羅 勇,韋永恒,王佳男,趙 爽,崔環(huán)宇
(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400054;2.重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司, 重慶 400054)
混合動(dòng)力系統(tǒng)可按多種方式分類,其中用P(Position)代表電氣化部件的架構(gòu)以及電機(jī)的位置,不同的位置使用不同的數(shù)字代號,將單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)劃分為P1、P2、P2.5、P3等構(gòu)型[1]?;诖钶d雙離合變速器(dual clutch transmission,DCT)的P2.5構(gòu)型,將電機(jī)集成到DCT某一輸入軸,相比驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的P1及變速箱輸入端的P2構(gòu)型,P2.5構(gòu)型具有駐車發(fā)電、電機(jī)效率不受發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)彷椛溆绊憽2.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩可直接經(jīng)過變速器驅(qū)動(dòng)起步或行駛、離合器控制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞,油電銜接更順暢等優(yōu)勢;相比驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于變速箱輸出端的P3、P4構(gòu)型,P2.5構(gòu)型利用電機(jī)速比不固定優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作范圍,提高動(dòng)力輸出效率、無需低壓電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電、油電耦合沖擊度小,駕駛舒適性更好[2-3]。因此,搭載DCT的P2.5混合動(dòng)力構(gòu)型憑借其多方面的優(yōu)勢,具有很大的應(yīng)用前景和研究意義。
濕式DCT起步控制的核心是對離合器自動(dòng)結(jié)合油壓速率快慢的控制。同時(shí)整車起步過程作為整車動(dòng)態(tài)運(yùn)行的重要組成部分,一直是整車開發(fā)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[4-5]。對此,各國學(xué)者對搭載DCT的起步過程的改進(jìn)控制展開了廣泛研究。莫崇相等[6]基于雙離合器自動(dòng)變速器起步控制理論,分多個(gè)階段詳細(xì)分析起步過程,計(jì)算出相應(yīng)的車輛驅(qū)動(dòng)力。高奇峰等[7]以沖擊度、滑磨功為目標(biāo),根據(jù)油門開度將駕駛意圖分為爬行起步、正常起步、急起步3種典型模式,并制定相應(yīng)的起步控制策略。ZHANG J等[8]基于模糊控制策略等多種方法實(shí)現(xiàn)了對DCT單離合器的起步控制。ZHAO Z G等[9]考慮駕駛員意圖對起步過程的影響,提出了動(dòng)力源與雙離合器扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。汽車起步由駕駛員操作直接控制,通過加速踏板開度及其變化率來表達(dá)。急起步下,駕駛員希望快速起步,需求扭矩變化率較大,因此沖擊度明顯;緩起步下,駕駛員希望平穩(wěn)起步,但離合器滑磨時(shí)間較長,容易造成滑磨功較大。因此,不考慮駕駛員起步意圖易造成沖擊度與滑磨功2大指標(biāo)難以平衡,起步時(shí)間、性能等難以滿足駕駛員起步需求等問題。有必要研究基于駕駛員起步意圖識別的離合器控制與起步控制算法。
本文以某款搭載DCT的P2.5構(gòu)型下的插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)為研究對象,提出一種考慮駕駛員起步意圖識別的起步控制策略。通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及起步過程分析,分別建立離合器C1/C2結(jié)合的單離合器起步動(dòng)力學(xué)方程?;诙鄬幽:刂撇呗?,根據(jù)加速踏板開度及其變化率共同識別駕駛員操作,得到駕駛員起步意圖,將起步意圖結(jié)合主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差等因素推導(dǎo)離合器結(jié)合油壓,從而達(dá)到根據(jù)駕駛員起步操作識別起步意圖輸出不同速率大小的結(jié)合油壓,控制起步過程離合器的扭矩傳遞,改變起步需求時(shí)長的目的。
本文的研究對象基于搭載DCT的P2.5插電式混合動(dòng)力系統(tǒng),主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、P2.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)、濕式雙離合變速器、主減速器等子系統(tǒng),整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。
