考慮起步意圖的P3構(gòu)型AMT-PHEV雙層模糊起步控制策略研究

羅 勇，柳明生，闞英哲，鄧云霄，褚清國，張嘉璐

(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)

0 引言

隨著石油資源的短缺和大氣污染日益加劇，傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)展受到油價(jià)上漲和污染環(huán)境的雙重困境。插電式混合動(dòng)力汽車具有低能耗、低排放等優(yōu)點(diǎn)，且駕駛員無里程焦慮問題，具有廣闊的市場(chǎng)前景，受到各大汽車廠家重視。

插電式混合動(dòng)力汽車按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置的不同，可分為P0、P1、P2、P3和P4等構(gòu)型。其中P3構(gòu)型PHEV電機(jī)安裝在變速器輸出軸端，能夠直接驅(qū)動(dòng)汽車行駛，較其他構(gòu)型在純電模式和能量回收模式下效率更高[1]。基于AMT的P3構(gòu)型PHEV結(jié)構(gòu)如圖1所示，在AMT的輸出軸上耦合P3電機(jī)，在起步換擋等動(dòng)態(tài)過程中，P3電機(jī)可直接輸出扭矩作用在變速器輸出端，從而在離合器斷開時(shí)為汽車提供動(dòng)力。起步或換擋完成后發(fā)動(dòng)機(jī)介入，電機(jī)緩緩減少驅(qū)動(dòng)力矩，最后退出，全程沒有產(chǎn)生動(dòng)力中斷，能大大增加換檔時(shí)駕駛體驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)可大大減小傳統(tǒng)AMT在起步換擋過程中的沖擊度和滑摩功，實(shí)現(xiàn)近似無動(dòng)力中斷的起步和換擋。

圖1 基于AMT的P3構(gòu)型PHEV結(jié)構(gòu)示意圖

車輛起步過程中的離合器自動(dòng)結(jié)合控制是關(guān)鍵，其中結(jié)合速度的控制是核心和難點(diǎn)。其控制目標(biāo)包括：① 車輛起步過程平穩(wěn)，沖擊度小；② 滑摩功盡可能小，以提高離合器使用壽命；③ 滿足駕駛員在不同工況下的起步意圖。沖擊度和滑摩功是一對(duì)相互矛盾的指標(biāo)，需要根據(jù)駕駛員的起步意圖和當(dāng)前坡度的情況綜合控制結(jié)合速度，以協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問題展開了廣泛研究，雷雨龍等[2]提出發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制原則，減小了滑摩功，提高了離合器結(jié)合壽命；孫冬野等[3]在此基礎(chǔ)上提出發(fā)動(dòng)機(jī)局部恒轉(zhuǎn)速控制原則，進(jìn)一步減小了結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的滑摩功；Knut Nomlgard[4]、肖勇明等[5]基于駕駛員經(jīng)驗(yàn)，采用模糊控制反應(yīng)駕駛員意圖，以實(shí)現(xiàn)不同駕駛意圖下沖擊度和滑摩功的協(xié)調(diào)控制；秦大同等[6]采用線性二次型最優(yōu)控制方法，將沖擊度轉(zhuǎn)化為約束條件，以滑摩功最小為目標(biāo)，對(duì)起步過程進(jìn)行優(yōu)化控制。

從當(dāng)前的研究可以看出，考慮駕駛意圖對(duì)沖擊度和滑摩功進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，能夠契合駕駛員的需求，增強(qiáng)駕駛舒適性和滿意度。常采用模糊控制對(duì)駕駛意圖進(jìn)行判斷，但單層模糊控制存在輸入變量較多，實(shí)時(shí)性和參數(shù)調(diào)整較為復(fù)雜等問題。本文以基于AMT的P3構(gòu)型PHEV為研究對(duì)象，提出一種考慮起步意圖的雙層模糊起步控制策略，第一層模糊控制器通過駕駛員操作對(duì)駕駛意圖進(jìn)行判斷，得出基于駕駛意圖的沖擊度和滑摩功調(diào)節(jié)因子。第二層模糊控制根據(jù)基于駕駛意圖的調(diào)節(jié)因子對(duì)離合器結(jié)合速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)基于AMT的P3構(gòu)型PHEV起步動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行分析，并搭建其仿真模型，將雙層模糊控制和局部恒轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行仿真對(duì)比，以驗(yàn)證雙層模糊起步控制策略的控制效果。

