混合動力汽車發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制*

趙 峰，羅禹貢,張 娜，李克強

(清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

汽車急加速時，加速踏板行程大幅度變化，為了滿足動力性需求，混合氣瞬間加濃，輸出轉速和轉矩急劇變化，導致整車動態(tài)油耗的增加和排放的惡化[1]。對于多動力源的混合動力汽車，可利用電機動態(tài)響應速度快、轉矩控制精確等優(yōu)點對總需求轉矩進行動態(tài)補償，調節(jié)發(fā)動機轉速和轉矩的變化速率，使發(fā)動機轉速和輸出轉矩盡可能平穩(wěn)變化，降低急加速過程的動態(tài)油耗。

豐田PRIUS[2-3]通過特有的行星齒輪結構，利用發(fā)電機的調速作用和電動機的轉矩補償作用，成功地降低了加速過程中的動態(tài)油耗。文獻[4]和文獻[5]中分別開展了柴油機混合動力汽車加速工況優(yōu)化控制研究，通過限制柴油機的轉矩和轉速，降低了柴油機加速過程中的動態(tài)油耗和排放，同時利用電機轉矩補償策略，保證了加速過程的動力性，但是兩者的研究均停留在仿真階段，缺乏進一步的實車道路驗證。文獻[6]在此基礎上考慮了發(fā)動機轉動慣量對動態(tài)油耗的影響，但同樣沒有進行實車道路驗證。

本文中針對混合動力汽車急加速工況的發(fā)動機轉矩突變過程，提出了一種基于轉矩動態(tài)補償?shù)幕旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制方法。首先通過對發(fā)動機轉矩變化速率的限制，避免了發(fā)動機轉矩突變過程中動態(tài)油耗的增加。然后利用電機轉矩動態(tài)響應速度快、控制精確等優(yōu)點，進行轉矩補償，避免了整車動力性的下降。最后進行了實車試驗，試驗結果表明，該動態(tài)協(xié)調控制方法能夠在保證整車動力性的前提下，改善混合動力汽車發(fā)動機轉矩突變過程的燃油經濟性。

1 研究對象

本文中的研究對象如圖1所示。該混合動力汽車的驅動系統(tǒng)由發(fā)動機、主電機PM、副電機BSG、機械式自動變速器AMT和動力電池等主要部件組成。其中主電機PM被布置在AMT后端，用于驅動或者進行制動能量回收，副電機BSG被連接于發(fā)動機前端，用于給電池充電或者快速起動發(fā)動機。

2 發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制

針對急加速等工況下發(fā)動機轉矩突變時發(fā)動機動態(tài)油耗增加和排放惡化等問題，設計了如圖2所示的混合動力汽車發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制系統(tǒng)，包括駕駛員操作、能量管理策略、動態(tài)協(xié)調控制策略、部件執(zhí)行系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)。

其中，發(fā)動機轉矩突變過程動協(xié)調控制策略包括進入退出控制算法、基于斜率限制的發(fā)動機轉矩控制策略和基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉矩控制策略。進入退出控制算法用于判斷是否進行動態(tài)協(xié)調。基于斜率限制的發(fā)動機轉矩控制策略和基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉矩控制策略，通過協(xié)調控制發(fā)動機轉矩和電機轉矩，在保證整車動力性的前提下，有效減小發(fā)動機轉矩突變過程的動態(tài)油耗。

2.1 進入退出控制算法

設計的進入退出控制算法如圖3所示。

圖中：Brks為制動信號；ShifC為換擋命令；α為加速踏板行程；c0為加速踏板行程變化率門限值；Ictl為協(xié)調控制命令；Ictl_last為上一時刻的協(xié)調控制命令；Telim為斜率限制后的發(fā)動機轉矩；δ為轉矩差門限值。

