P2混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制設(shè)計(jì)

莫崇相

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：P2混合動(dòng)力 發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制 雙離合器自動(dòng)變速器

1 前言

目前，主流的混合動(dòng)力系統(tǒng)分別是以豐田為代表的雙電機(jī)功率耦合系統(tǒng)和以大眾為代表的單電機(jī)扭矩耦合系統(tǒng)。受雙電機(jī)功率耦合系統(tǒng)構(gòu)型[1]特點(diǎn)影響，雖然其在動(dòng)力耦合[2]方式和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈活性方面具有很好的優(yōu)勢(shì)，但其相對(duì)于P2 雙離合器自動(dòng)變速器混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在成本[3]和動(dòng)力響應(yīng)方面呈現(xiàn)劣勢(shì)。雙離合器自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）在國(guó)內(nèi)具有良好的研發(fā)生產(chǎn)基礎(chǔ)，因此采用P2雙離合器自動(dòng)變速器構(gòu)型混合動(dòng)力技術(shù)路線具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)控制魯棒性和平順性是各種混合動(dòng)力技術(shù)動(dòng)態(tài)控制的核心之一。本文對(duì)P2雙離合器自動(dòng)變速器構(gòu)型最為重要的停機(jī)[4-5]控制進(jìn)行研究。

2 P2混合動(dòng)力車輛模型

為更好地研究停機(jī)過(guò)程動(dòng)力傳遞控制算法，假設(shè)P2混合動(dòng)力車輛動(dòng)力傳遞模型為剛性模型[6]，同時(shí)考慮到車輛動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)彈性變化，引入車輛傳動(dòng)效率因子η。另外，考慮停機(jī)工況限制在未換擋過(guò)程，DCT在實(shí)際傳動(dòng)過(guò)程中僅使用1個(gè)離合器和當(dāng)前作用的擋位，因此可以將DCT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為當(dāng)前作用離合器和擋位。該車輛剛性動(dòng)力模型如圖1所示。

圖1 P2動(dòng)力總成車輛剛性模型

圖1中，Je、Jk、Jc、Jm、Jw分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、K0離合器、雙離合器、電機(jī)和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jp為車輪至雙離合器端等效到輸入軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Te、Tk、Tm、Tr、Tt分別為飛輪端扭矩、K0離合器扭矩能力、電機(jī)實(shí)際輸出扭矩、K0離合器處等效殘余扭矩和傳遞到車輛端的扭矩，ωe、ωk、ωm、ωp、ωw分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、K0 離合器、電機(jī)、雙離合器和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，τ為總傳動(dòng)比，m為整車質(zhì)量，u為車速，r為車輪滾動(dòng)半徑。

在上述模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力包括2 個(gè)部分，驅(qū)動(dòng)時(shí)為凈輸出驅(qū)動(dòng)力，停機(jī)時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)阻力矩[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)由K0 離合器進(jìn)行耦合，然后由雙離合器傳遞到變速器，再傳遞到車輪端并驅(qū)動(dòng)車輪行駛。在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程中，動(dòng)力除在驅(qū)動(dòng)輪與雙離合器之間耦合外，還存在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)經(jīng)由K0 離合器處的耦合，因此在計(jì)算動(dòng)態(tài)過(guò)程停機(jī)控制時(shí)假設(shè)雙離合器是閉合的或完全分離狀態(tài)（沒有換擋或沒有滑磨損失）?；诖耍撃Ｐ桶凑兆顝?fù)雜的行車過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析：

K0離合器接合（穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)）時(shí)：

K0離合器滑磨（停機(jī)）時(shí)：

3 停機(jī)過(guò)程設(shè)計(jì)及控制目標(biāo)計(jì)算

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制設(shè)計(jì)

根據(jù)上述P2 混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)工況，并考慮到電機(jī)的正、負(fù)扭矩對(duì)控制設(shè)計(jì)的影響，存在3 種工況的停機(jī)控制，即怠速工況停機(jī)、行車回收工況停機(jī)和行車驅(qū)動(dòng)工況停機(jī)控制。根據(jù)停機(jī)的實(shí)際過(guò)程，將控制過(guò)程分為停機(jī)準(zhǔn)備控制、停機(jī)扭矩卸載控制和轉(zhuǎn)速卸載控制3個(gè)部分。設(shè)計(jì)3種工況的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制策略如圖2～圖4所示。其中Si、Mi、Ei、Ki(i=0,1,2,…)分別為不同位置i處控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速、電機(jī)目標(biāo)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)扭矩、K0離合器目標(biāo)扭矩，tA～tF分別為A～F階段的控制時(shí)間。

