上，可以在C0的后端增加扭轉(zhuǎn)減振器進行緩沖，還可以提高C0的壓力控制精度，但這些方法均存在一定的局限性且會增加成本。從控制上，可以使用換擋離合器進行滑摩控制，使輸出到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，此外，還可以監(jiān)控C0啟動過程中輸入軸的加速度變化情況，對IMG電機的增加轉(zhuǎn)矩請求時間進行自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整。

當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于IMG電機轉(zhuǎn)速時，C0壓力開始快速上升，則發(fā)動機負(fù)載增加，致使發(fā)動機轉(zhuǎn)速停止上升并下降。但是如果在階段2的C0壓力PC0_B偏低，會導(dǎo)致在階段3的C0壓力上升過程存在較大遲滯，而C0的轉(zhuǎn)矩TC0也將隨之出現(xiàn)遲滯，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速nICE持續(xù)上升，直到PC0實際壓力能夠跟上。仿真結(jié)果如圖10中的區(qū)域Ⅱ，nICE出現(xiàn)了550 r/min的超調(diào)，這樣會影響整個啟動過程的時間以及C0的壽命。提高PC0_B的壓力可以降低壓力的遲滯，但是如果此階段的C0傳遞轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重影響了發(fā)動機啟動的平順性，則需要根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速“飛車”程度對PC0_B壓力進行動態(tài)學(xué)習(xí)調(diào)整，找到最佳的控制壓力點。

圖10 C0壓力控制對啟動過程的影響

5 C0啟動ICE的優(yōu)化控制

為提高發(fā)動機啟動過程的舒適性，可以考慮通過換擋離合器的滑摩控制進行緩沖。因為讓閉鎖的離合器進入滑摩狀態(tài)后，從輸入軸傳遞到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩將與換擋離合器的控制壓力相關(guān)，作用在變速器輸入軸的轉(zhuǎn)矩沖擊將會被滑摩的換擋離合器吸收。這種控制方式可以大幅降低來自發(fā)動機啟動過程中的轉(zhuǎn)矩沖擊，以及C0壓力控制與IMG電機轉(zhuǎn)矩控制的匹配誤差，提高啟動舒適性。在與圖10相同的外部仿真輸入條件下，增加換擋離合器的滑摩控制得到的仿真結(jié)果如圖11所示。在C0啟動發(fā)動機之前，降低其中一個閉鎖的換擋離合器壓力Psft，使其開始滑摩，即IMG電機轉(zhuǎn)速大于目標(biāo)輸入軸轉(zhuǎn)速nTaraet_In。當(dāng)nIMG-nTaraet_In大于一定值后，C0開始啟動發(fā)動機，雖然發(fā)生了C0轉(zhuǎn)矩和IMG電機轉(zhuǎn)矩不匹配導(dǎo)致輸入軸轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生沖擊的情況，但是由于換擋離合器壓力Psft平穩(wěn)，所以從目標(biāo)輸入軸轉(zhuǎn)速nTaraet_In上看不出明細(xì)波動。只是IMG電機轉(zhuǎn)速nIMG出現(xiàn)了“掉坑”，而換擋離合器壓力Psft因為PI控制的影響會隨著nIMG-nTaraet_In的減小而減小，同時IMG電機負(fù)載減小，使nISG又逐步上升。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速nICE大于電機轉(zhuǎn)速nISG時，C0開始快速結(jié)合?？紤]到圖10中的IMG電機轉(zhuǎn)速超調(diào)嚴(yán)重，所以圖11中階段2的C0控制壓力PC0_B從60 kPa提高到100 kPa，這樣C0壓力的遲滯減小，IMG電機轉(zhuǎn)速超調(diào)大幅減弱。當(dāng)C0的滑差消除完成結(jié)合后，可以增加換擋離合器的壓力Psft重新進入閉鎖狀態(tài)，完成整個發(fā)動機的啟動過程。

圖11 換擋離合器滑摩控制

6 整車試驗分析

汽車行駛過程中，發(fā)動機啟動觸發(fā)條件有兩個：一是動力性因素，即駕駛員需要快速啟動發(fā)動機提供驅(qū)動力；二是非動力性因素，即整車運行到另外一個工況點時，需要啟動發(fā)動機，從而保證各功率源以最佳動力狀態(tài)輸出，此時的關(guān)鍵是保證發(fā)動機啟動過程的舒適性。所以發(fā)動機啟動過程可以分成動力型啟動和舒適型啟動。

