P2 混合動力汽車發(fā)動機(jī)起動過程變速箱控制策略研究

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 安徽 合肥 230601）

引言

隨著國家越來越嚴(yán)苛的油耗要求以及消費者對汽車動力的需求，混合動力車型日益成為各大汽車企業(yè)開發(fā)的重點，同時將濕式雙離合自動變速箱（DCT）搭載到混合動力車型中，既能滿足國家強(qiáng)制性油耗的要求，同時也能滿足消費者對駕駛舒適性和動力性的要求。一般情況下，混合動力汽車會采用純電驅(qū)動（即電機(jī)工作），當(dāng)電機(jī)能力不能滿足駕駛需求時，此時電機(jī)會帶動發(fā)動機(jī)起動，使發(fā)動機(jī)介入工作，由于發(fā)動機(jī)起動過程轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩都有很大波動，若控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致輸入到車輪的轉(zhuǎn)矩劇烈變化，從而影響整車駕駛的平順性[1]。

模式切換過程中發(fā)動機(jī)起動整車相關(guān)控制已經(jīng)成為國內(nèi)外混合動力汽車研究的重點內(nèi)容。如文獻(xiàn)2提出了一種變速箱與電機(jī)協(xié)調(diào)控制方法，通過制定變速箱前饋+反饋并結(jié)合轉(zhuǎn)矩觀測的控制策略，實現(xiàn)模式切換各階段的平穩(wěn)過渡；文獻(xiàn)3 對發(fā)動機(jī)起動過程進(jìn)行動力學(xué)分析，提出了一種車輛行駛過程中發(fā)動機(jī)起動過程電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略；文獻(xiàn)4 提出一種內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，以減小混合動力汽車在發(fā)動機(jī)起動過程中動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動；文獻(xiàn)5 提出了基于模糊PID 算法的DCT 變速箱壓力控制策略和動力源轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，以提高模式切換過程整車平順性；文獻(xiàn)6 針對DCT 混合動力汽車變速箱在切換過程各階段進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)矩跟蹤控制，進(jìn)行仿真實驗，有效地解決了起動過程整車平順性；文獻(xiàn)7建立簡化的單電機(jī)混合動力系統(tǒng)模型,以減小起動發(fā)動機(jī)所用時間為目標(biāo)，建立起動發(fā)動機(jī)最優(yōu)控制；文獻(xiàn)8 設(shè)計了一種基于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的前向觀測器，通過后向觀測器對其進(jìn)行補(bǔ)償，同時參考電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相關(guān)標(biāo)定優(yōu)化，以提高發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩估計的準(zhǔn)確性。

目前，發(fā)動機(jī)起動過程模式切換的研究大部分都集中在發(fā)動機(jī)與電機(jī)上，但是作為整車動力輸出的最后控制單元的TCU（自動變速箱控制單元），其控制的好壞決定整車模式切換過程的平順性，卻很少受到重視。因此本文對發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略進(jìn)行了研究分析，同時針對原有控制策略在實車驗證過程中存在的不足，提出了一種新的變速箱轉(zhuǎn)矩控制策略，通過增加進(jìn)入變速箱控制時電機(jī)轉(zhuǎn)速與DCT 變速箱輸入軸之間轉(zhuǎn)速差的判斷條件、變速箱轉(zhuǎn)矩控制過程中采取合適加權(quán)轉(zhuǎn)矩跟隨策略，最后通過Simulink 建模，生成代碼并下載到變速箱TCU 中，在實車上對該控制策略的有效性進(jìn)行了驗證。

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文基于某款搭載雙離合自動變速箱的P2 混合動力汽車進(jìn)行研究，具體參數(shù)如表1 所示，其P2構(gòu)建的混合動力系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括發(fā)動機(jī)、CO 變速箱、驅(qū)動電機(jī)、動力電池、高壓附件及雙離合自動變速箱等子系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)與驅(qū)動電機(jī)共同組成該系統(tǒng)的動力源，兩者即可單獨驅(qū)動車輛行駛，也可以以混合驅(qū)動的方式驅(qū)動車輛行駛。因而采用此種結(jié)構(gòu)的混和動力汽車可實現(xiàn)多種工作模式（如表2所示），能夠有效地降低車輛油耗，提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

