單電機重度混合動力系統(tǒng)模式切換協(xié)調(diào)控制策略

杜 波，秦大同，劉永剛 ，胡園園

(1.四川省特種設(shè)備檢驗研究院 成都 610061; 2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室 重慶 沙坪壩區(qū) 400030)

單電機重度混合動力汽車在低速時以純電動驅(qū)動、發(fā)動機熄火，然后在大負荷工況時發(fā)動機起動并介入驅(qū)動，系統(tǒng)切換至混合驅(qū)動模式，可減少發(fā)動機在低速和低負荷非經(jīng)濟區(qū)域工作，提高整車的燃油經(jīng)濟性。然而，由于系統(tǒng)中只有一個電機，上述切換過程須要通過接合離合器來起動發(fā)動機，并將發(fā)動機動力傳遞給傳動系，容易導致系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩突變，產(chǎn)生縱向沖擊，嚴重影響車輛的縱向駕駛性能。

針對單電機混合動力系統(tǒng)純電動模式至混合驅(qū)動模式切換問題，文獻[1-3]提出了基于離合器恒壓控制與電機轉(zhuǎn)矩補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略。文獻[4]設(shè)計了基于離合器油壓PID控制與電機轉(zhuǎn)矩補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略。文獻[5-6]采用了離合器油壓模糊控制與電機轉(zhuǎn)矩補償相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略。文獻[7]將魯棒控制應用于單電機混合動力系統(tǒng)模式切換，分別設(shè)計了發(fā)動機調(diào)速控制器和電機轉(zhuǎn)矩補償控制器。在上述模式切換協(xié)調(diào)控制策略中，發(fā)動機點火后與電機轉(zhuǎn)速同步階段，離合器一直處于滑摩狀態(tài)，其控制的難度較大。同時，離合器滑磨功也會增加，尤其在城市工況下，混合動力系統(tǒng)頻繁地進行此類模式切換會進一步加劇離合器磨損。

因此，本文以某單電機重度混合動力系統(tǒng)為研究對象，建立系統(tǒng)模式切換過程的動力學模型，將系統(tǒng)模式切換過程劃分為4個階段，基于前饋-反饋控制方法，分階段設(shè)計動力源與離合器的協(xié)調(diào)控制策略，以減小系統(tǒng)模式切換過程的縱向沖擊，降低離合器磨損。最后通過仿真對比和臺架試驗對協(xié)調(diào)控制策略有效性進行驗證。

1 單電機重度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的單電機重度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由發(fā)動機、單向離合器、濕式多片離合器、ISG電機和機械式自動變速器組成。電機與發(fā)動機采用同軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，電機置于變速器輸入端，電機與發(fā)動機之間布置有單向離合器和濕式多片離合器，單向離合器使發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于電機轉(zhuǎn)速時處于斷開狀態(tài)，兩軸之間可相對轉(zhuǎn)動，而在發(fā)動機轉(zhuǎn)速趨于超過電機轉(zhuǎn)速時單向離合器處于閉合狀態(tài)將兩軸鎖在一起，避免濕式離合器的過度滑摩。當濕式離合器分離時，系統(tǒng)可以純電動驅(qū)動或進行制動能量回收；濕式離合器接合時，帶動發(fā)動機啟動并介入驅(qū)動，系統(tǒng)可以發(fā)動機驅(qū)動、混合驅(qū)動、行車發(fā)電模式運行。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)混合動力汽車各種工作模式。與雙電機重度混合動力系統(tǒng)相比，其結(jié)構(gòu)簡單，便于整車布置，成本低廉，適合商業(yè)化推廣。

圖1 單電機重度混合動力系統(tǒng)