首先，對制動信號Brks、換擋命令ShifC和混合動力工作模式M進行判斷。當制動信號Brks不為0、換擋命令ShifC不為0或者工作模式M不為1、2或7時，即駕駛員踩下制動踏板、自動變速器發(fā)生換擋或者混合動力系統(tǒng)不工作在發(fā)動機單獨驅動、電動助力或傳統(tǒng)車模式時，不進行動態(tài)協(xié)調控制；當同時滿足駕駛員沒有進行制動，自動變速器沒有發(fā)生換擋，混合動力系統(tǒng)工作在發(fā)動機單獨驅動、電動助力或傳統(tǒng)車模式，且加速踏板行程變化率大于c0時，進入發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制；進入動態(tài)協(xié)調控制后，直至加速踏板行程變化率小于等于c0，且經斜率限制的發(fā)動機轉矩Telim與能量管理策略制定的發(fā)動機轉矩Ter之差小于等于δ時，退出動態(tài)協(xié)調控制。

2.2 基于斜率限制的發(fā)動機轉矩控制策略

混合動力汽車急加速時，可以充分利用混合動力系統(tǒng)的結構特點，控制發(fā)動機轉速和輸出轉矩平穩(wěn)變化，以達到降低加速過程動態(tài)油耗的目的。

本文中研究的混合動力汽車，在發(fā)動機參與工作的各種工作模式下，發(fā)動機轉速和車速成固定比例關系，因此難以通過控制發(fā)動機轉速來降低加速過程中的動態(tài)油耗。但是，可以充分利用位于AMT后端的主電機的動態(tài)響應特性，控制發(fā)動機輸出轉矩的變化速率，以達到降低加速過程中動態(tài)油耗的目的。

為了驗證上述思想，在相同車輛狀態(tài)、相同駕駛員輸入的前提下，針對不同發(fā)動機轉矩變化速率進行了實車試驗，結果如圖4所示。

由圖可見，通過改變發(fā)動機輸出轉矩的變化速率，能夠降低其動態(tài)油耗。

根據以上分析，設計了基于斜率限制的發(fā)動機轉矩控制策略，其計算公式為

(1)

動態(tài)協(xié)調過程中，發(fā)動機轉矩的變化速率控制在K以內，直至退出動態(tài)協(xié)調控制。未進入動態(tài)協(xié)調控制時，發(fā)動機仍然執(zhí)行能量管理策略制定的發(fā)動機期望轉矩，即

(2)

2.3 基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉矩控制策略

動態(tài)協(xié)調過程中，設計的發(fā)動機轉矩控制策略對發(fā)動機轉矩的變化率進行了限制，此時發(fā)動機實際輸出轉矩無法滿足駕駛員需求。因此，須利用動態(tài)響應速度快、轉矩控制精確的主電機，對發(fā)動機轉矩受限部分進行動態(tài)補償，保證動態(tài)協(xié)調過程中發(fā)動機輸出轉矩和電機輸出轉矩之和仍能滿足駕駛員驅動總需求。

針對以上問題，設計了基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉矩控制策略，其計算公式為

(3)

動態(tài)協(xié)調過程中，主電機對駕駛員需求驅動總力矩Treq(k)和實際發(fā)動機轉矩Teact(k)的差值進行動態(tài)補償；未進入動態(tài)協(xié)調控制時，主電機仍然執(zhí)行能量管理策略制定的期望電機轉矩，即

(4)

3 實車驗證

為了驗證所提出的混合動力汽車發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制方法的有效性，基于dSPACE開發(fā)了如圖5所示的試驗系統(tǒng)，對某款重度混合動力汽車進行試驗。

基于上述測試系統(tǒng)，設計了如表1所示的試驗工況。全部試驗均在長春農安試車場完成。

為了便于對比有無動態(tài)協(xié)調控制的控制效果，要求測試工況具有重復性，因此試驗過程中的加速踏板行程由試驗人員通過dSPACE手動輸入，輸入的加速踏板行程如圖6所示。無動態(tài)協(xié)調控制時的試驗結果如圖7所示。

