插電式混合動力離合器控制策略與標(biāo)定

祁克光，李 康，楊俊偉，黃開勝

（1.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究總院動力總成技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241009；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京 100084）

奇瑞艾瑞澤7e使用CVT無級自動變速器，采用P2架構(gòu)的混動方式。如圖1所示，在發(fā)動機(jī)和CVT變速器之間，通過EPGS行星齒輪耦合結(jié)構(gòu)連接。耦合結(jié)構(gòu)的外部齒圈連接到電機(jī)，軸心的太陽輪連接到發(fā)動機(jī)，行星齒輪連接到CVT的輸入軸。電機(jī)和發(fā)動機(jī)之間通過C1離合器連接，當(dāng)純電模式的時候，C1離合器脫開，電機(jī)通過變速器輸出動力。當(dāng)需要發(fā)動機(jī)輸出扭矩的時候，C1離合器接合，發(fā)動機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速同步共同輸出扭矩，或者發(fā)動機(jī)同時驅(qū)動和帶動電機(jī)發(fā)電。

圖1 艾瑞澤7ePHEV的EPGS結(jié)構(gòu)示意圖

艾瑞澤7e發(fā)動機(jī)為奇瑞SQRE4G-16型號，技術(shù)參數(shù)為：1.6L排量，缸徑×行程77 mm×85.8 mm，額定功率93 kW@6150 r/min，最大扭矩160 Nm@3900 r/min。變速器采用CVT無極自動變速器，型號為CVT QR019，技術(shù)參數(shù)為：速比2.67，主減速比5.141，驅(qū)動形式為前置前驅(qū)FF，最大輸入扭矩190 Nm。電機(jī)為直流無刷三相同步電機(jī)，技術(shù)參數(shù)為：放電持續(xù)功率25 kW，放電峰值功率55 kW，最大轉(zhuǎn)速7440 r/min，最大扭矩160 Nm，持續(xù)扭矩80 Nm。由于發(fā)動機(jī)和電機(jī)的總輸出扭矩要大于CVT變速器所允許的最大輸入扭矩，所以要對總的輸出進(jìn)行限制，以保護(hù)變速器。

艾瑞澤7e有如下幾種工作模式：純電驅(qū)動、僅發(fā)動機(jī)驅(qū)動（電機(jī)空轉(zhuǎn)）、發(fā)動機(jī)和電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動、行車充電（發(fā)動機(jī)同時驅(qū)動和驅(qū)動電機(jī)發(fā)電）、再生制動、怠速發(fā)電等。由于PHEV車輛的特殊性，經(jīng)常要頻繁地起/停發(fā)動機(jī)以提升混動模式下的燃油經(jīng)濟(jì)性，所以在發(fā)動機(jī)起/停時，尤其是起動的時候，對C1離合器控制要求較高。既要保證平順性，又要控制離合器滑摩熱量，保證離合器的壽命。在PHEV車輛離合器的可靠性耐久考核專項(xiàng)試驗(yàn)中，要求能夠完成10萬次的模式切換。

1 滑摩時離合器的熱量計算

由于PHEV車輛發(fā)動機(jī)頻繁起停，需要對滑摩時的熱量進(jìn)行控制，以保證C1離合器的壽命要求。在對C1離合器的控制和標(biāo)定中，需要先對滑摩時的熱量計算進(jìn)行建模，以評估要求。發(fā)動機(jī)的起動主要有兩種方式：①P或者N擋下，C1離合器起動發(fā)動機(jī)；②行車過程中，通過C1離合器起動發(fā)動機(jī)（即下文提到的高級起停）。在起動發(fā)動機(jī)方式①中，C1離合器的負(fù)載較小，產(chǎn)生熱量少，對離合器的損傷有限。本文將重點(diǎn)研究方式②的離合器起動發(fā)動機(jī)控制和標(biāo)定方法。