2 模式切換過程動力學建模與分析

2.1 模式切換動力學建模

采用集中質(zhì)量參數(shù)法，建立單電機重度混合動力汽車純電動驅(qū)動至混合驅(qū)動切換過程簡化的系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中，Je為發(fā)動機等效轉(zhuǎn)動慣量(包括曲軸、飛輪和濕式離合器從動盤)，Jm為電機等效轉(zhuǎn)動慣量(包括電機轉(zhuǎn)子和濕式離合器主動盤)，Jv為整車等效轉(zhuǎn)動慣量，ωe、ωm、ωv分別為發(fā)動機、電機和車輪的轉(zhuǎn)速，ig為變速器速比，Te為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，Tcl為離合器轉(zhuǎn)矩，Tm為電機轉(zhuǎn)矩，Tv為整車行駛阻力矩。

圖2 單電機重度混合動系統(tǒng)模型

當離合器處于滑摩狀態(tài)時，根據(jù)上述模型可推導出系統(tǒng)的動力學方程為：

在發(fā)動機點火前，Te為發(fā)動機起動阻力矩，取負值；在發(fā)動機點火后，Te為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，取正值。

當離合器完全接合后，系統(tǒng)進入混合驅(qū)動模式，其動力學方程可表示為：

2.2 發(fā)動機阻力矩

由于模式切換過程須要起動發(fā)動機，通過發(fā)動機反拖試驗[8]獲得的發(fā)動機熱起動下的阻力矩特性曲線如圖3所示。

圖3 發(fā)動機起動阻力矩

從圖3中可知，發(fā)動機靜起動阻力矩約為30 Nm，隨著轉(zhuǎn)速的增加，起動阻力矩減小，當轉(zhuǎn)速大于450 r/min以后，起動阻力矩保持不變，約為21 Nm。

2.3 濕式多片離合器摩擦轉(zhuǎn)矩

在起動發(fā)動機階段以及發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)速同步過程中，須通過濕式離合器滑動摩擦來傳遞轉(zhuǎn)矩，離合器在滑摩階段的轉(zhuǎn)矩計算公式為[9]：

式中，μ為摩擦片的摩擦系數(shù)；Z為離合器的摩擦面數(shù)；A為活塞作用面積；Pcl為油缸壓力；P0為回位彈簧壓力；Rcl為摩擦片等效半徑；sgn為符號函數(shù)。

由式(3)可知，當濕式離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，摩擦轉(zhuǎn)矩主要取決于離合器油缸壓力Pcl和摩擦片的摩擦系數(shù)μ。離合器油缸壓力大小通過液壓執(zhí)行機構(gòu)進行控制，摩擦系數(shù)在動態(tài)條件下則是與離合器摩擦面溫度、相對角速度和離合器壓力等因素有關(guān)，具有非線性特性。為此，本文通過濕式離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性試驗，得到離合器壓力與轉(zhuǎn)矩變化關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 離合器壓力-轉(zhuǎn)矩特性

從圖中可以看出，隨著離合器接合油壓的增加，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩也在增大。由于摩擦系數(shù)在離合器接合過程中存在變化，轉(zhuǎn)矩和壓力并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，與計算的壓力-轉(zhuǎn)矩曲線存在一定的偏差，但偏差較小。因此，可將離合器壓力和轉(zhuǎn)矩近似為線性關(guān)系。只要合理控制液壓缸的油壓，就可對摩擦轉(zhuǎn)矩進行控制。

圖5為油缸壓力從0 Mpa階躍變化到0.76 MPa，并保持一定時間后再降至0 Mpa時，濕式離合器轉(zhuǎn)矩響應特性曲線。從圖中可知，當離合器目標轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變后，離合器實際轉(zhuǎn)矩響應以指數(shù)規(guī)律趨向于改變后的目標值，并且離合器分離響應明顯快于接合響應。因此，可將離合器轉(zhuǎn)矩響應近似為一階慣性系統(tǒng)，其接合響應的時間常數(shù)T約為0.06 s，分離響應的時間常數(shù)T約為0.025 s。

