功率分流式混動汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障診斷及容錯控制

周文太，王 晨，趙治國，王 博,3，于海生，張 彤

(1.科力遠混合動力技術(shù)有限公司，上海 201501) (2.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804) (3.上海理工大學(xué)汽車工程研究所,上海 200093)

噴油不良、點火能量不合理等原因造成的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足、不出轉(zhuǎn)矩等發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障是較普遍的故障形式[1]。功率分流式混合動力控制系統(tǒng)通常采用發(fā)動機管理系統(tǒng) (engine management system, EMS)根據(jù)轉(zhuǎn)矩模型得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩理論值作為輸入，計算行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡所需要的電機轉(zhuǎn)矩[2]，但發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩真實值往往低于理論值，因而難以實現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩平衡，可能會造成車輛驅(qū)動能力急劇惡化，因此有必要對其進行診斷并做妥善處理。

針對發(fā)動機故障，李俊松[3]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法，但該方法計算量大，不適合在嵌入式電子控制裝置(electronic control unit, ECU)上應(yīng)用。針對功率分流式混合動力汽車EMS報出的故障，劉龍龍[4]提出了基于規(guī)則的容錯控制策略，但EMS很難診斷出噴油不良、點火能量不合理造成的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障。

針對功率分流式混合動力汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障，本文提出一種基于行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡數(shù)學(xué)模型的診斷方法，使用數(shù)學(xué)模型實時估算實際的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)估算值與理論值之差確定故障等級；提出分級容錯控制策略，當發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足時，不使用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡；當診斷結(jié)果為發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩時，控制發(fā)動機停止工作，進入純電動跛行。

1 混合動力系統(tǒng)建模

功率分流式混合動力變速箱采用雙排行星齒輪結(jié)構(gòu)。如圖1所示，雙排行星齒輪共用齒圈和行星架，齒圈R(ring)連接到輸出軸Ho(hybrid output)，行星架PC(planetary carrier)經(jīng)扭轉(zhuǎn)減振器TSD(torsional spring damper)連接到發(fā)動機，太陽輪S1(sun1)連接到電機E1，太陽輪S2(sun2)連接到電機E2?；旌蟿恿ψ兯傧溥€擁有2個制動器，分別是用于鎖止行星架的制動器B1，以及用于鎖止太陽輪S1的制動器B2。

根據(jù)行星齒輪等效杠桿原理，可得行星齒輪的四軸轉(zhuǎn)速關(guān)系[2]：

NS1=NHo·i1+NPC·(1-i1)

(1)

NS2=NHo·i2+NPC·(1-i2)

(2)

NS1=NE1

(3)

NS2=NE2

(4)

NPC=NENG

(5)

式中：i1，i2分別為前、后行星齒輪傳動比；NHo，NPC，NS1，NS2分別為輸出軸Ho、行星架PC、太陽輪S1、太陽輪S2的轉(zhuǎn)速；NENG，NE1，NE2分別為發(fā)動機ENG、電機E1、電機E2的轉(zhuǎn)速。

圖1 功率分流式混合動力變速箱結(jié)構(gòu)

行星齒輪的四軸轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系為[2]：

TE1-JS1·aS1=TS1

(6)

TE2-JS2·aS2=TS2

(7)

TENG-JPC·aPC=TPC

(8)

TPC+TS1+TS2+THo=0

(9)

THo+TS1·i1+TS2·i2=0

(10)

式中：aS1，aS2，aPC分別為太陽輪S1、太陽輪S2、行星架PC的角加速度；JS1，JS2，JPC分別為太陽輪S1、太陽輪S2、行星架PC的轉(zhuǎn)動慣量；TS1，TS2，TPC和THo分別為作用在太陽輪S1、太陽輪S2、行星架PC以及輸出軸Ho上的轉(zhuǎn)矩；TENG，TE1，TE2分別為發(fā)動機、電機E1、電機E2的輸出轉(zhuǎn)矩。

