機(jī)電耦合雙離合混合動(dòng)力系統(tǒng)極低溫行駛控制研究

呂俊磊

摘 要：目前，混合動(dòng)力汽車(chē)是新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向之一。在極低溫工況或者電池包故障下，電池包受溫度或者自身故障影響不允許充放電，此時(shí)車(chē)輛怎么才能正常行駛，是研究的重點(diǎn)。我們基于雙離合變速箱設(shè)計(jì)的P2.5混動(dòng)架構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，能夠在沒(méi)有12V發(fā)電機(jī)的情況下，保證車(chē)輛正常行駛，確保系統(tǒng)低壓附件的正常工作，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛起步，加速，減速等行駛工況，并保證該模式與正常模式的平順切換。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;P2.5;極低溫行駛;恒壓充電

1 引言

DCT+P2.5的混動(dòng)系統(tǒng)是在DCT基礎(chǔ)上最大限度借用批產(chǎn)零件，采用P2.5單電機(jī)構(gòu)型，高度集成高功率密度永磁同步電機(jī)，電機(jī)動(dòng)力通過(guò)3檔從動(dòng)檔位齒和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)耦合，同時(shí)為了滿(mǎn)足純電動(dòng)工況下的換擋、潤(rùn)滑、離合器控制，增加低壓電子泵系統(tǒng)的一款機(jī)電耦合混合動(dòng)力變速器，DCT+P2.5結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。該變速器搭載在PHEV車(chē)輛上，整車(chē)為了節(jié)省車(chē)輛成本，省去了低壓發(fā)電機(jī)，僅通過(guò)DCDC給低壓電瓶充電以及滿(mǎn)足低壓附件工作需求[1]。由于該系統(tǒng)為單電機(jī)系統(tǒng)且無(wú)低壓發(fā)電機(jī)，在極低溫（-40℃到-30℃）工況下，高壓電池包禁止充放電，造成該系統(tǒng)無(wú)法使用高壓來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和給低壓附件供電[2]。為了保證車(chē)輛能夠繼續(xù)行駛，我們采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電模式，通過(guò)DCDC給低壓附件供電，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供整車(chē)驅(qū)動(dòng)力和電機(jī)恒壓充電動(dòng)力源，雙離合器采用一個(gè)離合器閉合，一個(gè)離合器滑磨來(lái)完成蠕行，起步，加速等工況。

2 極低溫行駛的恒壓充電方案

本論文的方法實(shí)現(xiàn)需要混合動(dòng)力控制單元HCU（Hybrid Control Unit）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制單元MCU（Motor Control Unit）、變速箱控制單元TCU（Transmission Control Unit）控制單元相互密切配合，才能實(shí)現(xiàn)完整的機(jī)電耦合雙離合混合動(dòng)力系統(tǒng)極低溫行駛控制。本論文采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電模式，通過(guò)DCDC給低壓附件供電，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供整車(chē)驅(qū)動(dòng)力和電機(jī)恒壓充電動(dòng)力源，變速箱中的雙離合器采用一個(gè)離合器閉合，一個(gè)離合器滑磨的策略來(lái)完成蠕行，起步，加速等工況。其中閉合離合器為奇數(shù)離合器，其在恒壓充電模式下，始終保持閉合，將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給電機(jī)，電機(jī)通過(guò)恒壓控制來(lái)控制電機(jī)的輸出扭矩，保持輸出電壓恒定，來(lái)保證低壓用電設(shè)備的需求。另一個(gè)離合器（偶數(shù)離合器）需要根據(jù)不同的駕駛員需求（換擋桿、油門(mén)、剎車(chē)），進(jìn)行對(duì)應(yīng)工況（蠕行、起步、高速駕駛、換擋等）離合器控制，滿(mǎn)足整車(chē)平順性，動(dòng)力性的要求。實(shí)現(xiàn)恒壓充電所需的控制器之間的信號(hào)交互如圖2所示。

2.1 車(chē)輛起步直接進(jìn)入恒壓充電控制方案

車(chē)輛從靜態(tài)起步直接進(jìn)入恒壓充電過(guò)程如下：

（1）車(chē)輛上電，當(dāng)HCU識(shí)別電池包允許充放電功率為0（極低溫或者SOC極低） 時(shí)。HCU根據(jù)實(shí)車(chē)狀態(tài)判斷是否需要進(jìn)入Emergency Mode。當(dāng)HCU判斷需要立即進(jìn)入Emergency Mode時(shí)，如果此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，則HCU控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟機(jī)（啟機(jī)方式根據(jù)車(chē)速和BMS可用功率來(lái)決定），HCU控制奇數(shù)軸的檔位需求為空，TCU執(zhí)行脫奇數(shù)軸檔位指令。當(dāng)HCU檢測(cè)到奇數(shù)軸檔位已經(jīng)為空，且換擋桿處于D檔，則請(qǐng)求TCU進(jìn)入蠕行控制，同時(shí)請(qǐng)求奇數(shù)離合器閉合。

