基于干式離合器的混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)策略優(yōu)化

秦鑫，曹宇，侯財(cái)輝，秦健璇，黃祖朋

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州，545007）

0 引言

混合動(dòng)力汽車是一種裝配至少兩種不同動(dòng)力源的汽車類型。一個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)結(jié)合兩種驅(qū)動(dòng)力以獲得單一動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的動(dòng)力性?；旌想妱?dòng)汽車(HEV)作為混合動(dòng)力汽車的一種，它同時(shí)擁有兩種動(dòng)力且其中一種為電能，對(duì)于減少空氣污染和能源消耗具有更大的貢獻(xiàn)。[1]

通常，HEV的傳動(dòng)部件主要有連續(xù)變速箱以及離合器。通過(guò)控制離合器開(kāi)閉來(lái)連接或斷開(kāi)動(dòng)力系統(tǒng)部件，HEV可以實(shí)現(xiàn)選擇任意一種或同時(shí)選擇兩種動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。[2]在不同的駕駛模式下，通過(guò)離合器的滑膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛從靜止開(kāi)始加速，或者實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。[3]

為了確保動(dòng)力系統(tǒng)擁有良好的性能，干式離合器閉合的過(guò)程需要進(jìn)行精確的控制?？刂七^(guò)程中必須同時(shí)滿足一些指標(biāo)：結(jié)合面磨損量小，結(jié)合過(guò)程短，駕駛感平穩(wěn)。為了滿足上述需求，作用于離合器正向壓力必須是經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算且適合于當(dāng)前工況。為了達(dá)到上述目標(biāo)，人們研究了大量的控制策略[4-8]。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的離合器狀態(tài)的自學(xué)習(xí)模型，通過(guò)計(jì)算每一次發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間，以及施加在離合器端的扭矩，確認(rèn)啟動(dòng)過(guò)程是否需要優(yōu)化，從而調(diào)整每次閉合離合器所需扭矩，確保每次閉合過(guò)程能夠用最小的熱量損和最短的閉合時(shí)間完成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，在獲得較優(yōu)的駕駛性能的同時(shí)，可以極大的延長(zhǎng)干式離合器的使用壽命。

1 動(dòng)態(tài)模型描述

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化模型

通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)算當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間(Tfac)并與預(yù)設(shè)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)優(yōu)化的時(shí)間閾值（Tthd）比較，當(dāng)Tfac＞Tthdup時(shí)，則認(rèn)為此次發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間有過(guò)長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，可能需要啟用發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)優(yōu)化過(guò)程；或當(dāng)Tfac＞Tthdup時(shí)，則認(rèn)為此次發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間有過(guò)短的風(fēng)險(xiǎn)，可能需要啟用發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)優(yōu)化過(guò)程。

通過(guò)定義時(shí)間常數(shù)Tc，確認(rèn)本次啟動(dòng)時(shí)間與理想啟動(dòng)時(shí)間的時(shí)間差異率（Fori），所用公式如下：

其中Fori控制在既定的區(qū)域（MAXFori，MINFori）中。

將獲得的Fori與上一次啟動(dòng)儲(chǔ)存的時(shí)間差異率（Fini）相加從而獲得本次啟動(dòng)的更新時(shí)間差異率（F）：

將獲得的F與既定的允許差異率窗口進(jìn)行比較：當(dāng)Fmin＜F＜Fmax時(shí)，則將F儲(chǔ)存到RAM中，替換當(dāng)前的Fini作為下一次啟動(dòng)中使用的Fini。當(dāng)F＞Fmax時(shí)，將Fmax與F的差值作為新的Fini并儲(chǔ)存下來(lái)；同理，當(dāng)F＜Fmin時(shí)，將F與Fmin的差值的作為新的Fini并儲(chǔ)存下來(lái)。其中，F(xiàn)max為既定的允許差異率最大值，F(xiàn)min為既定的允許差異率最小值。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩優(yōu)化次數(shù)計(jì)算模型如下：

通過(guò)比較發(fā)動(dòng)機(jī)水溫(Tmp)與選定的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫?cái)?shù)組(Taxis)，得到當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)水溫狀況下，需要修正扭矩的次數(shù)(i)，計(jì)算方法如下：

其 中l(wèi)ength(Taxis)為Taxis的 長(zhǎng) 度，Taxis[MaxLen]為Taxis的最后一個(gè)元素，Taxis[i]為Taxis中第i個(gè)元素。

每獲得一個(gè)i，就會(huì)運(yùn)行一次啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化的模型，直到i不再更新或F更新判斷條件不滿足。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)離合器閉合扭矩優(yōu)化模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫以及啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化修正發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程離合器閉合請(qǐng)求扭矩獲得離合器閉合扭矩修正值（M），具體過(guò)程如下：

其中，TIni為初始設(shè)置的離合器扭矩請(qǐng)求數(shù)組，則TIni[0]為TIni的第0個(gè)元素，TIni[MaxLen]為TIni的第MaxLen個(gè)元素，其中TIni與i正相關(guān)，與F相關(guān)；當(dāng)Fmin＜F＜Fmax時(shí)，TIni不變；當(dāng)F＞Fmax時(shí)，TIni=TIni+DeltaT；同理，當(dāng)F＜Fmin時(shí)，TIni=TIni-DeltaT；其中DeltaT為每次減少的T值。Taxis[j]為Taxis 的第j個(gè)元素；j為3）過(guò)程的循環(huán)計(jì)數(shù)值，且0 ≤j＜MaxLen。

