基于P2構(gòu)型的混合動(dòng)力汽車電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程協(xié)調(diào)控制

寧甲奎 田 輝 趙 彬

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心， 吉林 長春 130011)

基于P2構(gòu)型的混合動(dòng)力汽車電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程協(xié)調(diào)控制

寧甲奎 田 輝 趙 彬

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心， 吉林 長春 130011)

本文以采用P2混合動(dòng)力構(gòu)型，搭載雙離合自動(dòng)變速器(DCT)的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，對純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的過程建立其動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行分析。針對在純電動(dòng)行進(jìn)過程中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，因電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩變化引起車輪端驅(qū)動(dòng)扭矩劇烈變化導(dǎo)致沖擊的問題，通過控制DCT離合器滑摩來減小整車沖擊，進(jìn)一步提出了基于模糊PID算法的DCT離合器壓力控制策略和動(dòng)力源扭矩協(xié)調(diào)控制策略。最后通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文所提出的控制策略能有效提高模式切換過程中車輛的平順性。

P2混合動(dòng)力系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 離合器控制 模式切換平順性

0 引言

混合動(dòng)力汽車以發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩者作為整車的動(dòng)力源，在電池電量充足或動(dòng)力需求較小時(shí)采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式行駛，在電池電量不足或動(dòng)力需求較大時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)模式行駛，以保證整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的高效運(yùn)行，從而提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能[1]。然而，在混合動(dòng)力汽車模式切換時(shí)，各動(dòng)力源響應(yīng)其目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的過程中，若控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，從而影響整車平順性[2]。

目前針對混合動(dòng)力汽車模式切換過程中各個(gè)部件的協(xié)調(diào)控制已成為國內(nèi)外混合動(dòng)力汽車的重要研究內(nèi)容。R.Beck等[3]針對一種并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換平順性問題進(jìn)行研究，提出模型預(yù)測控制方法，提高了模式切換過程中整車平順性，并通過仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。Hyunsup Kim[4]等針對混合動(dòng)力汽車由純電驅(qū)動(dòng)模式切換至混合驅(qū)動(dòng)模式這一過程設(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀測器并提出了四階段控制策略，提高了控制精度和駕駛平順性。柳士江等[5]針對基于雙離合器的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同初始工況下的啟動(dòng)特性來提升模式切換的平順度，仿真結(jié)果表明提出的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性能夠有效降低離合器的沖擊度，提高模式切換平順性。

本文以提高混合動(dòng)力汽車在模式切換過程中的整車平順性為目標(biāo)，針對搭載雙離合自動(dòng)變速器(DCT)的P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)，在純電動(dòng)行進(jìn)間對電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)這一模式切換過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，提出了基于模糊PID算法的DCT離合器壓力控制策略和動(dòng)力源扭矩協(xié)調(diào)控制策略。并通過實(shí)車試驗(yàn)對該控制策略改善模式切換過程中整車平順性的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文所研究的P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力電池，離合器，雙離合自動(dòng)變速器，主減速器以及差速器等子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同組成，二者可分別通過傳動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，也可通過混動(dòng)模式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車輛行駛。采用該構(gòu)型的混合動(dòng)力汽車可實(shí)現(xiàn)多種工作模式(如表1所示)，包括純電動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，混合驅(qū)動(dòng)模式，行車充電模式和制動(dòng)能量回收模式，能夠有效提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)模式切換時(shí)的主要難點(diǎn)是，動(dòng)力電機(jī)在驅(qū)動(dòng)車輛行駛的同時(shí)提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩，電機(jī)的扭矩變化會(huì)引起輪端扭矩的劇烈變化，從而影響車輛的平順性。

圖1 P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of P2 hybrid vehicle

工作模式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)C0離合器純電動(dòng)010發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)101混合驅(qū)動(dòng)111行車充電1-11制動(dòng)能量回收0-11

(其中：0表示工作狀態(tài)，1表示不工作狀態(tài)，-1表示電機(jī)發(fā)電狀態(tài))

2 模式切換過程動(dòng)力學(xué)建模

針對本文所研究的P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)由純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式過程，可將該過程分為以下4個(gè)階段(如圖2所示)：1)C0離合器充油階段；2)電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)階段；3)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步階段；4)C0離合器結(jié)合及扭矩交換階段。

圖2 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式過程Fig.2 Mode-switch process of engine starting motor

P2構(gòu)型混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示，其中，Je為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jci為離合器輸入端(發(fā)動(dòng)機(jī)端)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jco為離合器輸出端(電機(jī)端)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jti為DCT輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jto為DCT輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jmr為主減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為整車質(zhì)量；r為車輪半徑；ig為DCT變速器速比；i0為主減速器速比。