（2）HCU請(qǐng)求MCU進(jìn)入恒壓發(fā)電模式，同時(shí)請(qǐng)求MCU將母線電壓恒定在360V。MCU需要進(jìn)入恒壓發(fā)電模式，并且保證母線電壓控制在360V附近[4]。

MCU為了保證母線電壓在360V附近，需要不斷的根據(jù)需求功率調(diào)整扭矩，恒壓發(fā)電控制模式下，MCU對(duì)扭矩的控制方程如下[3]：

（3）當(dāng)駕駛員不踩油門(mén)且不踩剎車(chē)時(shí)，TCU控制偶數(shù)離合器進(jìn)入蠕行，同時(shí)響應(yīng)HCU對(duì)于奇數(shù)離合器的閉合請(qǐng)求;當(dāng)駕駛員踩油門(mén)加速時(shí)，TCU控制偶數(shù)離合器進(jìn)入起步加速控制，同時(shí)保持奇數(shù)離合器閉合狀態(tài)。當(dāng)車(chē)速達(dá)到換擋點(diǎn)時(shí)，由于電機(jī)需要保持恒壓充電模式，只能換偶數(shù)軸檔位，這時(shí)HCU請(qǐng)求偶數(shù)軸目標(biāo)檔位，TCU打開(kāi)離合器，退掉當(dāng)前偶數(shù)檔位，掛上偶數(shù)軸目標(biāo)檔位，再次結(jié)合離合器，完成整個(gè)換擋過(guò)程，車(chē)輛以新的檔位行駛。

HCU根據(jù)動(dòng)力學(xué)平衡方程來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出，平衡方程如下[5]：

其中，TWheel：為輪端需求扭矩，由油門(mén)開(kāi)度查PedalMap獲得;

TEng：為HCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的請(qǐng)求扭矩;

TEM：為電機(jī)的實(shí)際扭矩;

iEVen：為發(fā)動(dòng)機(jī)到輪端的速比;

iEM2Eng：為電機(jī)端到發(fā)動(dòng)機(jī)的速比。

（4）HCU根據(jù)電機(jī)反饋的實(shí)際扭矩和駕駛員需求扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩控制，使其既能滿(mǎn)足駕駛需求又能滿(mǎn)足整車(chē)高低壓附件的供電需求，保證整車(chē)能夠行駛。

車(chē)輛起步直接進(jìn)入恒壓充電流程圖見(jiàn)圖3。

恒壓發(fā)電模式，HCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩分配示意圖如下：

實(shí)車(chē)測(cè)試效果如圖5，當(dāng)實(shí)際SOC較低時(shí)，起步進(jìn)入恒壓發(fā)電，從圖中看出，電機(jī)的發(fā)電扭矩基本維持恒定，兩個(gè)離合器也都處于工作狀態(tài)，其中一個(gè)離合器閉合用于發(fā)電，另一個(gè)離合器驅(qū)動(dòng)，總的駕駛員需求（即輪端需求扭矩）也能夠被滿(mǎn)足。

2.2 車(chē)輛由恒壓充電模式回到正常駕駛模式控制方案

車(chē)輛由恒壓充電模式回到正常駕駛模式過(guò)程如下：

（1）當(dāng)車(chē)輛正在進(jìn)行恒壓充電模式時(shí)，此時(shí)電池包由于PTC或者發(fā)動(dòng)機(jī)外循環(huán)加熱或者故障恢復(fù)，電池包能夠正常充放電， HCU判斷可進(jìn)入正常駕駛模式。

（2）HCU請(qǐng)求電機(jī)控制器MCU退出恒壓模式，以正常模式運(yùn)行，滿(mǎn)足HCU的模式，扭矩及轉(zhuǎn)速請(qǐng)求。

（3）HCU控制奇數(shù)離合器打開(kāi)，并根據(jù)當(dāng)前的換檔圖判斷目標(biāo)檔位，如果目標(biāo)檔位為奇數(shù)檔，則HCU請(qǐng)求掛奇數(shù)軸檔位，TCU執(zhí)行掛奇數(shù)軸檔位指令。當(dāng)奇數(shù)檔位在檔后，TCU控制離合器由偶數(shù)離合器切換到奇數(shù)離合器。如果目標(biāo)檔位為偶數(shù)檔，且目標(biāo)檔位等于當(dāng)前檔位，TCU控制當(dāng)前離合器繼續(xù)按照駕駛需求進(jìn)行工作;如果目標(biāo)檔位為偶數(shù)檔，且目標(biāo)檔位不等于當(dāng)前檔位，則TCU將偶數(shù)離合器切換到奇數(shù)離合器，TCU執(zhí)行脫掉當(dāng)前檔位指令，再掛偶數(shù)軸檔位指令，當(dāng)偶數(shù)檔位在檔后，TCU控制離合器由奇數(shù)離合器切換到偶數(shù)離合器，完成對(duì)目標(biāo)檔位的響應(yīng)，進(jìn)入正常駕駛模式。