表1 P2 混動車輛信息表

圖1 搭載DCT 的P2 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 P2 混合動力車輛工作模式

2 發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略

P2 混合動力汽車在發(fā)動機(jī)起動過程中，通過變速箱離合器的滑膜來控制變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩，以避免發(fā)動機(jī)起動過程因電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化導(dǎo)致變速箱輸出到輪端轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，確保整車駕駛的平順性。

2.1 發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制原理

在正常行駛過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速ωe的變化情況與期望轉(zhuǎn)矩Te和變速箱傳遞轉(zhuǎn)矩Tc之間的關(guān)系為：

其中：Ie為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。

由（1）式可知，當(dāng)Tc＜Te時，電機(jī)轉(zhuǎn)速將上升,當(dāng)Tc>Te時，電機(jī)轉(zhuǎn)速會下降，因此，在發(fā)動機(jī)起動過程中，變速箱通過控制Tc，使得DCT 變速箱處于滑膜控制，以穩(wěn)定輸出到輪端的轉(zhuǎn)矩。如果變速箱轉(zhuǎn)矩控制不當(dāng)，會使得車輛出現(xiàn)沖擊感。為此，本文引用沖擊度對變速箱平順性進(jìn)行評價[9]，其表達(dá)式為：

式中：v 為汽車速度（m/s）；a 為汽車加速度（m/s2）。

為確保發(fā)動機(jī)起動過程整車平順性，沖擊度j 應(yīng)不大于5 m/s3[10]。

2.2 發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略

在發(fā)動機(jī)起動過程變速箱的轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制如圖2 所示。

圖2 發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制圖

總體可分為初始階段、轉(zhuǎn)矩下降階段、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段及轉(zhuǎn)矩上升階段4 個階段，控制邏輯如圖3 所示，每個階段控制如下：

1）初始階段。

初始階段即變速箱進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控階段，當(dāng)整車能量控制單元HVCU 向變速箱發(fā)送轉(zhuǎn)矩預(yù)控請求時，變速箱相應(yīng)請求，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制。

2）轉(zhuǎn)矩下降階段

圖3 轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制邏輯圖

在變速箱進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控后，降低變速箱轉(zhuǎn)矩，以獲得滑膜控制（但是不能降低過小，避免動力傳遞過?。?。

3）轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段

在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段發(fā)動機(jī)完成起動過程，通過調(diào)整變速箱轉(zhuǎn)矩，使得變速箱一直處于動態(tài)滑膜控制，以穩(wěn)定變速箱轉(zhuǎn)矩Tc，確保輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，不受發(fā)動機(jī)起動過程轉(zhuǎn)矩波動的影響。

4）轉(zhuǎn)矩增長階段

當(dāng)發(fā)動機(jī)起動完成后，調(diào)整變速箱轉(zhuǎn)矩Tc，使之恢復(fù)到初始階段轉(zhuǎn)矩，變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控結(jié)束。

2.3 現(xiàn)有控制策略的不足

在實車上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩預(yù)控優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的控制策略存在相關(guān)不足，會對發(fā)動機(jī)起動過程整車駕駛的平順性有一定影響，具體分析如下：

1）在HVCU 發(fā)動轉(zhuǎn)矩請求時，TCU 就會響應(yīng)請求，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制，此時電機(jī)軸與變速箱輸入軸處于同步狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升時，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速會跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速波動，從而引發(fā)整車波動，影響駕駛性。如圖4 所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動輸入軸轉(zhuǎn)速波動

2）在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段，變速箱轉(zhuǎn)矩計算公式為：

Tc=Tc0+ΔTe（3）

其中：Tc0為變速箱初始轉(zhuǎn)矩，ΔTe為期望轉(zhuǎn)矩變化率。

當(dāng)期望轉(zhuǎn)矩Te不變時，ΔTe=0，變速箱不會加載，踩恒定油門下轉(zhuǎn)矩預(yù)控過程整車無加速感，轉(zhuǎn)矩預(yù)控結(jié)束后整車突然有加速感，造成變速箱狀態(tài)切換過程整車加速不平順，如圖5 所示。