圖5 離合器轉(zhuǎn)矩響應特性

離合器接合過程的磨損可通過滑磨功進行衡量，滑摩功可表示為：

式中，Wcl為離合器滑摩功；tcl為滑摩時間。

3 模式切換協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)純電動至混合驅(qū)動模式切換過程中發(fā)動機和離合器元件的不同狀態(tài)，將整個切換過程劃分為發(fā)動機起動、發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步、離合器接合和混合驅(qū)動4個階段，針對每個階段分別設(shè)計動力源與離合器的協(xié)調(diào)控制策略。

3.1 發(fā)動機起階段

由于發(fā)動機沒有配置起動電機，發(fā)動機起動須要通過濕式離合器接合產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)，離合器摩擦轉(zhuǎn)矩會對傳動系統(tǒng)產(chǎn)生拖拽效應，降低駕駛性能。

圖6 發(fā)動機起動階段的前饋-反饋控制

為此，基于前饋-反饋的控制方法，設(shè)計如圖6所示的協(xié)調(diào)控制策略。假設(shè)發(fā)動機起動過程近似為勻加速運動，起動時間為0.4 s[8]。從而離合器接合轉(zhuǎn)矩等于發(fā)動機啟動阻力矩與慣性力矩之和，即根據(jù)式(3)可求得離合器接合壓力。離合器壓力采用開環(huán)控制，通過電機進行前饋控制來補償離合器轉(zhuǎn)矩對傳動系統(tǒng)的干擾。電機目標轉(zhuǎn)矩為：

式中，Tmf為電機目標轉(zhuǎn)矩；Tcle為離合器轉(zhuǎn)矩估計值；Tmr為電機驅(qū)動車輛所需轉(zhuǎn)矩。

同時，由于離合器轉(zhuǎn)矩估計存在誤差，設(shè)計PID控制器進行反饋控制，減小車速波動。

3.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步階段

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到800 r/min以后，發(fā)動機點火啟動。此時，為了減小發(fā)動機點火對傳動系統(tǒng)的沖擊以及減小離合器滑磨功，在發(fā)動機點火之前控制濕式離合器迅速分離。在發(fā)動機點火啟動后，需要對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行控制[10]，使之與變速器輸入軸轉(zhuǎn)速快速同步，發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速即是變速器輸入軸轉(zhuǎn)速。本文采用開環(huán)與閉環(huán)復合控制方法來對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行控制，其控制原理如圖7所示。

圖7 發(fā)動機轉(zhuǎn)速前饋-反饋控制

圖中，開環(huán)控制將發(fā)動機空載時目標轉(zhuǎn)速所對應的節(jié)氣門開度α(如圖8所示[11])與目標轉(zhuǎn)速作為變量，通過發(fā)動機MAP圖查表獲得發(fā)動機開環(huán)轉(zhuǎn)矩；同時，采用PID反饋控制產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)矩，兩者求和得到發(fā)動機實際的轉(zhuǎn)矩輸入。此階段由于離合器分離，電機不再對離合器轉(zhuǎn)矩進行補償，電機只采用反饋控制，穩(wěn)定車速。

圖8 發(fā)動機空載特性曲線

3.3 離合器接合階段

當發(fā)動機與變速器輸入軸轉(zhuǎn)速差小100 r/min時，離合器再次接合，進入滑摩狀態(tài)，離合器目標轉(zhuǎn)矩為離合器接合完成瞬間所傳遞的轉(zhuǎn)矩，此時發(fā)動機與電機角加速度相等，即根據(jù)式(1)，并忽略傳動系統(tǒng)剛度和阻尼的影響，可得離合器目標轉(zhuǎn)矩為：

采用基于前饋-反饋的控制方法，設(shè)計此階段的協(xié)調(diào)控制策略，如圖9所示，圖中，離合器接合壓力采用開環(huán)控制，發(fā)動機仍進行轉(zhuǎn)速控制，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速會受到離合器轉(zhuǎn)矩的干擾。因此，在發(fā)動機控制中增加前饋控制以補償離合器轉(zhuǎn)矩干擾。同時，電機也通過前饋控制補償離合器轉(zhuǎn)矩干擾，并采用PID控制器進行反饋控制，以穩(wěn)定車速。