1 AMT-PHEV起步動(dòng)力學(xué)分析

1.1 離合器結(jié)合過程分析

離合器起步過程大致可以分為3個(gè)階段，起步結(jié)合過程示意圖如圖2，其中，ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min，nc為離合器轉(zhuǎn)速，r/min，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Tc為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；Tf為地面阻力矩，N·m；L0為空行程，mm，LH為半結(jié)合點(diǎn)，mm。

圖2 離合器起步結(jié)合過程示意圖

1) 空行程階段t0～t1：在此階段發(fā)動(dòng)機(jī)維持怠速階段，離合器主、從動(dòng)盤尚未發(fā)生接觸，對(duì)沖擊度和滑摩功不產(chǎn)生影響，因此要求離合器此時(shí)以最大速度進(jìn)行結(jié)合，縮短起步時(shí)間。

2) 滑摩階段t1～t2：當(dāng)離合器走完空行程L0時(shí)，以較小速度進(jìn)行結(jié)合，此時(shí)由于作用在從動(dòng)盤阻力矩的存在，需要在t3時(shí)刻到達(dá)半結(jié)合點(diǎn)LH，Tc=Tf時(shí)從動(dòng)盤才開始轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在此階段從動(dòng)盤不轉(zhuǎn)動(dòng)。

3) 滑摩階段t2～t3：從動(dòng)盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦轉(zhuǎn)矩Tc小于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te，因此主動(dòng)盤在此階段轉(zhuǎn)速一直在增加，直到t3時(shí)刻兩者轉(zhuǎn)矩相等，主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速不再增加。由于主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差較大，所以此段需要以較小的結(jié)合速度維持結(jié)合。

4) 滑摩階段t3～t4：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te小于摩擦轉(zhuǎn)矩Tc，主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速開始下降，主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差開始降低，此階段會(huì)以較大的結(jié)合速度結(jié)合直到完成同步為止。

5) 同步階段t4～tn：當(dāng)主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到一致時(shí)便進(jìn)入同步階段，車輛成功起步，由于主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速已經(jīng)同步，不會(huì)再產(chǎn)生沖擊度，剩下的行程以最大結(jié)合速度完成結(jié)合。

1.2 AMT-PHEV離合器起步過程動(dòng)力學(xué)分析

車輛傳動(dòng)系統(tǒng)十分復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型，忽略傳動(dòng)軸的剛度和阻尼，AMT-PHEV起步過程動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 AMT-PHEV起步過程動(dòng)力學(xué)模型示意圖

圖3中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Tc為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；Tf為地面阻力矩，N·m；ωe為離合器主動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；ωc為離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；Ie為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、飛輪等部件等效至飛輪中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；I0為汽車質(zhì)量等效至變速器輸入軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；i0為傳動(dòng)系的速比。

根據(jù)起步時(shí)離合器工作狀態(tài)的不同，將其分為3個(gè)階段：

1) 消除空行程階段

此時(shí)主、從動(dòng)盤沒有發(fā)生接觸，主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同。

(1)

離合器不傳遞力矩，轉(zhuǎn)矩為零。

Tc=0

(2)

2) 滑摩階段

主動(dòng)盤端受力：

(3)

從動(dòng)盤端受力：

(4)

此時(shí)離合器傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩：

Tc=2rckcfcLx

(5)

式中：kc為波形彈簧的剛度系數(shù)，取1 399 N/mm，fc為摩擦片的摩擦因數(shù)，取0.25;Lx為離合器的結(jié)合位移；rc為離合器摩擦片有效工作半徑，通過下式計(jì)算得到：

(6)

式中：r0為摩擦片外徑，m；r1為摩擦片的內(nèi)徑,m。

3) 離合器同步階段

此時(shí)主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速相同，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為靜摩擦轉(zhuǎn)矩：