圖5 變速箱實際傳遞轉(zhuǎn)矩不跟隨期望轉(zhuǎn)矩

2.4 優(yōu)化后的控制策略

針對現(xiàn)有變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略的不足，對相關(guān)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，具體如下：

1）針對因電機(jī)轉(zhuǎn)速提升帶動變速箱軸轉(zhuǎn)速波動問題，在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩預(yù)控策略上增加轉(zhuǎn)速判斷條件，當(dāng)HVCU 發(fā)送轉(zhuǎn)矩預(yù)控請求時，只有當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速rd與輸入軸轉(zhuǎn)速rs有一定轉(zhuǎn)速差時，即rd-rs>Δ 時（Δ為可標(biāo)定值），TCU 才響應(yīng)HVCU 的轉(zhuǎn)矩預(yù)控請求。

2）針對因期望轉(zhuǎn)矩Te不變導(dǎo)致變速箱轉(zhuǎn)矩Tc不加載問題，在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段，增加變速箱轉(zhuǎn)矩控制策略，確保變速箱扭矩Tc參照期望轉(zhuǎn)矩Te進(jìn)行加載，即Tc=Tc0+δ（Te-Tc0），δ 為可標(biāo)定值。

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩預(yù)控邏輯圖如圖6 所示。

2.5 實車驗證

為了驗證優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩預(yù)控策略的實際控制效果，將研究的轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略通過Simulink 建模，生成代碼并下載到變速箱TCU 中，在實車上進(jìn)行了相關(guān)測試驗證，整車綜合一體化控制的CAN 信號通過CANape 設(shè)備進(jìn)行采集，采集的驗證工況如表3所示。

圖6 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩預(yù)控邏輯圖

表3 轉(zhuǎn)矩預(yù)控驗證工況

驗證時，設(shè)置轉(zhuǎn)速差Δ=30 r/min；δ=1，按照表3 的驗證工況進(jìn)行驗證測試，較原有的邏輯，新邏輯增加轉(zhuǎn)速差判斷條件后實車測試結(jié)果如圖7 所示，當(dāng)HVCU 發(fā)送轉(zhuǎn)矩預(yù)控請求時，等電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速形成30 r/min 的轉(zhuǎn)速差時，TCU 才響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)控請求，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速提升，輸入軸轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，沖擊度最大為0.8（小于5 m/s3），總體較平穩(wěn)（如圖7 所示）。

較原有邏輯，新邏輯修改轉(zhuǎn)矩跟隨策略后實車測試結(jié)果如圖8 所示，變速箱實際傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到期望轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機(jī)起動過程，沖擊度最大為2.5（小于5 m/s3），車輛加速總體平順。

實車驗證測試結(jié)果表明，采用所提出的變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略在整車上可實現(xiàn)變速箱轉(zhuǎn)矩傳遞的平穩(wěn)，有效地避免了P2 混合動力汽車發(fā)動機(jī)起動過程的沖擊，確保車輛駕駛的平順性和舒適性。

圖7 優(yōu)化轉(zhuǎn)速差判斷條件策略

圖8 優(yōu)化轉(zhuǎn)矩跟隨策略

3 結(jié)論

對P2 混合動力汽車發(fā)動機(jī)起動過程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制進(jìn)行了研究分析，針對目前控制策略的不足，提出了一種新的變速箱轉(zhuǎn)矩控制策略：

1）通過設(shè)計進(jìn)入變速箱轉(zhuǎn)矩控制時電機(jī)轉(zhuǎn)速與DCT 變速箱之間滑膜差的判斷條件，確保變速箱進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控時電機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱軸轉(zhuǎn)速間存在滑膜差。

2）轉(zhuǎn)矩預(yù)控過程中采取合適的變速箱轉(zhuǎn)矩跟隨策略，確保變速箱實際轉(zhuǎn)矩跟隨期望轉(zhuǎn)矩。

3）設(shè)計出發(fā)動機(jī)起動過程中變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控整車驗證工況，通過實車驗證。新的轉(zhuǎn)矩預(yù)控邏輯滿足開發(fā)要求，滿足設(shè)計指標(biāo)（沖擊度小于5 m/s3）。