圖3 P2構(gòu)型混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Dynamic model of P2 hybrid system powertrain

將主減速器、輪胎及整車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效為Jv，即：

(1)

1) C0離合器充油階段：該階段車輛以純電動(dòng)模式行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。C0離合器充油過程中，整車驅(qū)動(dòng)扭矩由電機(jī)單獨(dú)提供，此時(shí)電機(jī)的輸出扭矩Tm與車輛驅(qū)動(dòng)扭矩Td相等，其動(dòng)力學(xué)方程為：

(2)

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段：當(dāng)模式切換指令發(fā)出后，C0離合器開始接合，當(dāng)C0離合器所傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩Tc逐漸增大至大于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩Tef時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速逐漸增大至啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)的輸出扭矩為：

Tm=Td+Tc

(3)

動(dòng)力學(xué)方程為：

(4)

(5)

3) 轉(zhuǎn)速同步階段：該階段發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，離合器處于半接合滑摩狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升至與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，此時(shí)電機(jī)的輸出扭矩為：

Tm=Td+Tc

(6)

此時(shí)動(dòng)力學(xué)方程為：

(7)

(8)

4) C0離合器接合階段：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速差小于一定值時(shí)，C0離合器開始逐漸接合，同時(shí)進(jìn)行扭矩交換。此階段中，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩上升開始驅(qū)動(dòng)車輛行駛，電機(jī)扭矩逐漸減小并退出工作，其動(dòng)力學(xué)方程為：

Tm=Td-Te

(9)

(10)

3 純電動(dòng)行進(jìn)間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略

3.1DCT離合器控制策略

P2構(gòu)型混合動(dòng)力汽車在純電動(dòng)行進(jìn)間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中，通過DCT離合器滑摩控制以避免在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段電機(jī)扭矩的變化引起輪端扭矩的劇烈變化。

(11)

圖4 DCT離合器油壓模糊PID控制器Fig.4 Fuzzy-PID controller of DCT clutch oil pressure

(12)

其中，KP，KI和KD是PID控制器的參數(shù)，KP0，KI0和KD0是KP，KI和KD的初始化參數(shù)。在線運(yùn)行過程中，通過TCU實(shí)時(shí)計(jì)算離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差及電機(jī)的角加速度，然后將其模糊化，通過模糊推理可以得到PID控制器的三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量ΔKP，ΔKI和ΔKD，從而完成對控制器的調(diào)整。

圖5 輸入變量ω和的隸屬度函數(shù)Fig.5 Membership functions of input variables

圖6 輸出變量ΔKP，ΔKI和ΔKD的隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership functions of output variables

ωωmNBNMNSZOPSPMPBNBPB，NB，PSPB，NB，NSPB，NM，NBPB，NS，NBPM，NS，NBPS，ZO，NMZO，ZO，PSNMPB，NB，PSPB，NM，NSPB，NM，NBPB，NS，NMPM，ZO，NMZO，ZO，NSZO，ZO，ZONSPM，NM，ZOPM，NM，NSPM，NS，NMPM，ZO，NMPS，ZO，NSZO，ZO，NSNS，PS，ZOZOPM，NS，ZOPM，NS，NSPS，ZO，NSZO，ZO，NSNS，ZO，NSNS，PS，NSNM，PS，ZOPSPS，NS，ZOPS，ZO，ZOZO，ZO，ZONS，ZO，ZONM，PS，ZONM，PM，ZONM，PM，ZOPMZO，ZO，PBZO，ZO，NSNM，ZO，PSNM，PS，PSNB，PM，PSNB，PM，PSNB，PB，PBPBZO，ZO，PBZO，ZO，PMNM，PS，PMNB，PS，PMNB，PM，MPSNB，PB，PSNB，PB，PB

注：表中每格里有三項(xiàng)，從左到右分別為ΔKP，ΔKI和ΔKD的模糊控制規(guī)則

3.2動(dòng)力源扭矩協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)搭載DCT的P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)，制定由純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式過程中的扭矩協(xié)調(diào)控制策略，其控制邏輯如圖7所示。具體步驟為：車輛以純電動(dòng)模式行駛，當(dāng)HCU發(fā)出模式切換指令時(shí)，C0離合器開始充油，同時(shí)DCT離合器進(jìn)入滑摩階段，DCT離合器油壓采用模糊PID控制器控制；C0離合器充油完成后，電機(jī)通過增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩來提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩時(shí)，C0離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩克服發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩使發(fā)動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速差小于一定值時(shí)，認(rèn)定為發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，此時(shí)C0離合器接合，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩交換， C0離合器完成接合是DCT離合器滑摩結(jié)束的標(biāo)志。