(7)

因?yàn)橄噍^于整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，因此可以近似認(rèn)為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此有下式：

ωe=ωc

(8)

(9)

2 AMT-PHEV雙層模糊起步控制策略

2.1 起步過程的評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于汽車起步過程復(fù)雜，影響因素眾多，通常以起步過程的沖擊度和滑摩功衡量汽車起步的品質(zhì)[7]。

1) 沖擊度

汽車起步?jīng)_擊度定義為起步過程中汽車縱向加速的變化率，能定量地評(píng)價(jià)駕駛員的沖擊感受，反映起步的平穩(wěn)性。沖擊度表達(dá)式為：

(10)

式中：δ為汽車的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1.02；J為沖擊度，m/s3，德國推薦值[J]≤10 m/s3，我國推薦值[J]≤17.64 m/s3。

2) 滑摩功

滑摩功的定義為離合器結(jié)合過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的值[8-9]。滑摩功是由于離合器在主從動(dòng)部分之間在摩擦力矩作用下相互滑動(dòng)的結(jié)果，滑摩功由兩部分組成：

(11)

式中：t1是離合器走完空行程所經(jīng)歷的時(shí)間；t2是離合器達(dá)到半結(jié)合點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間；t1～t2產(chǎn)生的滑摩功為靜態(tài)滑摩功，一般值都較小；t4是汽車開始起步到離合器完全同步所經(jīng)歷的時(shí)間，這段時(shí)間產(chǎn)生的滑摩功稱為動(dòng)態(tài)滑摩功，占總滑摩功的大部分。

2.2 最大結(jié)合速度的計(jì)算

通過式(5)和式(10)可知，沖擊度的大小主要由摩擦轉(zhuǎn)矩Tc決定，Tc的大小與離合器的結(jié)合位移有關(guān)，將兩式結(jié)合有[10]：

(12)

式中：m為汽車的質(zhì)量，kg；Vc為離合器的結(jié)合速度，mm/s；rv為汽車的車輪滾動(dòng)半徑，m。

如果以最大沖擊度Jmax代入計(jì)算即可得到離合器在結(jié)合過程中的最大結(jié)合速度Vcmax。

2.3 離合器空行程的修正

離合器空行程的判斷對(duì)于起步至關(guān)重要，在空行程階段離合器以最大結(jié)合速度結(jié)合，之后再以較慢的速度結(jié)合至主、從動(dòng)盤同步完成。如果空行程判斷錯(cuò)誤，離合器主動(dòng)盤會(huì)以最大結(jié)合速度與從動(dòng)盤接觸，造成較大沖擊度，如圖4所示，是離合器空行程判斷超過實(shí)際量的0.1 mm而造成較大沖擊。

圖4 起步過程沖擊度曲線

影響空行程的因素3個(gè)：摩擦片的磨損、汽車負(fù)載和道路摩擦因數(shù)的變化。摩擦片的磨損過程較為復(fù)雜，很難定性分析，因此忽略摩擦片的磨損[11]。

以汽車前一次控制器儲(chǔ)存的半結(jié)合點(diǎn)位置為基準(zhǔn)，得到本次起步的空行程預(yù)估值[12]：

(13)

式中：x0為本次起步的空行程預(yù)估量，mm；x1為上次起步離合器的半結(jié)合點(diǎn)，mm；M1為上次起步汽車的總質(zhì)量，kg；f為本次汽車起步道路的摩擦因數(shù)。通過計(jì)算得到在不同道路摩擦因數(shù)和載重下汽車空行程如表1所示。

表1 修正后的空行程

2.4 雙層模糊控制起步策略

雙層模糊控制在汽車起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不再保持恒定，呈先上升后下降的趨勢(shì)，對(duì)比局部恒轉(zhuǎn)速起步可以有效地減少起步時(shí)間和沖擊度。雙層模糊控制結(jié)構(gòu)如圖5所示[13]。

