混合動力汽車發動機輔助制動控制方法*

韓云武，羅禹貢，趙 峰，李克強

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

混合動力汽車(HEV)電機制動力矩因有控制精確高和可大功率連續工作的特點，使陡坡緩降技術[1]在HEV上得到全新的拓展和應用，實現了全工況的下坡輔助控制(DAC)[2]，即車輛下坡滑行過程中，車輛由控制器進行制動控制，保持車速不增加的主動安全控制。輔助控制的使用大幅降低了下坡路段駕駛員的駕駛負擔，提高了下坡路段車輛滑行時的行駛安全。但由于電機制動力矩受電機和電池狀態影響較大，且電機最大制動力矩有限，DAC過程中發動機輔助制動作為電機輔助制動力矩不足或電機制動失效后的備用輔助制動機構具有重要的意義。

發動機輔助制動歷來是車輛輔助制動領域研究的一個重點。在傳統車輛輔助制動領域，發動機輔助制動目前已經成為應用最為廣泛最為成熟的一種輔助制動方式[3-4]；在HEV聯合制動的相關文獻[5-7]中，有當電機制動力矩不足時要引入發動機輔助制動的相關描述，但未涉及具體的控制方法；在實驗中發現豐田公司的混合動力汽車普銳斯滑行過程中，在車速高于一定閾值時發動機會有負轉矩輸出，但其具體控制策略并不清楚。如上所述，發動機輔助制動在傳統車上的研究和應用已經相當成熟，在混合動力汽車的輔助制動中僅處于起步階段，而在混合動力汽車下坡輔助中相關思想剛剛提出，目前還沒有具體研究[1]。

基于HEV下坡行駛安全性和舒適性的提高，本文中提出并聯式HEV_DAC發動機輔助制動控制方法。首先基于車輛下坡路段行駛時的安全性，提出HEV發動機輔助制動接入時機的控制策略。并基于并聯式HEV的結構特點，以減小發動機輔助制動接入過程中離合器輸入與輸出端相對速度為目標，提出減緩發動機輔助制動接入過程沖擊的起動電機和離合器動態過程控制策略。其次為保證發動機接入前后車輛運行的平穩，以車速為目標，提出發動機輔助制動接入過程中的基于PID的驅動(TM)電機控制策略。最后利用實車實驗對發動機輔助制動控制方法進行驗證。

1 HEV制動系統結構

HEV發動機輔助制動控制方法是基于本課題組HEV基礎上開發的，與其相關的系統包括電機制動子系統和發動機制動子系統，其結構如圖1所示。

圖中電機制動系統包括TM電機、電池及其控制器。發動機制動系統包括發動機及其控制器(ECU)、離合器及其控制器和起動電機(BSG)及其控制器。各子系統獨立工作，子系統的狀態信息通過總線傳到上層控制器，上層控制器根據車輛的運行狀態與制動子系統的信息，對制動子系統進行制動力分配和子系統間制動力的動態協調。

2 HEV發動機輔助制動控制方法

為保證HEV滑行過程中行駛安全，進一步提高HEV滑行時能量回收效率，基于現有發動機輔助制動的相關研究成果，提出了一種并聯式HEV_DAC過程中電機制動力矩不足情況下，基于安全性和舒適性的BSG電機、離合器、TM電機協調控制的HEV發動機輔助制動控制方法。

2.1 HEV輔助制動控制總體結構

針對并聯式HEV提出輔助制動的過程總體結構，如圖2所示，其中包括目標制定層、電機輔助制動控制層、發動機輔助制動控制層、部件執行系統和車輛系統。本文中將重點對發動機輔助制動層進行分析。

并聯式HEV發動機輔助制動控制方法包括：基于安全性的發動機輔助制動接入控制策略；基于舒適性的BSG電機和離合器控制策略；基于車速閉環的TM電機轉矩控制策略。其中，發動機接入控制策略解決發動機輔助控制最佳時機的選擇問題；BSG電機和離合器控制策略解決發動機輔助制動接入過程中的沖擊問題；而TM電機轉矩控制策略則解決發動機接入過程和接入后目標車速保持平穩的問題。

2.2 發動機輔助接入及退出控制策略

輔助制動轉矩不足而導致速度失控是車輛下坡滑行時發生事故的主要原因，故本文中提出以具有足夠輔助制動轉矩作為判斷條件的發動機輔助制動控制策略，即車輛滑行過程中，當電機輔助制動轉矩即將無法保證車速穩定時，接入發動機輔助制動，當車輛結束滑行時退出發動機輔助制動，具體如下：

(1)