（4）HCU按照正常的扭矩分配策略，控制兩大動(dòng)力源電機(jī)及和發(fā)動(dòng)機(jī)，使他們的輸出扭矩滿(mǎn)足駕駛員需求，保證整車(chē)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性達(dá)到最優(yōu)。

車(chē)輛由恒壓充電模式回到正常駕駛模式流程圖見(jiàn)圖3。

正常駕駛模式，HCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩分配示意圖如下：

2.3 行進(jìn)中由正常駕駛模式進(jìn)入恒壓充電模式

車(chē)輛行進(jìn)中由正常駕駛模式進(jìn)入恒壓充電模式過(guò)程如下：

（1）當(dāng)車(chē)輛正在正常駕駛模式時(shí)，此時(shí)電池包由于某種原因無(wú)法充放電，此時(shí)，HCU判斷需要進(jìn)入恒壓充電模式。

（2）如果當(dāng)前TCU工作在奇數(shù)軸，則HCU請(qǐng)求TCU打開(kāi)奇數(shù)離合器，HCU根據(jù)當(dāng)前的換檔圖判斷目標(biāo)檔位（在恒壓充電模式，目標(biāo)檔位均為偶數(shù)檔），則請(qǐng)求偶數(shù)軸檔位為目標(biāo)檔位。當(dāng)奇數(shù)離合器打開(kāi)后，TCU執(zhí)行脫奇數(shù)軸檔位指令，閉合奇數(shù)離合器，然后，判斷偶數(shù)軸檔位是否等于目標(biāo)檔位，如果偶數(shù)軸檔位等于目標(biāo)檔位，則TCU控制偶數(shù)離合器繼續(xù)工作，MCU進(jìn)入恒壓充電模式。如果偶數(shù)軸檔位不等于目標(biāo)檔位，則TCU脫掉當(dāng)前偶數(shù)軸檔位，掛上目標(biāo)檔位，則TCU控制偶數(shù)離合器工作，MCU進(jìn)入恒壓充電模式。

如果當(dāng)前TCU工作在偶數(shù)軸，且奇數(shù)離合處于打開(kāi)狀態(tài)，則如果奇數(shù)軸上有檔位，脫掉奇數(shù)軸上的檔位，TCU控制奇數(shù)離合器閉合。TCU判斷偶數(shù)軸檔位是否等于目標(biāo)檔位，如果偶數(shù)軸檔位等于目標(biāo)檔位，則TCU控制偶數(shù)離合器工作，MCU進(jìn)入恒壓充電模式。如果偶數(shù)軸檔位不等于目標(biāo)檔位，則TCU脫掉當(dāng)前偶數(shù)軸檔位，掛上目標(biāo)檔位，則TCU控制偶數(shù)離合器工作，MCU進(jìn)入恒壓充電模式。

（3）電機(jī)控制器MCU進(jìn)入恒壓模式，實(shí)時(shí)控制輸出電壓保持恒定。

（4）HCU根據(jù)電機(jī)反饋的實(shí)際扭矩和駕駛員需求扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩控制，使其既能滿(mǎn)足駕駛需求又能滿(mǎn)足整車(chē)高低壓附件的供電需求，保證整車(chē)能夠行駛。

行進(jìn)中由正常駕駛模式進(jìn)入恒壓充電模式流程圖見(jiàn)圖8。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究詳細(xì)介紹了極低溫工況或者電池包充放電功率為0的工況下，HCU、MCU、TCU、EMS相互密切配合，實(shí)現(xiàn)完整的機(jī)電耦合雙離合混合動(dòng)力系統(tǒng)極低溫行駛控制。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電模式，通過(guò)DCDC給低壓附件供電，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供整車(chē)驅(qū)動(dòng)力和電機(jī)恒壓充電動(dòng)力源，變速箱中的雙離合器采用一個(gè)離合器閉合，一個(gè)離合器滑磨的策略來(lái)完成蠕行，起步，加速等工況。本文研究的方法，能夠?yàn)檎?chē)節(jié)省成本提供依據(jù)，具有可實(shí)施性。

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