圖5 雙層模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

第一層模糊控制為駕駛意圖模糊控制器，通過加速踏板開度和開度變化率來推測(cè)駕駛員的起步意圖[14]。加速踏板開度越慢，則需要平穩(wěn)起步，開度越大，則需要快速起步。開度變化率也是說明駕駛員意圖的一個(gè)參數(shù)，變化率越大則越趨向急起步，反之相同。

第二層模糊控制為結(jié)合速度的模糊控制器，通過起步意圖和主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速之比，得到修正前的結(jié)合速度[15]。

1) 起步意圖模糊控制器

將加速踏板開度α語言變量定義為{很小、小、中、大、很大}，相應(yīng)的模糊子集為{VS、S、M、B、VB}，加速踏板的論域?yàn)閧0 0.125 0.25 0.375 0.5}。

輸出的駕駛員I意圖語言變量為{很小、小、中、大、很大}，對(duì)應(yīng)的相應(yīng)的模糊子集為{VS、S、M、B、VB}，駕駛意圖的論域?yàn)閧0 1.2 2.4 3.6 4.8 6}。

駕駛意圖模糊控制器輸入和輸出隸屬函數(shù)如圖6所示。

圖6 駕駛意圖模糊控制器輸入和輸出隸屬函數(shù)曲線

根據(jù)輸入和輸出函數(shù)的隸屬函數(shù)，制定駕駛意圖模糊控制規(guī)則，如表2所示。

表2 駕駛意圖模糊控制規(guī)則

根據(jù)模糊控制規(guī)則，得到起步意圖模糊控制規(guī)則曲面，如圖7所示。

圖7 起步意圖模糊控制規(guī)則曲面

2) 結(jié)合速度模糊控制器

第二層模糊控制以駕駛員起步意圖I和主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速比作為輸入量，輸出量為離合器結(jié)合速度V。主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速比語言集為{很小、小、較小、中、較大、大、很大}，相應(yīng)的模糊子集為{VS、LS、S、M、B、LB、VB}，結(jié)合速度的論域{0 1 2 3 4 5 6}，主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速比的論域?yàn)閧0 0.167 0.333 0.5 0.667 0.833 1}。

結(jié)合速度的語言集為{很小、小、較小、中、較大、大、很大}，相應(yīng)的模糊子集為{VS、LS、S、M、B、LB、VB}，結(jié)合速度的論域?yàn)閧0 1 2 3 4 5 6}。

結(jié)合速度模糊控制器輸入和輸出隸屬函數(shù)如圖8所示。

根據(jù)輸入和輸出函數(shù)的隸屬函數(shù)，制定結(jié)合速度模糊控制規(guī)則，如表3所示。

表3 結(jié)合速度模糊控制規(guī)則

根據(jù)模糊控制規(guī)則，得到結(jié)合速度模糊控制規(guī)則曲面，如圖9所示。

圖9 結(jié)合速度模糊控制規(guī)則曲面

3) 結(jié)合速度的修正

傳統(tǒng)模糊雙層控制策略將結(jié)合速度模糊控制器輸出的值作為最終值，這種方法控制得到的滑摩功過大，緩起步時(shí)不能滿足駕駛員對(duì)舒適性起步的需求[16]。因此，經(jīng)過模糊控制器得到的速度需要進(jìn)一步地修正才可作為最終的結(jié)合速度值，根據(jù)模糊值器輸出的值和當(dāng)前駕駛意圖得到修正后的結(jié)合速度，如圖10所示。

圖10 結(jié)合速度修正過程框圖

在急起步時(shí)，駕駛員需要縮短起步時(shí)間，此時(shí)加快結(jié)合速度，沖擊度會(huì)略微增大，但仍然在限制范圍內(nèi)。緩起步時(shí)，為提高起步時(shí)的舒適性，在滑摩功限制范圍內(nèi)減小結(jié)合速度，進(jìn)一步地減小起步?jīng)_擊度。而在上坡起步時(shí)，因?yàn)樽枇剡^大，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速上升速度減緩，會(huì)造成滑摩功過大的問題，因此需要進(jìn)一步加快結(jié)合速度。