1.1 負(fù)載扭矩傳遞數(shù)學(xué)模型

耦合機(jī)構(gòu)起停半黏動狀態(tài)：Brake狀態(tài) = 0，0 ＜ Clutch狀態(tài) ＜ 1，PGS模式 →parallel mode。Brake制動器（功能為把發(fā)動機(jī)與變速器殼體接合，禁止發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動）分開，C1離合器處于半黏動的狀態(tài)（0-1之間，0為完全脫開，1為完全接合），耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)行模式從行星齒輪模式變?yōu)椴⒙?lián)模式，電機(jī)驅(qū)動整車同時通過C1離合器傳遞扭矩到發(fā)動機(jī)端起動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從0開始上升，逐步達(dá)到同步，同步后發(fā)動機(jī)才允許點(diǎn)火輸出扭矩（整個過程對于扭矩控制精度較高）。在整個發(fā)動機(jī)起動過程中，電機(jī)扭矩必須受到限制，以便保證過程的平順性，同時也要考慮有足夠的扭矩以克服負(fù)載，確保C1離合器的壓力，控制滑摩中的熱量。圖2為行駛中起動發(fā)動機(jī)扭矩杠桿原理圖。

圖2 行駛中起動發(fā)動機(jī)杠桿原理圖

太陽輪端發(fā)動機(jī)輸出扭矩TS為發(fā)動機(jī)的阻力矩，其扭矩數(shù)學(xué)模型如下

式中：Tc——CVT變速器端的扭矩；Tr——齒圈電機(jī)輸出扭矩；Tclt——離合器加壓扭矩；Zr——齒圈電機(jī)輸出軸到CVT輸出軸之間的距離；Zs——太陽輪發(fā)動機(jī)輸出軸到CVT輸出軸之間的距離。

由公式（1）轉(zhuǎn)化，可計算出車輛行駛中起動發(fā)動機(jī)的電機(jī)扭矩Tr，見公式（2）。Tc此時可根據(jù)駕駛員輪端需求扭矩求得，且受離合器剩余熱容量限制，HCU（Hybrid Control Unit）目前設(shè)置當(dāng)剩余熱容量為1 500 J，電機(jī)只允許輸出最大50 Nm扭矩，剩余熱容量為0 J時，不允許電機(jī)輸出扭矩。Tclt為標(biāo)定值，通過標(biāo)定設(shè)置目標(biāo)離合器扭矩，目標(biāo)離合器扭矩標(biāo)定需要考慮起動的可靠性（足夠的壓力保證起動成功，減少滑摩產(chǎn)生的熱量），同時要兼顧起動的平順性。

1.2 目標(biāo)扭矩轉(zhuǎn)化為目標(biāo)壓力數(shù)學(xué)模型

利用公式（3）將C1目標(biāo)扭矩轉(zhuǎn)化成目標(biāo)壓力， TCU（Transmission Control Unit）通過控制電磁閥達(dá)成離合器加壓所需壓力。

式中：S——離合器活塞面積；u——離合器摩擦片摩擦系數(shù)；z——離合器總成片數(shù)；r——摩擦片有效半徑；F——回位彈簧力；J——離合器活塞和回位活塞轉(zhuǎn)動慣量之和。艾瑞澤7e各參數(shù)值見表1。

表1 目標(biāo)壓力計算參數(shù)值

圖3為C1離合器加壓控制狀態(tài)邏輯示意圖。Int（初始化）和Inactive（未激活）階段，此階段目標(biāo)壓力為0；Active（激活）為離合器充油階段，該階段需要控制充油時間和充油壓力，其充油時間和壓力是根據(jù)不同工況和變速器油溫標(biāo)定得到；TQ_Ctrl為離合器扭矩控制階段，其目標(biāo)壓力是根據(jù)需求扭矩計算得出，計算公式見公式（3）；SlipCtrl（滑動控制）階段基于HCU發(fā)送的扭矩，計算得出壓力加上TCU計算值。