圖9 離合器接合階段前饋-反饋控制

3.4 混合驅(qū)動階段

當發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)速同步之后，離合器完全鎖止，車輛由發(fā)動機和電機并聯(lián)混合驅(qū)動，發(fā)動機和電機將分別從當前轉(zhuǎn)矩向能量管理策略預先制定的目標轉(zhuǎn)矩過渡。在此過程中，由于發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩難于精確估計，而電機轉(zhuǎn)矩響應快，控制精度高。因此，為了保證該階段系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，采用前饋-反饋控制的方法，設(shè)計了“發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩近似估計+電機轉(zhuǎn)矩補償”的協(xié)調(diào)控制策略。其控制原理如圖10所示，圖中，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩向目標轉(zhuǎn)矩過渡時，為了便于對發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的估計，對電子節(jié)氣門開度變化率ka進行限制，其計算公式為：

式中，αr位發(fā)動機目標轉(zhuǎn)矩所對應的節(jié)氣門開度；0α為離合器完全接合時刻的發(fā)動機節(jié)氣門開度；tΔ為設(shè)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩過渡時間。

從而在發(fā)動機轉(zhuǎn)矩過渡過程中任意時刻t，節(jié)氣門開度可表示為：

式中，αt為t時刻的節(jié)氣門開度；t0為離合器完全接合時刻。

由t時刻的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度，通過發(fā)動機MAP圖查表獲得發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩Test。發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩Tet可近似于將發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩Test在時間上進行一定的延遲輸出進行估計[12]。同時，在過渡過程中，發(fā)動機目標轉(zhuǎn)矩Ter與動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計值Tet的差值可通過電機進行實時補償，電機的目標轉(zhuǎn)矩為：

圖10 發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩近似估計+電機轉(zhuǎn)矩補償控制原理

由于發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計難免存在誤差，電機同時也采用PID控制器進行反饋控制，以減小誤差對車速的影響。其原理與前述一樣。

3.5 模式切換控制流程

根據(jù)以上分析，歸納出單電機重度混合動力系統(tǒng)模式切換控制流程如圖11所示。

圖11 純電動至混合驅(qū)動模式切換控制流程

4 仿真對比分析

為了驗證所提出的協(xié)調(diào)控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink/Stateflow仿真平臺，建立了單電機重度混合動力系統(tǒng)模式切換縱向動力學仿真模型以及協(xié)調(diào)控制策略模型。對純電動至混合驅(qū)動模式切換過程進行仿真分析，仿真模型的整車主要參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖12所示。

表1 整車主要參數(shù)

從圖12可知，整個模式切換先后經(jīng)歷了發(fā)動機起動①、轉(zhuǎn)速同步②、離合器接合③和混合驅(qū)動④4個階段。在12.5 s時刻整車控制器發(fā)出模式切換指令，離合器開始接合，12.61 s時刻離合器轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機起動阻力矩，開始起動。0.4 s后發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至800 r/min，離合器迅速分離，發(fā)動機點火。發(fā)動機點火后轉(zhuǎn)速迅速上升，在13.33 s時與電機轉(zhuǎn)速

接近同步。離合器再次接合，進入滑摩階段，0.15 s后離合器完全接合。在混合動力驅(qū)動階段，發(fā)動機和電機分別進行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，在14.46 s時發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩分別達到目標值，模式切換結(jié)束。整個模式切換過程耗時1.96 s，沖擊度最大值為4.34 m/s3，離合器滑磨功為4.07 kJ。

圖12 分階段的動力源與離合器協(xié)調(diào)控制策略下的純電動至混合驅(qū)動仿真結(jié)果

而在相同條件下，采用參考文獻[3]提出的離合器恒壓控制和電機轉(zhuǎn)矩補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略仿真結(jié)果如圖13所示。從圖13中可知，整個模式切換包括發(fā)動機起動①、離合器滑摩同步②和混合驅(qū)動③3個階段，耗時2.1 s，但沖擊度最大值為13.8 m/s3，滑磨功為5.35 kJ。