圖1 基于DCT的P2.5混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖可得,DCT有2根同軸心的輸入軸,第一輸入軸空套在第二輸入軸里面。第一輸入軸是實(shí)心軸,通過花鍵與離合器C1相連,輸入軸1上安裝有1、3、5、7檔主動(dòng)齒輪;輸入軸2上安裝有2、4、6、R檔主動(dòng)齒輪。該系統(tǒng)的動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)和P2.5電機(jī)共同組成。發(fā)動(dòng)機(jī)與雙離合器C1、C2連接,P2.5電機(jī)置于離合器之后,高度集成在雙離合變速器內(nèi)部,并與雙離合變速器的第二輸入軸(偶數(shù)軸)相連,可共用2、4、6檔。當(dāng)離合器C2結(jié)合,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛,也可與P2.5電機(jī)各自通過輸入軸輸出驅(qū)動(dòng)扭矩。當(dāng)離合器C1結(jié)合,發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛,也可與P2.5電機(jī)共同通過第二輸入軸輸出扭矩。
根據(jù)對搭載DCT的P2.5插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析與建模,本文研究對象的整車部分基本參數(shù)如表1所示。
表1 研究對象部分基本參數(shù)
通過對P2.5插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析,本文將分6個(gè)階段,詳細(xì)分析濕式DCT單離合器起步過程。圖2為起步過程的扭矩、轉(zhuǎn)速分析簡圖。
圖2 起步過程轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速分析簡圖
1) 階段1:準(zhǔn)備起步,發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Te=0,離合器傳遞扭矩Tc=0。離合器處于分離狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài),ne=n0;車輛處于靜止?fàn)顟B(tài),輸出轉(zhuǎn)速nc=0。
2) 階段2:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升,扭矩逐漸增加,離合器仍為分離狀態(tài),離合器傳遞扭矩Tc=0。此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞扭矩用于克服整車阻力矩和消除離合器空行程。
3) 階段3:發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩保持恒定,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定上升。
4) 階段4:離合器油壓繼續(xù)上升,離合器傳遞扭矩增加,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升,此階段車輛行駛阻力也隨之增加,在此階段末,將離合器扭矩調(diào)節(jié)至發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩水平,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始緩慢增加。可以調(diào)節(jié)離合器的油壓來控制傳遞的轉(zhuǎn)矩,從而控制離合器的結(jié)合速度[10-11]。
5) 階段5:離合器扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩相等,Tc=Te,因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始保持穩(wěn)定。
6) 階段6:此階段開始時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速同步,nc=ne,并且離合器處于接合狀態(tài)。由于此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加,導(dǎo)致離合器傳遞的扭矩減小,然后保持不變。
基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,將DCT系統(tǒng)簡化為離散化系統(tǒng),并建立基于P2.5構(gòu)型的DCT系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡化模型,如圖3所示。從工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)上講,DCT相當(dāng)于采用2套傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器,變速器1連接所有奇數(shù)擋位齒輪,而變速器2與所有偶數(shù)擋位齒輪連接。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩分別通過2個(gè)離合器與不同的輸入軸相連,從而將動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩傳遞給變速器,進(jìn)而傳遞至車輪端[10,12]。