圖3 C1離合器加壓控制狀態(tài)示意圖

1.3 TCU熱容量計算數(shù)學(xué)模型

行駛中起動發(fā)動機(jī)，離合器熱容量計算公式如下，本項(xiàng)目最大允許的熱容量為18 kJ。

式中：Qclt——離合器當(dāng)前產(chǎn)生的熱容量；Ti——計算起始時間，為扭矩控制階段起始開始計時；Te——計算結(jié)束時間，為轉(zhuǎn)速同步后計時結(jié)束；Ne——電機(jī)轉(zhuǎn)速；Nc——行星架轉(zhuǎn)速；Tclt——離合器扭矩；Qo——油冷熱交換帶走的熱量。

2 車輛行駛中發(fā)動機(jī)起動C1離合器標(biāo)定與驗(yàn)證

C1離合器的目標(biāo)扭矩值標(biāo)定方法是：①HCU按照公式（1）計算出起動發(fā)動機(jī)所需的C1離合器扭矩需求，將此需求傳遞給TCU，TCU根據(jù)公式（3），將扭矩需求轉(zhuǎn)換為壓力需求，根據(jù)壓力需求控制電磁閥得到C1離合器所需的實(shí)際壓力，再根據(jù)實(shí)際壓力通過公式（3）轉(zhuǎn)化為實(shí)際的C1離合器扭矩，傳遞給HCU，HCU根據(jù)實(shí)際的離合器扭矩按照公式（2）計算出電機(jī)扭矩需求；②TCU根據(jù)公式（4）計算出C1離合器剩余的熱容量，傳遞給HCU，HCU根據(jù)剩余熱容量對電機(jī)實(shí)際扭矩進(jìn)行限制，以確保離合器有足夠的熱能余量；③通過整車縱向加速度傳感器的客觀測量或者主觀評價的方式選擇駕駛性、平順性可接受的C1離合器扭矩斜率以及公式（1）計算出的最小離合器扭矩（只允許往大的方向調(diào)整），同時按照公式（4）評估起動時的熱容量，限制在允許的范圍內(nèi)，以保證離合器的耐久性能要求［1］。

圖4為行車中C1離合器加壓控制數(shù)據(jù)采集圖示。黃線為齒圈電機(jī)轉(zhuǎn)速，黑線為太陽輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，紅線為行星齒輪CVT變速器端的轉(zhuǎn)速，綠線為EPGS的C1離合器加壓扭矩。隨著加壓扭矩的增加，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由0快速上升，最終三者轉(zhuǎn)速同步，同步后進(jìn)行轉(zhuǎn)速PI閉環(huán)控制（扭矩調(diào)節(jié)）［2］，以保證轉(zhuǎn)速偏差在±30 r/min。從圖4中可以看到，在C1離合器加壓前，有個短暫的小幅扭矩增加，這是預(yù)加壓階段。預(yù)加壓時，扭矩不能太大，太大會導(dǎo)致不期望的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)。在整個加壓過程中，可能會出現(xiàn)兩種特殊狀況。

圖4 行車中C1離合器加壓控制

1）一定時間內(nèi)發(fā)動機(jī)未能起動成功，則需要強(qiáng)制請求離合器扭矩到最大值。

2）上述提到，加壓的過程中，TCU會依據(jù)公式（4）計算出當(dāng)前的熱容量，依據(jù)允許的最大熱容量，計算出儲備熱容量發(fā)送給HCU。若儲備熱容量達(dá)到0，則HCU限制電機(jī)扭矩到0，以保護(hù)離合器。

考慮到高級起停，扭矩需求發(fā)動機(jī)起動的車速在40 km/h，所以標(biāo)定工況為40 km/h的純電模式，分為加速、勻速、減速3種情況，通過手動關(guān)閉ECO（經(jīng)濟(jì)模式）鍵起動發(fā)動機(jī)去標(biāo)定C1離合器。