考慮篇幅限制，以控制過(guò)程階段較多的行車回收工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制過(guò)程為主開展說(shuō)明。為進(jìn)行停機(jī)過(guò)程拖動(dòng)相關(guān)目標(biāo)扭矩設(shè)置及控制過(guò)程時(shí)間的估算，需要引入K0、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的扭矩及轉(zhuǎn)速響應(yīng)的基本邊界參數(shù)，并作為停機(jī)過(guò)程動(dòng)力學(xué)目標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)和邊界：電機(jī)扭矩響應(yīng)能力系數(shù)IMMx、離合器扭矩響應(yīng)沖擊系數(shù)ICMx、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)能力系數(shù)IEMx、電機(jī)轉(zhuǎn)速差響應(yīng)能力系數(shù)IMJk、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差響應(yīng)能力系數(shù)IEJk、離合器轉(zhuǎn)速差響應(yīng)能力系數(shù)ICJk、發(fā)動(dòng)機(jī)控制最低響應(yīng)時(shí)間tEng、離合器控制最低響應(yīng)時(shí)間tClt、電機(jī)過(guò)0控制沖擊系數(shù)I0Mx。

圖2 怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程控制

圖3 行車回收工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程控制

圖4 行車驅(qū)動(dòng)工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程控制

3.2 停機(jī)準(zhǔn)備控制

停機(jī)準(zhǔn)備的控制目標(biāo)是在怠速工況協(xié)同電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩耦合至電機(jī)當(dāng)前扭矩M1。另外，怠速和驅(qū)動(dòng)工況對(duì)雙離合器狀態(tài)存在不同的控制要求。在怠速停機(jī)工況下，雙離合器雖然處于滑磨狀態(tài)，但實(shí)際上處于不傳遞扭矩的滑磨接合點(diǎn)前位置，這樣可以立即進(jìn)行有行駛需求的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在驅(qū)動(dòng)工況下，由于整個(gè)動(dòng)力鏈扭矩傳遞的存在，電機(jī)扭矩需要從充電負(fù)扭矩轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)正扭矩，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制對(duì)后續(xù)輪端扭矩的耦合擾動(dòng)，實(shí)際控制前需要對(duì)雙離合器進(jìn)行滑磨處理，同時(shí)要求雙離合器的扭矩具有足夠的傳遞輸入軸扭矩的能力，這樣在保證動(dòng)力鏈不中斷的基礎(chǔ)上，又彌補(bǔ)了動(dòng)力總成耦合帶來(lái)的扭矩?cái)_動(dòng)量。在回收停機(jī)過(guò)程，由于電機(jī)一直處于回收扭矩狀態(tài)且耦合后仍為回收狀態(tài)，因此回收工況在此階段不需要再對(duì)雙離合器進(jìn)行預(yù)處理（滑磨處理）控制。

3.3 停機(jī)扭矩卸載控制

回收工況停機(jī)扭矩卸載控制包括快降扭、慢降扭以及過(guò)0控制。

3.3.1 快降扭階段

E1、M1分別為停機(jī)開始時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)當(dāng)前扭矩，考慮到回收停機(jī)工況的扭矩需求特點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)于輸出耦合扭矩要求并不高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)為回收發(fā)電狀態(tài)。E2為快降扭發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)扭矩，具體視發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)快速降扭停機(jī)值而標(biāo)定。由于P2構(gòu)型動(dòng)力總成目標(biāo)扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與電機(jī)扭矩耦合而成，因此M2為總耦合目標(biāo)扭矩與E2處發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的差值。此過(guò)程響應(yīng)最低控制時(shí)間為：

式中，TM1、TM2分別為M1和M2的目標(biāo)值；TE1、TE2分別為E1和E2的目標(biāo)值。

3.3.2 慢降扭階段

E3為發(fā)動(dòng)機(jī)斷油不帶來(lái)擾動(dòng)的最低標(biāo)定允許值，一般標(biāo)定為20 N·m。由于P2 構(gòu)型動(dòng)力總成目標(biāo)扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與電機(jī)扭矩耦合而成，因此M3為總耦合目標(biāo)扭矩與E3的差值。這個(gè)階段控制最低允許時(shí)間為：

式中，TM3為M3的目標(biāo)值；TE3為E3的目標(biāo)值。

3.3.3 過(guò)0控制階段

在行車驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)扭矩快速過(guò)0 至耦合目標(biāo)需求驅(qū)動(dòng)扭矩，在回收過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后電機(jī)扭矩緩慢過(guò)0 控制并維持。M4為過(guò)0 控制開始扭矩，一般標(biāo)定為-7 N·m，M5為過(guò)0控制結(jié)束扭矩，一般標(biāo)定為2 N·m。

3.4 停機(jī)轉(zhuǎn)速卸載控制

在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩卸載完成后，即可分離K0 離合器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速卸載控制。具體包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降、停機(jī)以及恢復(fù)扭矩3個(gè)部分。