6.1 舒適型ICE啟動控制

舒適型慢啟發(fā)動機整車測試結(jié)果如圖12所示。由圖可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從0到2 500 r/min的啟動時間為1 s，在啟動過程中，C0的控制壓力只有300 kPa，降低了IMG電機的負(fù)載，避免產(chǎn)生拖拽感，C0啟動控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800 r/min ，耗時0.5 s。在800 r/min之后，發(fā)動機主動調(diào)速至IMG電機轉(zhuǎn)速之上，然后控制C0的壓力控制逐漸實現(xiàn)速度同步。在整個控制過程中，換擋離合器一直保持滑摩狀態(tài)，整車加速度曲線比較平穩(wěn)，控制的品質(zhì)非常好，滿足舒適性控制要求。

圖12 舒適型慢啟發(fā)動機整車測試結(jié)果

6.2 動力型ICE起動控制

動力型快啟發(fā)動機整車測試結(jié)果，如圖13所示。由圖可知，發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速從0到2 500 r/min的啟動時間為0.5 s，與舒適型啟動方式相比節(jié)省了0.5 s。在啟動過程中，C0的控制壓力提高到400 kPa，增加了發(fā)動機的啟動轉(zhuǎn)矩后，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min 時，發(fā)動機開始主動控制輸出轉(zhuǎn)矩，在C0壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩TICE的作用下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速上升。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速接近IMG電機轉(zhuǎn)速時，C0壓力快速下降以避免C0傳遞的轉(zhuǎn)矩因C0滑差的方向改變導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩突變而產(chǎn)生沖擊。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過IMG電機轉(zhuǎn)速時，C0壓力快速上升并壓緊完成發(fā)動機的啟動過程。整車加速度曲線平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯沖擊，在快速啟動時間和舒適性兩方面均滿足控制要求。

圖13 動力型快啟發(fā)動機整車測試結(jié)果

7 結(jié)論

本文介紹了對于P2混合動力結(jié)構(gòu)方案采用IMG電機通過C0啟動發(fā)動機的控制方法，經(jīng)分析研究獲得以下成果：

（1）建立了影響發(fā)動機啟動過程的關(guān)鍵模型并對啟動過程中的特性參數(shù)和控制參數(shù)進行了分析。

（2）介紹了C0啟動發(fā)動機的控制原理和過程，并對發(fā)動機在不同的轉(zhuǎn)速下啟動和C0控制對發(fā)動機啟動的影響進行了動態(tài)仿真；分析了C0啟動發(fā)動機到不同轉(zhuǎn)速的影響和C0壓力控制對啟動過程控制的影響。

（3）通過對換擋離合器進行滑摩控制，優(yōu)化了C0啟動發(fā)動機的過程，提高了啟動舒適性。

（4）通過整車測試驗證了舒適型和動力型發(fā)動機啟動的控制過程，并通過試驗數(shù)據(jù)驗證了啟動過程的時間要求和舒適性要求。

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作者介紹

責(zé)任作者：王書翰（1979-），男，遼寧大連人。博士，副教授，主要從事車輛傳動技術(shù)研究。

Tel：010-82338121；13911419136

The Control Strategy Research of Engine Start with Hybrid Clutch

GUO Wei1,2，WANG Shuhan1,2，LIU Yang3，LIU Xiandong1，DONG Peng1,2
（1. School of Transportation Science and Engineering，Beijing University，Beijing 100191，China; 2. Beijing Key Laboratory for High-efficient Power Transmission and System Control of New Energy Resource Vehicle，Beijing 100191，China；3. China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

The engine start control by using the IMG motor and hybrid clutch based on the P2 hybrid power system was studied. The key physical model and control model related to the engine start process were established to analyze the influences of physical and control parameters on engine start performance. Simulation results demonstrate that, the target speed during the engine starting and pressure control for the hybrid clutch can affect the engine start time and occupant comfort. For shifting the sliding friction control is used to eliminate the impact of the mismatch between the hybrid clutch control pressure and control torque during the engine starting control process. The control pressure was adaptively adjusted to ensure the consistency of responses by monitoring the overshoot of engine speed. In order to take into account the requirements of both dynamic performance and occupant comfort, the engine start with more comfort is applied under the “small gas pedal” condition and with better dynamic performance under the“big gas pedal” condition by using clutch pressure control. The vehicle test results show that the starting time and comfort can meet the vehicle performance requirements for engine start.

hybrid power；dual mass flywheel；start control；clutch control；speed control

U463.2

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.05

郭偉（1963-），男，湖北咸寧人。博士，主要從事車輛傳動技術(shù)研究。

2017-01-01 改稿日期：2017-04-05

國家自然科學(xué)基金（51405010）

參考文獻(xiàn)引用格式：

郭偉，王書翰，劉洋，等. 混合動力離合器啟動發(fā)動機的控制策略研究［J］. 汽車工程學(xué)報，2017，7（4）：270-279.

GUO Wei，Wang Shuhan，LIU Yang，et al. The Control Strategy Research of Engine Start with Hybrid Clutch［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(4)：270-279.(in Chinese)

Tel：010-82338121；18562598001