以電機輔助制動轉矩不足作為發動機輔助介入的條件與以車速作為發動機輔助制動介入的條件相比，不但可使發動機輔助制動在車輛下大坡低速滑行時得以接入，保證車輛的行駛安全；而且可充分發揮電機的制動能量回收特性，避免發動機輔助制動在坡度較小時不必要的介入引起能量損失，提高車輛的經濟性。

2.3 發動機輔助制動協調控制策略

發動機輔助制動協調控制策略在發動機起動和離合器接合兩個過程中，對相關部件進行協調控制，在保證過程快速、準確實現的基礎上，減緩過程中對車輛的沖擊。

2.3.1 發動機輔助協調控制的必要性

車輛滑行時，發動機存在怠速運轉和怠速停機兩種可能的狀態，首先對這兩種狀態下直接接合離合器進入發動機反拖狀態的結果進行分析。

圖3為發動機停機狀態下直接接合離合器過程中的發動機轉速、TM電機轉速和車速圖。

由圖可見：在離合器接合過程中，TM電機最高轉速為806r/min，最低轉速為643.3r/min，轉速的最大波動為162.7r/min；車速和發動機轉速也有明顯的波動，且接合過程中駕駛員也能感覺到車輛有明顯的抖動。其中發動機轉速的有效值范圍為600～5 000r/min，發動機轉速圖不能有效反映其轉速由0上升至600r/min的動態過程。且由于TM電機與車輪間是機械連接，其轉速可精確反映車速變化，故選用電機轉速變化作為離合器接合過程中所產生的沖擊的主要評價指標。

圖4為發動機運轉狀態下直接接合離合器過程中的發動機轉速、電機轉速和車速圖。

由圖可見：在離合器接合過程中，TM電機最高轉速為1 165r/min，最低轉速為1 079r/min，轉速的最大波動只有86r/min，車速和發動機轉速無明顯波動，駕駛員也無明顯沖擊感覺。

通過以上結果可以看出，發動機靜止狀態下直接接合離合器所產生的沖擊，不僅對車輛舒適性有較大影響，而且會加速離合器磨損，影響車輛傳動系的壽命。針對并聯式HEV在此過程中的沖擊，文獻[8]和文獻[9]中進行了相關研究，但其研究多集中于通過電機轉矩協調減少換擋過程中的動力中斷，及通過發動機和電機的轉速控制減少離合器接合過程中對整車的沖擊，這種方法雖可以改善離合器結合過程中車輛乘員的舒適性，但本質上并未改變此過程中離合器和傳動系所產生的沖擊。

2.3.2 發動機接入過程BSG和離合器的協調控制

根據并聯式HEV的結構和發動機輔助制動動態過程的特點，制定了并聯式HEV發動機輔助制動的發動機接入過程控制策略，即首先利用BSG將發動機(不噴油)拖動，當發動機期望轉速與發動機轉速之差小于閾值c時，發出離合器接合命令，當離合器完全結合并達到一定時間閾值b時，停止拖動發動機，發動機開始參與輔助制動，直至車輛滑行結束為止。其計算公式如下：

(2)

(3)

式中：ig為主減速比；i0為變速器減速比；ie_B為發動機與BSG電機間的速比；r為車輪半徑；b為一定的時間閾值；c為一定轉速差閾值；ωBSG為BSG電機的轉速。

式(2)為發動機輔助接入過程BSG電機的控制策略，式(3)為發動機輔助接入過程離合器的控制策略。發動機輔助制動接入的具體過程見圖5。

本文中所述并聯式HEV發動機輔助制動時接入過程控制策略，以BSG電機轉速精確可調為基礎，以減小離合器輸入與輸出軸轉速差為目標，從根本上解決了發動機接入過程中由于離合器輸入與輸出軸不同步引起的沖擊過大的問題。

2.3.3 發動機輔助接入過程的TM電機協調控制策略

對發動機輔助接入過程進行受力分析，可得發動機輔助接入過程中的電機輔助制動轉矩方程為

BTM=(Ff+Fw+Fi+Fj)r-Beng

(3)

式中：Ft為車輛行駛阻力之和；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

車輛下坡輔助制動以維持車速穩定為目標，故在發動機輔助接入過程中可設：

g=(Ff+Fw+Fj)r

(4)

式中g為常數。式(3)整理可得：

BTM=Fir-Beng+g

(5)

從式(5)中可以看出，發動機接入過程中的電機制動轉矩與兩個動態的變量相關，其中Beng與離合器接合的速率、車速和發動機本身的慣量相關，目前無法直接獲得。而測量精確的動態坡度值所需設備成本較高，為此本文中提出了基于PID的HEV發動機輔助接入過程的TM電機轉矩控制策略。