4 實(shí)車試驗(yàn)

圖8為本文研究的實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果。其中圖8(a)為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，圖8(b)為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線，圖8(c)為車輛縱向加速度曲線。HCU發(fā)出模式切換指令后，系統(tǒng)在95.8 s時(shí)開始進(jìn)行模式切換，C0離合器開始接合并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)并在96.2 s時(shí)完成與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，最終在96.7 s時(shí)完成發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)扭矩交換。由圖8可以看出，模式切換電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中通過對DCT離合器油壓進(jìn)行控制使離合器滑摩，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，整車加速度變化可控制在1 m/s2之內(nèi)，能夠有效提高模式切換過程中的駕駛平順性。

(注：圖中TBD表示的是實(shí)車試驗(yàn)中所標(biāo)定數(shù)值)圖7 動(dòng)力源扭矩協(xié)調(diào)控制策略Fig.7 Coordinated control strategy of power source torque

(a) 轉(zhuǎn)速

(b) 轉(zhuǎn)矩

(c) 加速度

5 結(jié)論

通過對采用P2構(gòu)型并搭載雙離合自動(dòng)變速器(DCT)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，由純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至混合驅(qū)動(dòng)模式過程的研究，建立了模式切換過程每一階段的動(dòng)力學(xué)模型，提出了基于模糊PID算法的DCT離合器壓力控制策略和動(dòng)力源扭矩協(xié)調(diào)控制策略，通過實(shí)車試驗(yàn)證明該策略有效提高了此模式切換過程中的整車平順性。

[1] 冀爾聰. 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車模式切換中的協(xié)調(diào)控制問題研究[D]. 吉林大學(xué), 2006.

Ji Ercong. Study on the Coordinated Control for Mode-switch of Parallel Hybrid Electric Vehicle[D]. Jilin University, 2006.

[2] Koprubasi K, Westervelt E R, Rizzoni G. Toward the systematic design of controllers for smooth hybrid electric vehicle mode changes[C]//American Control Conference, 2007. ACC'07. IEEE, 2007: 2985-2990.

[3] Beck R, Richert F, Bollig A, et al. Model predictive control of a parallel hybrid vehicle drivetrain[C]//Decision and Control, 2005 and 2005 European Control Conference. CDC-ECC'05. 44th IEEE Conference on. IEEE, 2005: 2670-2675.

[4] Kim H, Kim J, Lee H. Mode transition control using disturbance compensation for a parallel hybrid electric vehicle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2011, 225(2): 150-166.

[5] 柳士江, 周文競, 朱玉光, 陳龍, 盤朝奉. 插電式混合動(dòng)力汽車雙離合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)優(yōu)化分析[J]. 汽車工程學(xué)報(bào), 2015, (05): 327-333.

Liu Shijiang, Zhou Wenjing, Zhu Yuguang, Chen Long, Pan Chaofeng. Engine Start-up Optimization of Double Clutch Power System in Plug-in Hybrid Vehicles[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering, 2015, (05): 327-333.

[6] 石辛民, 郝整清. 模糊控制及其MATLAB仿真[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2010.

Shi Xinmin, Hao Zhengqing. Fuzzy control and MATLAB simulation[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2010.

[7] 李明生, 趙建軍, 朱忠祥, 等. 拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)模糊PID自適應(yīng)控制方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(2): 295-300.

Li Mingsheng, Zhao Jianjun, Zhu Zhongxiang, et al. Fuzzy-PID Self-adaptive Control Method in Electro-hydraulic Hitch System[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2): 295-300.

CoordinatedControlofMotorStartingEngineProcessinP2HybridVehicle

NingJiakuiTianHuiZhaoBin

(ChinaFirstAutomobileWorksGroupCorporationResearchandDevelopmentCenter,Jilin,Changchun130011)

In this paper, the P2 hybrid system with dual clutch automatic transmission (DCT) is used as the research object, and the dynamic model of the process which electric drive mode switching to the engine drive mode is established and analyzed. Focusing on the drastic changes of wheel torque caused by motor torque rising instantaneously in the process of engine started by motor, by the way of controlling the DCT clutch slip to reduce the jerk of the vehicle, the DCT clutch pressure control strategy based on the fuzzy PID algorithm and coordinated control strategy of power source torque is proposed. Finally, the strategy is verified through road test, the test results show that the control strategy proposed in this paper can improve the ride comfort of the vehicle during the mode transition process.

P2 hybrid system engine start clutch control mode transition smoothness

U463.23

B

1006-8244(2017)03-019-05