圖13 基于離合器恒壓與電機轉(zhuǎn)矩補償協(xié)調(diào)控制策略的純電動至混合驅(qū)動仿真結(jié)果

通過仿真對比可知，在相同條件下，采用本文設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略，純電動至混合驅(qū)動模式切換過程中系統(tǒng)的沖擊度最大值小于德國的沖擊度限制推薦值10 m/s3[13]。而采用離合器恒壓和電機轉(zhuǎn)矩補償協(xié)調(diào)控制策略的沖擊最大值大于10 m/s3，同時滑磨功也比后者降低了24%。因此，本文設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略能有效降低混合動力系統(tǒng)模式切換過程縱向沖擊，減小離合器滑摩功。

5 臺架試驗與結(jié)果分析

進一步通過臺架試驗來驗證所設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略的有效性。搭建的單電機重度混合動力系統(tǒng)臺架系統(tǒng)實物如圖14a所示，臺架試驗系統(tǒng)的工作原理如圖14b所示。臺架試驗系統(tǒng)由發(fā)動機、濕式離合器、電機、動力電池組、變速器、升速箱、慣性飛輪和電渦流測功機等組成。液壓泵站為濕式離合器接合提供油壓，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器用于測量系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，采用dSPACE/MicroAutoBox作為整車控制器(HCU)對混合動力系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)采集，發(fā)動機控制器(ECU)、電機控制器(IPU)和電池管理系統(tǒng)(BCM)通過CAN總線與HCU進行通信。dSPACE輸出PWM信號控制高速開關(guān)閥，對液壓系統(tǒng)油壓進行調(diào)節(jié)。

圖14 單電機重度混合動力系統(tǒng)試驗臺架

圖15 臺架試驗測試結(jié)果

通過筆記本電腦將本文設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略模型下載到dSPACE中進行臺架試驗，試驗測試結(jié)果如圖15所示。由圖可知，當車速在25 km時開始進行模式切換，離合器開始接合，同時電機進行轉(zhuǎn)矩補償，最大補償轉(zhuǎn)矩約60 N?m，發(fā)動機在0.41 s后達到點火轉(zhuǎn)速，此時離合器迅速分離，發(fā)動點火啟動。發(fā)動機啟動后轉(zhuǎn)速上升，與電機轉(zhuǎn)速接近同步時，離合器再次接合，電機同時進行轉(zhuǎn)矩補償。當離合器完全接合后，由于對發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩進行了調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)過渡。在整個模式過程中，車速平穩(wěn)上升，沖擊度最大值為4.97 m/s3，小于德國的沖擊度限制推薦值10 m/s3，滑磨功約為4.33 kJ，與仿真計算的結(jié)果基本一致，滿足使用要求。

6 結(jié)束語

1)針對單電機重度混合動力系統(tǒng)模式切換協(xié)調(diào)控制問題，建立了系統(tǒng)模式切換過程的動力學模型。根據(jù)動力源和離合器元件不同狀態(tài)，將系統(tǒng)模式切換過程劃分為4個階段，采用基于前饋-反饋控制方法，提出了分階段的動力源與離合器協(xié)調(diào)控制策略。

2)仿真結(jié)果對比表明，與離合器恒壓和電機轉(zhuǎn)矩補償協(xié)調(diào)控制策略相比，本文提出的協(xié)調(diào)控制策略能使單電機重度混合動力系統(tǒng)模式切換過程的沖擊最大值小于德國推薦標準10 m/s3。同時，滑摩功也比前者降低了24%。

3)臺架試驗結(jié)果表明，采用本文提出的協(xié)調(diào)控制策略，單電機重度混合動力系統(tǒng)模式切換過程沖擊度和滑摩功均能滿足使用要求，驗證了協(xié)調(diào)控制策略的有效性。