2 基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷策略

基于行星齒輪的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，只要知道TENG，TE1，TE2，THo，aS1，aS2中的任意4個，便可根據(jù)式(6)～(10)計算得到另外2個值。因此構(gòu)建如式(11)的數(shù)學(xué)模型，使用TE1，TE2，aS1，aS2作為輸入，可得到發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估算值TENG_actl。其中，TE1，TE2由電機控制器(power control unit，PCU)計算，精度較高；aS1，aS2通過電機E1轉(zhuǎn)速、電機E2轉(zhuǎn)速取微分得到。

TENG_actl=(TE1-JS1·aS1)·(i1-1)+(TE2-JS2·aS2)·(i2-1)+[(aS1·i2-aS2·i1)/(i2-i1)]·JPC

(11)

將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估算值TENG_actl與理論值TENG相減得到二者之差eT。

eT=TENG-TENG_actl

(12)

根據(jù)eT與TENG的比例關(guān)系決策發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障等級，見表1。為防止因信號噪聲導(dǎo)致誤判，在同一故障持續(xù)存在4 s后設(shè)定故障等級。

表1 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障等級決策

3 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障時的容錯控制

針對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障實施的分級容錯控制見表2。

表2 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障分級容錯控制

圖2所示發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障診斷及容錯控制策略架構(gòu)包含3個模塊，分別是混合動力帶故障運行、混合動力降功率運行、純電動跛行。

3.1 混合動力帶故障運行

發(fā)動機發(fā)生輕微轉(zhuǎn)矩故障時，采用混合動力帶故障運行的容錯控制方案。此時，混合動力系統(tǒng)通常工作在如圖3所示的功率分流混合動力模式。

在混合動力帶故障運行模式，通過式(13)、(14)將輸出軸轉(zhuǎn)矩THo解耦為電機E1的轉(zhuǎn)矩TE1以及電機E2的轉(zhuǎn)矩TE2，并發(fā)給PCU。

TE1=[THo·(i2-1)+(TENG-JPC·aPC)·i2]/(i1-i2)+JS2·aPC·(1-i2)

(13)

TE2=[THo·(i1-1)+(TENG-JPC·aPC)·i1]/(i2-i1)+JS1·aPC·(1-i1)

(14)

式中：aPC根據(jù)發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速之差eN基于PI控制算法計算得到。

eN=NENG_req-NENG_actl

(15)

(16)

式中：NENG_actl為當前發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速;NENG_req為發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速；KP，TI為PI控制器參數(shù)；t為時間。

使用TENG與aPC的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法可對aPC精確控制，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率控制精度較高，因而可以獲得較好的平順性及較低的發(fā)動機噪聲。但這種控制方法對TENG的精度要求較高。

3.2 混合動力降功率運行

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足時，采用混合動力降功率運行的容錯控制方案。此時如果依舊使用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩理論值TENG計算TE1，TE2，則難以實現(xiàn)預(yù)期的行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡，因此在發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足時，舍棄發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化率的控制精度，如圖2的混合動力降功率運行模塊所示，不再使用TENG，aPC做轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。

圖2 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障診斷及容錯控制策略架構(gòu)

圖3 功率分流混合動力模式杠桿圖

此時的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制算法如式(17)、(18)。電機E1的主要功能是控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，因此以發(fā)動機轉(zhuǎn)速差eN=0為控制目標，以TE1為控制對象，基于PI控制算法計算TE1。

(17)

基于行星齒輪的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，根據(jù)式(10)推導(dǎo)出式(18)，由式(18)計算TE2。

TE2=-(THo+TE1·i2)/i2

(18)

3.3 純電動跛行

發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩的原因通常是油路、氣路、火路發(fā)生了重大故障或者燃油已耗盡，此時不宜讓發(fā)動機繼續(xù)工作。為此，發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩時，控制發(fā)動機停止工作并進入純電動跛行模式。由于電機E2單獨驅(qū)動能滿足跛行時的轉(zhuǎn)矩需求，且單電機驅(qū)動沒有電功率回環(huán)、經(jīng)濟性更佳，因此純電動跛行采用電機E2單獨驅(qū)動，此時的杠桿圖如圖4所示。