3 AMT-PHEV建模及仿真分析

為了驗(yàn)證控制器的效果，在Matlab/Simulink中搭建起步過程的控制仿真模型，并對(duì)所建立的雙層模糊控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，具體如圖11所示。

圖11 AMT-PHEV起步過程的控制仿真模型示意圖

經(jīng)過速度修正以后，在緩起步的最大沖擊度由9.5 m/s3減少到6 m/s3、急起步的同步時(shí)間由1.6 s減少到1.1 s，20%的坡道起步的滑摩功由9.5 kJ減少到6.5 kJ，同步時(shí)間和滑摩功都有了明顯的改善，如圖12所示。

圖12 結(jié)合速度修正后的各參數(shù)變化曲線

搭建模型后得到加速踏板開度在30%和60%的仿真結(jié)果與使用相同車輛參數(shù)的局部恒轉(zhuǎn)速控制策略得到的結(jié)果，如圖13所示。

圖13 起步踏板開度在30%～60%時(shí)的仿真結(jié)果曲線

當(dāng)汽車以30%踏板開度起步時(shí)，雙層模糊控制對(duì)比局部恒轉(zhuǎn)速起步?jīng)]有優(yōu)勢(shì)，除沖擊度略有減少外，滑摩功和同步時(shí)間都有增加。在60%開度起步時(shí)，雙層模糊控制的優(yōu)勢(shì)開始體現(xiàn)，因?yàn)榻Y(jié)合速度修正的原因，對(duì)比局部恒轉(zhuǎn)速控制，雙層模糊控制的滑摩功由4.25 kJ減小到3.75 kJ，同步時(shí)間由1.2 s減少到1.1 s，兩者都得到了減小，但是最大沖擊度卻無太大變化。此外，還需要對(duì)在100%踏板開度和最大駐車坡度10%時(shí)起步的仿真結(jié)果(如圖14所示)進(jìn)行分析。

圖14 加速踏板開度100%，坡度在0%和10%時(shí)的仿真結(jié)果曲線

當(dāng)加速踏板在100%開度下，由于經(jīng)過修正加快了結(jié)合速度，如果是在坡道上時(shí)，則進(jìn)一步加快結(jié)合速度，因此二者的最大沖擊度和滑摩功都有所減少。由圖14可以看出，雙層模糊控制的沖擊度幾乎一直小于局部恒轉(zhuǎn)矩的沖擊度，局部恒轉(zhuǎn)矩的滑摩功為6 kJ，而雙層模糊控制的滑摩功為5 kJ左右。對(duì)比在此狀況下局部恒轉(zhuǎn)速起步控制，可以看出優(yōu)化后雙層模糊控制更優(yōu)。

4 結(jié)論

1) 以P3構(gòu)型PHEV為研究對(duì)象，針對(duì)AMT起步結(jié)合時(shí)間長，且結(jié)合效果依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定等問題，提出考慮起步意圖的雙層模糊起步控制策略。

2) 分析道路坡度、駕駛員意圖和主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)合速度的影響規(guī)律，對(duì)結(jié)合速度進(jìn)行修正，更能體現(xiàn)出不同起步意圖下駕駛員對(duì)于起步時(shí)間和沖擊度的需求，改善了在大負(fù)荷起步時(shí)的滑摩功。

3) 對(duì)影響空行程的因素進(jìn)行分析，并根據(jù)不同車況對(duì)離合器空行程進(jìn)行修正，保證了汽車在不同外在條件下起步時(shí)的沖擊度保持穩(wěn)定。

4) 通過與局部恒轉(zhuǎn)速起步控制策略進(jìn)行仿真分析，考慮起步意圖的雙層模糊起步控制策略降低了AMT起步過程的換擋沖擊度和同步時(shí)間。對(duì)比于局部恒轉(zhuǎn)矩控制，踏板開度為100%下的同步時(shí)間由1.1 s減小到0.4 s，在踏板開度為100%的10%坡度下，最大沖擊度由10 m/s3減小到9 m/s3，均能充分體現(xiàn)駕駛員的意圖。