3.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降階段

M7為電機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降至發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速點(diǎn)S2所需要扭矩。根據(jù)標(biāo)定的M7可以計(jì)算此階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至S2的時(shí)間：

式中，NS1、NS2分別為S1和S2目標(biāo)轉(zhuǎn)速；TM7、TK3分別為M7和K3的目標(biāo)值。

另外，針對(duì)怠速停機(jī)和驅(qū)動(dòng)停機(jī)工況，在轉(zhuǎn)速耦合控制卸載到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到S2（可標(biāo)定，一般取400 r/min以下）時(shí)，電機(jī)扭矩已經(jīng)為0或者為正驅(qū)動(dòng)扭矩，無(wú)法將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制耦合至更低值。因此，在這2 個(gè)工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到S2時(shí)即與傳統(tǒng)車輛一樣完全靠發(fā)動(dòng)機(jī)慣性停機(jī)。

3.4.2 停機(jī)階段

此階段發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)及K0 離合器快速打開，并使電機(jī)的扭矩下降至回收過(guò)渡控制開始值M8，該值為回收目標(biāo)扭矩與過(guò)渡系數(shù)因子的乘積。此過(guò)程控制最低時(shí)間需要考慮到K0離合器的響應(yīng)時(shí)間tClt以及扭矩?cái)_動(dòng)的平順性等要求。

3.4.3 恢復(fù)扭矩階段

此階段電機(jī)扭矩快速恢復(fù)至回收目標(biāo)扭矩，具體最低控制時(shí)間為：

式中，TM8、TM9分別為M8和M9的目標(biāo)值。

4 仿真計(jì)算

以回收工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)為例，進(jìn)行基于控制設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算。根據(jù)前文設(shè)計(jì)的控制策略及其控制目標(biāo)的計(jì)算公式，設(shè)置仿真基礎(chǔ)參數(shù)作為模型的控制仿真計(jì)算的輸入，如表1所示，并進(jìn)行仿真計(jì)算。

考慮到簡(jiǎn)化仿真的需要，定義發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩Te和K0 離合器殘余扭矩Tr為常值。因此，根據(jù)上述控制目標(biāo)計(jì)算公式可得相應(yīng)的目標(biāo)扭矩和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并估算出整個(gè)控制過(guò)程細(xì)分階段的仿真控制時(shí)間，如表2所示。

表1 仿真參數(shù)定義

表2 控制時(shí)間計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述參數(shù)定義可以仿真得到發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程電機(jī)、K0離合器以及發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)扭矩的過(guò)程數(shù)據(jù)如圖5 所示。仿真的控制時(shí)間和估算出的控制時(shí)間近似相等，這證明了停機(jī)控制設(shè)計(jì)目標(biāo)動(dòng)力計(jì)算能夠很好地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。

5 實(shí)車驗(yàn)證

將上述停機(jī)控制設(shè)計(jì)應(yīng)用到某P2混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型整車項(xiàng)目控制軟件中。為更好地評(píng)價(jià)車輛停機(jī)控制舒適性，根據(jù)車輛縱向加速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到車輛縱向沖擊度[8]。車輛通過(guò)聯(lián)合測(cè)試和標(biāo)定，分別采集3種不同工況的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程數(shù)據(jù)。

該停機(jī)過(guò)程全程由混合動(dòng)力整車控制器（Hybrid Control Unit，HCU）主動(dòng)向發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（Engine Management System，EMS）、電機(jī)控制單元（Motor Control Unit，MCU）發(fā)出控制目標(biāo)扭矩需求，并在自動(dòng)變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）控制的雙離合器配合下，較精確地實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)控制，如圖6～圖8 所示。由圖6～圖8 可知，該策略成功實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源的有效退出。另外，從實(shí)測(cè)車輛加速度曲線數(shù)值和沖擊度可知，該策略也保證了車輛具有很好的平順性。

圖5 回收工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果

圖6 怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 回收工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 驅(qū)動(dòng)工況發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從P2混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛性車輛動(dòng)力模型出發(fā)，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際停機(jī)工況的需求設(shè)計(jì)了停機(jī)過(guò)程控制目標(biāo)，同時(shí)給出相應(yīng)過(guò)程控制目標(biāo)動(dòng)力計(jì)算過(guò)程并進(jìn)行實(shí)例仿真。然后結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)情況，通過(guò)對(duì)停機(jī)過(guò)程控制理論的探討、控制目標(biāo)計(jì)算、實(shí)例仿真以及實(shí)車測(cè)試可知，該策略不僅有效實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的停機(jī)功能需求，同時(shí)根據(jù)實(shí)車測(cè)試車輛加速度曲線變化可知，控制策略保證了車輛較好的平順性能。