圖6為基于車速閉環的TM電機轉矩PID控制策略，該策略可實現BTM在發動機輔助接入過程中的動態求解，保證發動機接入過程中車速的平穩。

3 實驗驗證

為驗證所提出的并聯式HEV發動機輔助制動控制方法，利用本課題組的HEV實驗平臺，通過不同坡度在不同速度下對相關策略進行了驗證，結果表明，控制效果僅受相關閾值和擋位影響，擋位越低，沖擊越大。這里僅以2擋、標準8%下坡路段的實驗數據為例進行分析。

實驗條件：由于實驗中坡長和坡度的有限，為達到發動機輔助接入的實驗條件，實驗中設滑行時TM電機轉矩為5N·m，當TM電機輔助制動轉矩大于6N·m時起動發動機輔助制動。

圖7為有發動機參與的HEV_DAC過程圖。

由圖可見：41s時車輛處于滑行制動狀態，電機處于模擬發動機制動轉矩(-5N·m)狀態，而后車速因坡度較大而不斷增加，當車速增加超過一定閾值d(此處設d=1km/h)時，起動發動機輔助制動，但由于電機轉矩的變化率被限制，不能馬上達到使車速穩定的制動轉矩，此時車速將繼續增加，因此在車輛速度達到穩定之前，輔助制動轉矩和車速均會出現短暫的超調；電機轉矩小于-6N·m時進入發動機輔助制動模式，隨著BSG電機的起動，發動機轉速逐漸升高，當發動機轉速與發動機的期望轉速之差小于一定的閾值c(此處設c=50r/min)時，下達離合器接合命令，當離合器完全接合并達到一定的時間閾值b(此處設b=0.5s)后，停止BSG電機拖動。在發動機接入的過程中，電機轉矩受以車速為目標的PID控制器控制緩慢減小，當發動機完全接入后，電機的轉矩達到穩態值。此過程在保證車速基本穩定，車輛無明顯沖擊的基礎上，實現了發動機的輔助制動的接入，為車輛下坡過程的制動安全提供了更加可靠的保障。

為充分驗證發動機輔助接入過程BSG電機與離合器動態協調的結果，分別對發動機由靜止接入輔助制動和發動機由怠速接入輔助制動的結果進行對比分析。

3.1 發動機由靜止接入發動機輔助制動結果對比

圖8為動態協調下發動機由靜止進入輔助制動過程的車速、電機轉速和發動機轉速圖。

由圖可見：離合器接合過程中TM電機最高轉速為1 192.9r/min，最低轉速為1 152.3r/min，轉速的最大波動只有40.6r/min。駕駛員感覺不到此過程中的沖擊。

與圖3結果比較，有動態過程控制的發動機輔助制動較直接接入的發動機輔助制動，電機轉速的波動減小75%。顯然有動態過程控制的發動機輔助制動可明顯改善接入過程中的沖擊，有利于延長傳動系部件的壽命。

3.2 發動機由怠速接入輔助制動結果對比

圖9為動態協調下發動機由怠速進入輔助制動過程的車速、電機轉速和發動機轉速圖。

由圖可見：TM電機最高轉速為943.8r/min，最低轉速為883.9r/min，轉速的最大波動只有59.9r/min。駕駛員感覺不到此過程中的沖擊。

與圖4結果比較，有動態過程控制的發動機輔助制動比直接接入的發動機輔助制動的電機轉速波動減小30.3%。雖然車輛乘員主觀上對發動機起動狀態下接入傳動系的兩種過程所引起的沖擊感覺差別不大，但電機轉速波動減小30.3%，對于提高車輛的舒適性，減緩因沖擊對車輛傳動系部件使用壽命的影響也將產生積極的作用。

4 結論

為提高HEV下坡路段行駛的安全性、經濟性、和舒適性，本文中通過對HEV電機和發動機輔助制動系統制動能力和特點的分析，提出了HEV發動機輔助制動控制方法，制定了發動機輔助制動接入過程中TM電機、BSG電機與離合器的協調控制策略，通過實驗驗證，得到如下結論：

(1) 車輛滑行時，以電機制動力矩不足為條件適時接入發動機輔助制動，可以充分發揮HEV汽車滑行過程中無摩擦制動的制動能力，提高車輛運行的安全性；

(2) 提出發動機接入過程控制策略，通過對BSG電機與離合器的協調控制，減小了發動機輔助制動接入傳動系統時引起的沖擊，提升了車輛的舒適性，并有利于延長傳動系及其相關部件的使用壽命。

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