綜合以上標(biāo)定方法，需要對標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)驗(yàn)證。選擇低車速（＜10 km/h）、20 km/h、30 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h，分為加速、勻速、減速3種情況，關(guān)閉ECO起動發(fā)動機(jī)去驗(yàn)證C1離合器的標(biāo)定結(jié)果。可以通過加速度傳感器客觀或者主觀感受的駕駛平順性評價方法，同時測量C1離合器的儲備熱容量。低車速下重點(diǎn)是起動可靠性和起動沖擊的評估，高車速下重點(diǎn)是儲備熱容量的評估。

圖5為艾瑞澤7e車速40 km/h時C1離合器起動發(fā)動機(jī)的測量結(jié)果，起動瞬間最大加壓扭矩達(dá)到250 Nm，起動的滑摩過程中，儲備熱容量到達(dá)低谷，最小值為21 000 J，但距離限值7 000 J仍舊有較大余量，滿足耐久性目標(biāo)標(biāo)定要求。起動過程中，C1離合器完全接合的瞬間，振動加速度到達(dá)峰值，最大值為0.125 g，無連續(xù)性多次波動，主觀感受較好。轉(zhuǎn)速同步后，轉(zhuǎn)速偏差范圍在±30 r/min內(nèi)，符合標(biāo)定要求。

圖5 車速40 km/h時C1離合器起動發(fā)動機(jī)驗(yàn)證結(jié)果

圖6 是一個因?yàn)镃1離合器壓力不夠（加壓扭矩偏?。?dǎo)致發(fā)動機(jī)起動失敗和起動同步后轉(zhuǎn)速波動的范例。在297～297.5 s之間，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速拖動到約500 r/min后停機(jī)，C1離合器起動發(fā)動機(jī)失敗，原因?yàn)轭A(yù)控壓力異常（不希望的發(fā)動機(jī)起動）。298 s時，C1離合器起動發(fā)動機(jī)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速未完全同步，有約150 r/min的偏差，此時實(shí)際的加壓扭矩約為80 Nm（偏低），而后通過轉(zhuǎn)速PI閉環(huán)控制，把扭矩增加到160 Nm，轉(zhuǎn)速能夠很好地實(shí)現(xiàn)同步。這種情況是因?yàn)榭桃庾非笃饎拥钠巾樞?，過小的加壓扭矩，C1施加壓力不足，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不同步，嚴(yán)重可能導(dǎo)致起動失敗。轉(zhuǎn)速不同步時間過長，即滑摩時間過長，會產(chǎn)生較大熱量，進(jìn)而影響C1離合器的壽命。

3 結(jié) 論

行車C1離合器起動發(fā)動機(jī)的控制和標(biāo)定原則：高車速（大于等于60 km/h），對平順性的振動沖擊不是重點(diǎn)，要有足夠的加壓扭矩請求，確保起動成功，要重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)速同步問題，防止過長的滑摩時間，導(dǎo)致離合器熱容量儲備不足，影響離合器的使用壽命。當(dāng)然，過大的加壓扭矩請求不利于能量管理。低車速（小于60 km/h），起動平順性是關(guān)注重點(diǎn)，在確保起動成功且轉(zhuǎn)速同步（轉(zhuǎn)速偏差在±30 r/min內(nèi)）的前提下，盡可能地降低加壓扭矩需求以及增加的加壓扭矩斜率，以保證C1離合器起動發(fā)動機(jī)的平順性。

圖6 車速30 km/h時C1離合器起動發(fā)動機(jī)不可接受結(jié)果范例

標(biāo)定之后，要按照測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，包括熱容量儲備測試和主觀駕駛性感受。同時，要保證標(biāo)定數(shù)據(jù)對生產(chǎn)一致性差異的覆蓋性，最好抽取下線車輛至少10臺進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)覆蓋性的評估。