通過(guò)比較當(dāng)前車輛水溫與設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫?cái)?shù)組，確定當(dāng)前啟動(dòng)過(guò)程需要優(yōu)化的次數(shù)。參考優(yōu)化次數(shù)，按照一定比例修正發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程離合器閉合請(qǐng)求扭矩。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)將程序生成嵌入式軟件更新到車輛控制器硬件中對(duì)車輛在不同狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)測(cè)試得到程序運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)。以Tfac為分界點(diǎn)，測(cè)試兩組數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)限制M的最大值為20 Nm，最小值為0 Nm確保每次啟動(dòng)過(guò)程離合器需求扭矩需求修正不會(huì)太大導(dǎo)致駕駛體驗(yàn)不佳。為了使試驗(yàn)過(guò)程中，確保盡可能使每一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)都有參考性，設(shè)置Tthdup為0.37s, Tthddwn為 0.29 s，設(shè)置 Tc為 0.03 s。

圖1(a)為Tfac＞Tthdup時(shí)測(cè)試的M及Tmp，圖中顯示，Tmp與M整體成反比關(guān)系，隨著溫度的周期性變化，M跟隨著周期性變化，確保每次啟動(dòng)時(shí)間變化波動(dòng)較小。圖1（b）為Tfac＜Tthddwn時(shí)測(cè)試的M及Tmp，測(cè)試結(jié)果顯示，隨著溫度周期性變化，M跟隨Tmp周期性變化，在0-350 s測(cè)試過(guò)程中，由于Tfac一直居高不下，導(dǎo)致M一直增加，當(dāng)Tmp上升后，Tfac下降，M也隨之下降。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的主要是由于實(shí)際環(huán)境下，如果環(huán)境氣溫較低，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間較短的情況下，會(huì)導(dǎo)致Tmp上升速度慢，從而延長(zhǎng)了啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)。

圖1

圖2為記錄的連續(xù)多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，每一次啟動(dòng)所有時(shí)間（Tfac）以及啟動(dòng)修正的啟動(dòng)扭矩（M）。圖2（a）為Tfac＞Tthdup時(shí)測(cè)試的Tfac與M的數(shù)據(jù)，圖中顯示，當(dāng)Tfac增加，M也隨之增加，但有大約一次啟動(dòng)次數(shù)的延遲。這是由于設(shè)計(jì)模型中，下次啟動(dòng)M的值與上一次啟動(dòng)Tfac值直接相關(guān)，所以M值的變化規(guī)律與Tfac值的變化規(guī)律有一次啟動(dòng)的差距。圖2（b）為Tfac＜Tthdup時(shí)測(cè)試的Tfac與M的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示當(dāng)Tfac減少，M值隨之減少；但是，圖2（a）（b）中Tfac與M值的變化并不是線性的，而是一定程度上呈周期性變化，這是由于當(dāng)前的Tfac計(jì)算的F值處于Fmin＜F＜Fmax（Fmin=-4, Fmax=4）范圍時(shí)，計(jì)算M值公式中的Tini值并不會(huì)變化，當(dāng)F＞Fmin或F＜Fmin時(shí)，模型會(huì)通過(guò)加減DeltaT來(lái)修飾Tini。

圖2

為了進(jìn)一步觀察Tmp與M的變化關(guān)系，繪制了每次啟動(dòng)過(guò)程中Tmp與M的變化關(guān)系如圖3。其中圖3(a)為Tfac＞Tthdup時(shí)測(cè)試的M及Tmp，其中圖3(b)為Tfac＜Tthddown時(shí)測(cè)試的M及Tmp。圖中顯示，當(dāng)溫度上升， M值隨著溫度周期性變化。但是由于Tini的存在，Tfac的變化率也直接影響了M值的變化，導(dǎo)致圖中有未嚴(yán)格按照溫度變化規(guī)律來(lái)變化的點(diǎn)，如圖3（b）中Count(39)的點(diǎn)。此時(shí)溫度下降，而M值也隨之下降。這是由于當(dāng)前啟動(dòng)的F值小于-4，導(dǎo)致Tini值被修正，從而M值下降。

圖3

3 結(jié)語(yǔ)

干式離合器由于其零件特性，無(wú)法支持長(zhǎng)時(shí)間的滑摩。對(duì)于離合器能量的精確使用和精確的啟動(dòng)控制是延長(zhǎng)離合器使用壽命的重要手段。本文通過(guò)對(duì)輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、上一次啟動(dòng)過(guò)程的消耗時(shí)間以及本次啟動(dòng)的消耗時(shí)間進(jìn)行分析，自動(dòng)調(diào)節(jié)每一次啟動(dòng)時(shí)離合器需求扭矩，控制離合器啟動(dòng)能量損耗在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)也能夠輔助提高啟動(dòng)過(guò)程的一致性。同時(shí)，通過(guò)軟件邏輯多次自學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)的方法，獲得更加智能的啟動(dòng)控制過(guò)程，也為智能車輛控制的方法提供了參考。