并聯(lián)混動(dòng)車駐車發(fā)電時(shí)電機(jī)超速原因與方案分析

王麗萍， 王瀚州， 李 銳， 喻 尚， 殷 波

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

1 故障現(xiàn)象

某重卡P2并聯(lián)非插電式輕混實(shí)驗(yàn)車在測試駐車發(fā)電功能時(shí)，當(dāng)SOC＞充電上限閾值停止充電瞬間電機(jī)超速，超出最大轉(zhuǎn)速2500r/min。

2 故障分析

2.1 原理分析

P2并聯(lián)非插電式輕混車駐車發(fā)電原理框架如圖1所示。

圖1 駐車發(fā)電原理框架圖

車輛在空擋狀態(tài)下，手剎拉起，SOC低于下限閾值時(shí)，駕駛員按下駐車發(fā)電開關(guān)進(jìn)行充電，此時(shí)整車控制器HCU控制離合器結(jié)合，控制發(fā)動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)速工作，并工作在最佳燃油消耗率轉(zhuǎn)矩區(qū)間內(nèi)，控制電機(jī)恒扭矩為電池充電。當(dāng)SOC大于上限閾值時(shí)，停止駐車發(fā)電，斷開離合器，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)扭矩都為0。

通過原理和現(xiàn)象分析，駐車充電的過程中電機(jī)處于正常狀態(tài)，在充電完成的瞬間電機(jī)超速，通過現(xiàn)象考慮在電機(jī)充電完成瞬間仍有扭矩存在，即電機(jī)在無負(fù)載的情況下有扭矩運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)超速。

2.2 數(shù)據(jù)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)基本參數(shù)

通過CAN設(shè)備采集實(shí)車CAN報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)車CAN報(bào)文數(shù)據(jù)采集

在充電完成前一時(shí)刻過程中，HCU控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)處于正常狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)在恒扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)，由于駐車發(fā)電時(shí)離合器處于結(jié)合狀態(tài)，則此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)顯示如圖2所示。

圖2 駐車發(fā)電時(shí)正常狀態(tài)數(shù)據(jù)

當(dāng)隨著SOC一直上升，達(dá)到上限閾值時(shí)，即圖3時(shí)間約ts左右，駐車發(fā)電完成，需要將離合器斷開，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)扭矩為0，正常狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到怠速，電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該下降到0，但由圖3所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒有恢復(fù)到0，而是有下降趨勢，電機(jī)轉(zhuǎn)速一直下降直到-2550左右，已經(jīng)達(dá)到超速狀態(tài)。

圖3 駐車發(fā)電完成瞬間異常狀態(tài)數(shù)據(jù)

根據(jù)控制原理所知，當(dāng)駐車發(fā)電完成時(shí)，HCU控制電機(jī)扭矩為0，且離合器斷開后，電機(jī)轉(zhuǎn)速自然恢復(fù)到0。但實(shí)際狀態(tài)電機(jī)扭矩并沒有變?yōu)?，但此時(shí)電機(jī)未帶任何負(fù)載，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到超速狀態(tài)。因此需要排查此時(shí)電機(jī)扭矩的來源。

2.3 方案分析

通常情況下，整車控制模塊在對動(dòng)力源進(jìn)行扭矩控制需求時(shí)，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)響應(yīng)特性的不同，為了更好地匹配動(dòng)力源，一般會(huì)對扭矩進(jìn)行梯度輸出，此梯度輸出值根據(jù)不同工況定義不同的梯度值。在駐車發(fā)電時(shí)，整車控制模塊對電機(jī)進(jìn)行負(fù)扭矩控制以此來給動(dòng)力電池充電。負(fù)扭矩輸出時(shí)需要經(jīng)過梯度輸出計(jì)算。扭矩上升時(shí)采用上升梯度，扭矩下降時(shí)采用下降梯度。根據(jù)時(shí)間調(diào)度，每運(yùn)行一次，對當(dāng)前扭矩輸出進(jìn)行一次梯度計(jì)算輸出，直到最終目標(biāo)值。