如圖3所示,將輸入、輸出軸簡化為彈簧阻尼器模型,齒輪等簡化為集中質(zhì)量模型[11]。并對模型做如下假設(shè):① 忽略齒輪及系統(tǒng)間的間隙;② 傳動(dòng)系統(tǒng)各模塊體現(xiàn)為集中質(zhì)量的形式;③ 不考慮離合器熱衰退等因素的影響。
圖3 基于P2.5構(gòu)型的DCT系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡化模型
圖中部分參數(shù)的物理意義如下:Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸(包括發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件)和離合器C2主動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);Im為電機(jī)輸出軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,包括電機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)輸出軸到變速器2檔位齒輪之間所有等效到電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);In1為離合器C2從動(dòng)盤減振器包括輸入軸2(空心軸)及關(guān)聯(lián)偶數(shù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);Im1為中間軸1及其關(guān)聯(lián)齒輪、主減速器 1主動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);Iw為車輪端及整車等效到輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);ig為變速器速比;im為電機(jī)到軸3速比;ki、km、k0分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、車輪減振器的扭轉(zhuǎn)剛度(N·m/rad);kC2為離合器C2減振器的扭轉(zhuǎn)剛度(N·m/rad);ci、cm、c0分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、車輪減振器的旋轉(zhuǎn)黏性阻尼系數(shù)(N·m·s/rad);cC2為離合器C2減振器的旋轉(zhuǎn)黏性阻尼系數(shù)(N·m·s/rad);TC2為離合器C2傳遞轉(zhuǎn)矩(N·m);Tf為車輛阻力矩(N·m)。
通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn),建立了描述發(fā)動(dòng)機(jī)加速踏板開度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的二維插值模型,如圖4(a)所示,并獲得了不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、燃油消耗率等曲線,如圖4(b)所示。
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩模型曲面和特性曲線
濕式離合器通過控制油壓及其變化率實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞[13]。按照主、從動(dòng)盤摩擦片的工作狀態(tài)可劃分成鎖止、滑磨和分離所傳遞扭矩,分別對應(yīng)靜摩擦力矩、滑磨扭矩以及無扭矩3種情況。其函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為:
(1)
當(dāng)離合器滑磨時(shí),傳遞轉(zhuǎn)矩由油壓決定,離合器主、從動(dòng)盤間轉(zhuǎn)速差為Δωec=ωe-ωc。當(dāng)離合器滑磨或鎖止時(shí),離合器主、從動(dòng)摩擦片在不同情況下的傳遞扭矩Tc可表示為:
(2)
式中:μ為摩擦因數(shù),包括鎖止時(shí)的靜摩擦因數(shù)μs和滑磨時(shí)的動(dòng)摩擦因數(shù)μc;Pn為離合器摩擦片上的正壓力(N·m);S為離合器摩擦片上的作用面積(m2);Z為摩擦副的數(shù)量;P1和P2分別為摩擦片的外、內(nèi)徑(m);sgn(Δωec)為符號函數(shù)。
車輛在起步過程中,動(dòng)力源傳遞的扭矩通過離合器、變速器、主減速器等傳遞至車輪處。由于車速較慢,則只需考慮整車輪胎滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力。具體整車動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為:
(3)
式中:m為整車載荷(kg);g為重力加速度(9.8 m/s2);f為滾動(dòng)阻力系數(shù);θ為爬坡度(°);r為車輪半徑(m);CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積(m2);v為車速(km/h);ηt為變速器效率。
基于對相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型的分析,本構(gòu)型下的單離合器起步可采用DCT一檔、二檔起步2種方式。不同起步檔位的起步動(dòng)力學(xué)方程如下:
3.5.1單離合器C1起步
(4)
式中:Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(N·m);ω4為離合器C2從動(dòng)盤(軸2端)角速度(rad/s);ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度(rad/s);θ4、θe分別為ω4、ωe對應(yīng)的角位移(rad);ω2為軸3輸入端角速度(rad/s);ωcz為離合器C2主動(dòng)盤(軸3端)角速度(rad/s);θ2、θC2分別為ω2、ωC2對應(yīng)的角位移(rad);ω2為軸3輸入端角速度(rad/s);Tin2s為輸入軸1傳遞到中間軸1(軸3)的扭矩(N·m)。
3.5.2單離合器C2起步
(5)
其中:ω3為離合器C1從動(dòng)盤角速度(rad/s);θ3、θe分別為ω3、ωe對應(yīng)的角位移(rad);ω4為軸3輸入端角速度(rad/s);θ4、θC1分別為ω4、ωC1對應(yīng)的角位移(rad);Tin2s為輸入軸1傳遞到中間軸1的扭矩(N·m)。
起步過程中,動(dòng)力源輸出機(jī)械能大部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和離合器主、從動(dòng)盤滑磨階段的滑磨功?;ス^大會影響離合器的工作效率和使用壽命,沖擊度過大也會影響駕乘舒適性[14]。綜上,采用沖擊度、滑磨功評價(jià)汽車的起步品質(zhì)。
1) 沖擊度j表示車輛縱向加速度的變化率。以離合器C1起步過程為例,沖擊度的大小可表示為:
(6)
式中:ηv為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。沖擊度標(biāo)準(zhǔn):德國推薦值10 m/s3。
2) 滑磨功L表示離合器主、從動(dòng)盤摩擦片間摩擦力做功的大小。以離合器C1起步過程為例,滑磨功的大小可表示為:
(7)
式中:tc為起步開始到離合器消除空行程時(shí)間;ts為離合器開始滑磨到轉(zhuǎn)速同步時(shí)間。
離合器起步的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于如何在較短的起步時(shí)間內(nèi)處理駕駛員起步意圖的辨別、離合器油壓的變化速率、結(jié)合過程多變、影響因素多等問題。傳統(tǒng)的駕駛員模型難以滿足要求,因此準(zhǔn)確的駕駛員模型對起步品質(zhì)重要明顯。本文采用多層模糊控制策略,模擬駕駛員起步經(jīng)驗(yàn),將其轉(zhuǎn)化成模糊控制邏輯規(guī)則,實(shí)現(xiàn)離合器的平穩(wěn)結(jié)合和車輛的平穩(wěn)起步[15]。
圖5為起步過程控制邏輯簡圖,主要分為3部分:① 駕駛員起步意圖識別部分,通過加速踏板開度及其變化率識別駕駛員操作,得到駕駛員起步意圖,并將駕駛員起步意圖分為緩起步、正常起步、急起步,分別對應(yīng)駕駛員不同起步扭矩需求;② 離合器狀態(tài)變量部分,主要通過動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算得到離合器主、從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速等;③ 結(jié)合駕駛員起步意圖和離合器狀態(tài)量的結(jié)合控制,將得到的起步意圖結(jié)合離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差等因素得到離合器的結(jié)合油壓,進(jìn)而控制離合器的扭矩傳遞。同時(shí),以沖擊度為目標(biāo),離合器傳遞扭矩的大小受扭矩變化率的控制,保證起步過程品質(zhì)。
圖5 起步過程控制邏輯簡圖
根據(jù)起步過程控制邏輯簡圖,本文設(shè)計(jì)的2個(gè)起步模糊控制器分別為:駕駛員起步意圖控制器、離合器結(jié)合油壓控制器。
離合器結(jié)合油壓控制器:離合器的控制較為復(fù)雜,考慮起步意圖及起步工況,采用雙層模糊控制策略。把起步意圖(I)作為第二層模糊控制器的輸入變量,第二層以駕駛意圖(I)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(ωe)、離合器主、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差(Δωe)為輸入,離合器結(jié)合油壓為輸出。