圖4 電機E2單獨驅(qū)動的純電動跛行杠桿圖

電機E2單獨驅(qū)動的純電動模式下，發(fā)給EMS的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩需求及發(fā)給PCU的電機E1轉(zhuǎn)矩需求均為0。此時電機E2到輸出軸為固定速比傳動，根據(jù)速比關(guān)系計算TE2：

TE2=-THo/i2

(19)

4 仿真驗證

由于發(fā)動機輕微故障時采用的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略與發(fā)動機狀態(tài)正常時一致，因此本文僅針對轉(zhuǎn)矩不足、不出轉(zhuǎn)矩兩個等級的故障進行仿真驗證。

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生時，需及早診斷出故障，因此選擇起步工況作為驗證工況，期望在4 s內(nèi)檢測出故障并進行處理。

4.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足時的容錯控制驗證

圖5～圖7為驗證結(jié)果。圖5中，TENG為85 N·m，根據(jù)數(shù)學(xué)模型估算的TENG_actl為60 N·m，滿足發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足故障的診斷條件。圖5、圖6中，0～4 s故障已發(fā)生，但處于計時階段，未進入容錯控制，此時輸出軸轉(zhuǎn)矩需求值THo為-150 N·m，輸出軸轉(zhuǎn)矩實際值THo_actl為-120 N·m；發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min?？梢?，在發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足故障發(fā)生后，無容錯控制時既不能實現(xiàn)發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，也不能充分響應(yīng)輸出軸轉(zhuǎn)矩需求。

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足故障時的4軸轉(zhuǎn)矩

圖6 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足故障時的4軸轉(zhuǎn)速

圖7 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不足故障時的故障等級信號

如圖7所示，在故障持續(xù)4 s后混合動力控制系統(tǒng)將故障等級置為3級，并調(diào)用降功率運行的轉(zhuǎn)矩平衡模型。由圖5～圖6可知，從第4 s開始，THo_actl開始逼近需求值，1 s后達到了目標；由圖6可知，從第4 s開始，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速開始逼近目標轉(zhuǎn)速，1 s后達到了目標。

4.2 發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩時的容錯控制驗證

圖8～圖10為驗證結(jié)果。圖8中，TENG為85 N·m，根據(jù)數(shù)學(xué)模型估算的TENG_actl為8 N·m，滿足發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩故障的診斷條件。圖8、圖9中，0～4 s故障已發(fā)生，但處于計時階段，未進入容錯控制，此時輸出軸轉(zhuǎn)矩需求THo為-150 N·m，輸出軸轉(zhuǎn)矩實際值THo_actl為-100 N·m；發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，實際轉(zhuǎn)速為1 200 r/min左右。可見在發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生后，無容錯控制時既不能實現(xiàn)發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，也不能充分響應(yīng)輸出軸轉(zhuǎn)矩需求。

如圖10所示，在故障持續(xù)4 s后混合動力控制系統(tǒng)將故障等級置為4級，并調(diào)用降功率運行的轉(zhuǎn)矩平衡模型。由圖從第4 s開始，THo_actl開始逼近THo，1 s后達到THo；由圖8可知，第4 s發(fā)動機熄火?？梢?，有容錯控制之后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)矩均能達到目標值。

圖8 發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩故障時的4軸轉(zhuǎn)矩

圖9 發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩故障時的4軸轉(zhuǎn)速

圖10 發(fā)動機不出轉(zhuǎn)矩故障時的故障等級信號

5 結(jié)束語

本文針對功率分流式混合動力汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障，提出了基于行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡數(shù)學(xué)模型的診斷方法，設(shè)計了分級容錯控制策略并進行了仿真驗證。結(jié)果顯示，設(shè)計的控制策略能夠在預(yù)期的時序診斷出發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障，并且經(jīng)過容錯控制后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)矩均達到了目標，判斷控制策略實現(xiàn)了預(yù)期的功能。本文的研究內(nèi)容可避免發(fā)動機轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生時車輛驅(qū)動能力惡化，有助于提升功率分流式混合動力汽車的安全性及可靠性。