原設(shè)計(jì)要求，當(dāng)駐車發(fā)電標(biāo)志為1時(shí)，前模塊輸出電機(jī)扭矩不需要梯度計(jì)算直接控制電機(jī)需求扭矩，當(dāng)駐車發(fā)電完成時(shí)，即駐車發(fā)電標(biāo)志為0時(shí)，輸出當(dāng)前需求扭矩，并對當(dāng)前需求扭矩進(jìn)行梯度輸出。整車控制模塊按照圖4模型控制輸出，當(dāng)駐車發(fā)電標(biāo)志為0一瞬時(shí)，這一時(shí)刻當(dāng)前需求電機(jī)扭矩已經(jīng)為0，但上一時(shí)刻的電機(jī)輸出扭矩是駐車發(fā)電時(shí)扭矩控制值，導(dǎo)致電機(jī)扭矩在梯度輸出處理。即此時(shí)離合器斷開，空擋狀態(tài)下，電機(jī)已無負(fù)載，但電機(jī)扭矩由駐車發(fā)電扭矩緩慢回落到0，說明電機(jī)在無負(fù)載情況下進(jìn)行扭矩控制，導(dǎo)致電機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 電機(jī)扭矩梯度輸出模塊

3 解決措施

3.1 更改措施及仿真

由上所述，電機(jī)扭矩梯度模塊邏輯處理出現(xiàn)問題，將駐車發(fā)電標(biāo)志做如圖5處理解決此問題。增加一個(gè)延遲模塊，當(dāng)駐車發(fā)電由1變?yōu)?時(shí)，此刻電機(jī)扭矩仍不做梯度處理，當(dāng)前需求電機(jī)扭矩為0，在此時(shí)刻輸出扭矩也為0。實(shí)現(xiàn)原設(shè)計(jì)要求，即當(dāng)駐車發(fā)電標(biāo)志=1不需要將當(dāng)前需求進(jìn)行梯度輸出，此時(shí)輸出扭矩為駐車發(fā)電扭矩，當(dāng)駐車發(fā)電標(biāo)志=0時(shí)輸出扭矩為當(dāng)前需求扭矩。

圖5 電機(jī)扭矩過濾模塊更改方案

通過圖6所示仿真更改前與更改后結(jié)果對比區(qū)別如下。

圖6 方案更改前后仿真對比圖

1） 駐車發(fā)電開始，更改前直接變?yōu)轳v車發(fā)電扭矩，更改后則逐漸變?yōu)轳v車發(fā)電扭矩。

2） 駐車發(fā)電完成，更改前逐漸變?yōu)?，而更改后則由駐車發(fā)電扭矩直接變?yōu)?。

由圖6所示仿真結(jié)果可以看出，更改后方案更能真實(shí)反映設(shè)計(jì)之初要求，且更符合實(shí)際實(shí)車工況要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將更改后模型生成代碼注入到控制器后，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，在駐車發(fā)電完成瞬間沒有再出現(xiàn)電機(jī)超速的情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 更改后駐車發(fā)電完成變化狀態(tài)

由圖7所示，約t1左右，駐車充電完成瞬間，電機(jī)扭矩直接由駐車發(fā)電扭矩變?yōu)?，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回落到怠速，電機(jī)轉(zhuǎn)速也經(jīng)過一段時(shí)間在約t2左右逐漸變?yōu)?。由此驗(yàn)證更改后方案可以解決電機(jī)超速的故障。

4 總結(jié)

電機(jī)長時(shí)間超速會(huì)影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的損害，一般情況電機(jī)供應(yīng)商會(huì)在電機(jī)控制器MCU中做超速保護(hù)邏輯，可以起到一定的保護(hù)作用。但要從根本上解決問題還需要從整車扭矩控制邏輯來分析問題找出原因。

本文通過此故障的排查，簡單地介紹了混動(dòng)車駐車發(fā)電的原理和相關(guān)控制器之間交互的控制邏輯。通過功能模塊的控制策略，分析Simulink搭建的軟件模型，從源頭開始排查模型的問題，最終確定問題點(diǎn)，再通過控制策略解決問題，提出了一種排查問題的思路，可以延伸到解決其他控制問題。同時(shí)也暴露了Simulink搭建的控制策略模型在前期仿真測試和HIL測試中的疏漏，對系統(tǒng)測試人員提出更高的要求，對測試用例的嚴(yán)謹(jǐn)提出更高的要求，需要更高強(qiáng)度的測試在前期能夠發(fā)現(xiàn)問題，避免實(shí)車測試時(shí)不可預(yù)知的問題導(dǎo)致更嚴(yán)重的事情發(fā)生。