表1 試驗工況

由圖可見：23.4s時加速踏板行程開始迅速增大，發(fā)動機需求轉矩從60瞬間增大至100N·m以上，由于該發(fā)動機的動態(tài)響應速度較慢，0.4s后發(fā)動機實際轉矩達到目標值，此時車輛處于發(fā)動機單獨驅動模式，主電機不參與工作；直至24.9s，換擋命令變?yōu)?，開始換擋，能量管理策略制定的需求發(fā)動機轉矩減小、需求電機轉矩增加；從23.4到24.9s為典型的急加速過程，統(tǒng)計該過程的平均加速度和平均瞬時油耗分別為0.6m/s2和4.13mL/s。

發(fā)動機轉矩斜率限制為18N·m/s時的試驗結果如圖8所示。

由圖可見：24.81s時加速踏板行程迅速增大，進入動態(tài)協(xié)調控制，發(fā)動機實際轉矩跟隨動態(tài)協(xié)調控制策略制定的發(fā)動機轉矩命令以低于18N·m/s的速率緩慢上升，電機動態(tài)補償發(fā)動機實際轉矩與能量管理策略制定的發(fā)動機期望轉矩之間的差值；29.59s時換擋命令從0變?yōu)?，開始換擋，為了避免與換擋過程動態(tài)協(xié)調控制策略發(fā)生沖突，退出本文中設計的發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制；24.81到29.59s的平均加速度增大為0.7m/s2，平均油耗減小為2.43mL/s；相比于沒有動態(tài)協(xié)調控制時，動態(tài)油耗減小41%，加速性能提高17%。

加速性能的提高是因為試驗車輛所配發(fā)動機的動態(tài)響應特性較差，無動態(tài)協(xié)調控制時，急加速初期發(fā)動機無法快速響應發(fā)動機期望轉矩的突然變化，0.4s后才達到目標值，如圖7(c)所示；有動態(tài)協(xié)調控制后，發(fā)動機轉矩命令平穩(wěn)變化，發(fā)動機實際轉矩能夠很好地跟隨命令值，如圖8(c)所示，同時還利用電機對發(fā)動機實際轉矩和期望轉矩的差值進行了動態(tài)補償。因此，進行動態(tài)協(xié)調控制后，不僅能夠降低加速過程中的動態(tài)油耗，也能夠改善整車的動力性。

為了進一步說明本文中提出的動態(tài)協(xié)調控制方法的控制效果，對表1中所設計的各種工況的試驗結果進行了統(tǒng)計分析，具體如表2所示。

表2 試驗結果統(tǒng)計

由表可見：無動態(tài)協(xié)調控制時平均加速度為0.597m/s2，平均瞬時油耗為4.2mL/s；發(fā)動機轉矩限制斜率為50N·m/s時平均加速度為0.655m/s2，平均瞬時油耗為3.63mL/s；發(fā)動機轉矩限制斜率為30N·m/s時平均加速度為0.65m/s2，平均瞬時油耗為3.4mL/s；發(fā)動機轉矩限制斜率為18N·m/s時平均加速度為0.695m/s2，平均瞬時油耗為2.46mL/s。

因此，上述統(tǒng)計結果說明動態(tài)協(xié)調控制時隨著發(fā)動機轉矩限制斜率的下降，加速過程中的動態(tài)油耗呈下降趨勢，加速度呈增大趨勢。與無動態(tài)協(xié)調控制相比，提出的發(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制方法能夠有效地降低加速過程中發(fā)動機的動態(tài)油耗，提高整車的動力性。

4 結論

本文中以某款重度混合動力汽車為研究對象，提出了一種基于轉矩動態(tài)補償?shù)幕旌蟿恿ζ嚢l(fā)動機轉矩突變過程動態(tài)協(xié)調控制方法。設計的基于斜率限制的發(fā)動機轉矩控制策略避免了加速過程中動態(tài)油耗的增加。利用電機轉矩動態(tài)響應速度快、控制精確的優(yōu)點，設計了基于動態(tài)補償?shù)碾姍C轉矩控制策略，在有效降低動態(tài)油耗的同時保證了車輛的加速性能。實車試驗結果表明，該動態(tài)協(xié)調控制方法能夠同時改善混合動力汽車加速時的燃油經濟性和動力性。

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