根據(jù)駕駛員起步意圖模糊控制器的輸入、輸出變量的模糊子集隸屬度函數(shù),結(jié)合制定模糊控制規(guī)則,得到駕駛員起步意圖模糊控制曲面,如圖6所示。
圖6 駕駛員起步意圖識別模糊控制器圖
根據(jù)對構(gòu)型及起步過程的分析,結(jié)合制定的相應(yīng)控制策略,建模并仿真。為保證駕駛員在不同操作下的離合器結(jié)合油壓等控制算法的準(zhǔn)確性,首先需要對駕駛員起步意圖識別進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
分別給定0~15%、0~45%、0~80%的加速踏板開度階躍信號,得到不同階躍信號下的加速踏板開度變化率和駕駛員起步意圖量化值曲線,如圖7~9所示。
圖7 不同開度的加速踏板開度階躍信號曲線
圖8 不同加速踏板開度下的加速踏板開度變化率曲線
圖9 不同加速踏板開度下的起步意圖量化值曲線
由圖7~9可得,當(dāng)加速踏板開度梯度正向階躍變化時(shí),加速踏板開度變化率和駕駛員起步意圖量化值依次增大。綜上,結(jié)果表明,本文的起步意圖策略能有效跟蹤加速踏板開度及其變化率的變化趨勢,為離合器結(jié)合油壓等內(nèi)容的準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。
為對比分析駕駛員不同起步意圖及起步工況下的起步性能與控制策略的有效性,分別對多種駕駛員操作下的起步過程控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
1) 設(shè)置節(jié)氣門開度15%,最大加速踏板開度變化率0.19,離合器C1/C2結(jié)合起步仿真結(jié)果如圖10~12所示。觀察可得,離合器C1/C2結(jié)合起步的起步時(shí)間分別為1.13 s和1.26 s;當(dāng)離合器主、從動(dòng)盤結(jié)合鎖止時(shí),離合器最大油壓分別為0.284 MPa和0.304 MPa。起步過程離合器的滑磨功分別約為4.54 kJ和5.76 kJ,最大沖擊度分別為7.9 m/s3和3.5 m/s3,均滿足相關(guān)評價(jià)指標(biāo)。起步過程離合器傳遞扭矩能有效跟隨離合器油壓變化趨勢,驗(yàn)證了離合器油壓控制策略的有效性。
圖10 15%節(jié)氣門開度下離合器C1/C2轉(zhuǎn)速曲線
圖11 15%節(jié)氣門開度下離合器油壓/傳遞轉(zhuǎn)矩曲線
圖12 15%節(jié)氣門開度下滑磨功/沖擊度曲線
2) 設(shè)置節(jié)氣門開度45%,最大加速踏板開度變化率0.21,離合器C1/C2結(jié)合起步仿真結(jié)果如圖13~15所示。離合器C1/C2結(jié)合起步的起步時(shí)間分別為0.94 s和0.99 s;當(dāng)離合器主、從動(dòng)盤結(jié)合鎖止時(shí),離合器最大油壓分別為0.386 MPa和0.365 MPa。起步過程離合器的滑磨功分別為5.27 kJ和6.89 kJ,最大沖擊度分別為7.9 m/s3和3.8 m/s3,均滿足起步相關(guān)評價(jià)指標(biāo)。
圖13 45%節(jié)氣門開度下離合器C1/C2轉(zhuǎn)速曲線
圖14 45%節(jié)氣門開度下離合器油壓/傳遞轉(zhuǎn)矩曲線
圖15 45%節(jié)氣門開度下滑磨功/沖擊度曲線
3) 設(shè)置節(jié)氣門開度80%,最大加速踏板開度變化率0.22,離合器C1/C2結(jié)合起步仿真結(jié)果如圖16~18所示。離合器C1/C2結(jié)合起步的起步時(shí)間分別為0.88 s和0.97 s,相比15%和45%的加速踏板開度,不同程度地縮短了起步時(shí)間;當(dāng)離合器主、從動(dòng)盤結(jié)合鎖止時(shí),離合器最大油壓分別為0.391 MPa和0.368 MPa。起步過程離合器的滑磨功為5.13 kJ和7.04 kJ,最大沖擊度分別為8.1 m/s3和4.2 m/s3,均滿足相關(guān)評價(jià)指標(biāo)。
圖16 80%節(jié)氣門開度下離合器C1/C2轉(zhuǎn)速曲線
圖17 80%節(jié)氣門開度下離合器油壓/傳遞轉(zhuǎn)矩曲線
圖18 80%節(jié)氣門開度下滑磨功/沖擊度曲線
為解決起步過程中車輛狀態(tài)無法有效跟隨駕駛員起步需求的問題,提出考慮駕駛員起步意圖識別的起步控制策略。以搭載DCT的P2.5插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對象,在對結(jié)構(gòu)與起步過程分析的基礎(chǔ)上,分別建立不同離合器起步下的動(dòng)力學(xué)方程;考慮駕駛員起步操作及起步工況,建立了多層模糊控制的起步策略。仿真結(jié)果表明:建立的起步意圖策略能有效識別駕駛員操作,雙層模糊控制策略下的離合器傳遞轉(zhuǎn)矩能較好地跟蹤離合器油壓變化。多種仿真工況下的沖擊度與滑磨功均滿足相關(guān)性能指標(biāo),驗(yàn)證了本文起步控制策略的有效性。P2、P3等其他構(gòu)型的混合動(dòng)力系統(tǒng)也可開展基于某搭載DCT的P2.5插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)研究,探索對不同類型混合動(dòng)力汽車的適應(yīng)性。