單電機重度混合動力系統行進間發動機起動控制策略研究*

劉永剛，秦大同，劉振軍，楊 陽

(重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

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2015009

單電機重度混合動力系統行進間發動機起動控制策略研究*

劉永剛，秦大同，劉振軍，楊 陽

(重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

針對單電機重度混合動力系統行進間發動機起動過程的平順性問題，對其起動過程進行了動力學分析，對系統關鍵部件濕式多片離合器進行了理論分析與試驗研究，提出了行進間發動機起動過程電機協調轉矩控制策略。利用Matlab/Simulink軟件仿真平臺，進行了起動過程的仿真分析，搭建試驗臺對發動機起動過程進行臺架試驗。仿真與試驗結果表明，所提出的控制策略能有效保證行進間發動機起動過程的平順性。

重度混合動力系統；控制策略；仿真；試驗

前言

ISG型輕度或中度混合動力汽車，由于本身結構和電機功率的限制，無法實現純電動驅動工況，因而節油率受到限制。重度混合動力系統具有純電動工作模式，在低速時可以純電機驅動行駛，中高速時須切換至發動機驅動或電機與發動機共同驅動行駛，從而減少發動機在低速和低負荷非經濟區區域工作，進一步提高整車的燃油經濟性[1]。行進間起動發動機平順性控制是重度混合動力汽車需要解決的關鍵問題之一。

文獻[2]中運用二次型最優控制算法進行HEV純電動切換到發動機驅動模式過程中離合器、制動器和電機的研究，實現了HEV傳動系統的平順切換。文獻[3]和文獻[4]中研究了行進中起動發動機過程的動態協調控制，通過PID控制器對限力矩離合器目標壓力進行調節，有效地解決了發動機起動過程中對傳動系統的沖擊問題。文獻[5]和文獻[6]中對基于行星齒輪機構的新型混合動力系統由純電動驅動切換至發動機驅動過程中的轉矩波動進行研究，對離合器接合過程采用模糊控制，并采用電機轉矩對發動機轉矩變化進行補償控制策略，有效減少了發動機轉速的波動。文獻[7]中對并聯式混合動力汽車起動發動機過程采用離合器轉矩開環控制和離合器滑摩閉環控制相結合的方法實現發動機的平穩起動。研究表明，為了保證起動發動機過程的平順性，離合器轉矩與電機補償轉矩之間需要進行協調控制，但實現難度較大。同時，由于起動發動機過程時間非常短暫，離合器壓力響應存在滯后等問題，實現離合器轉矩精確控制增加了控制系統的難度。本文中所進行的研究單電機重度混合動力系統結構簡圖如圖1所示。該系統主要由發動機、單向離合器、濕式多片離合器、ISG電機和無級自動變速器(CVT)組成。其中，單向離合器正向傳遞發動機動力，反向時不起作用；濕式多片離合器僅在起動發動機的過程中通過控制執行機構使其接合，其他時間處于分離狀態。通過此新型混合動力傳動系統可方便實現混合動力汽車各種工作模式，與傳統的雙電機重度混合動力系統結構相比，成本較低，對控制系統的要求相對簡單且容易實現[8]。

首先建立重度混合動力系統行進間起動發動機動力學模型，分析濕式多片離合器壓力-轉矩特性，以保證行進間起動發動機過程整車的平順性為目標，提出了電機轉矩協調控制策略，建立了動力傳動系統仿真模型并進行仿真分析，最后，搭建了臺架系統進行試驗研究。仿真與試驗結果表明，本文中所提出的電機協調轉矩控制方法對行進間起動發動機過程的平順性具有良好控制效果。

1 行進間起動發動機過程分析

車輛處于純電動運行狀態下，由于加速或爬坡等因素，需要接合濕式多片離合器以起動發動機共同驅動。此時電機在提供車輛行駛所需驅動力的同時，還須配合濕式多片離合器的接合過程，提供起動發動機所需轉矩，保證發動機迅速從靜止到設定轉速。在此過程中，電機補償控制與離合器的接合動作需要動態協調控制，以保證發動機正常起動且不對車輛的正常行駛造成過大沖擊。在行進間起動發動機過程中，由于單向離合器處于自由狀態，可以忽略不計，系統動力學模型如圖2所示。圖中：Te在發動機起動前為反拖阻力矩，起動后為發動機輸出轉矩；ωe為發動機轉速；Ie為發動機轉動慣量；Tc為濕式多片離合器轉矩；Tm為ISG電機轉矩；ωm為ISG電機轉速；Im為ISG電機轉動慣量；it為無級變速器速比；i0為主減速器速比；Ts為中間軸輸出轉矩；ωs為中間軸轉速；Is為中間等效轉動慣量；ωw為車輪轉速；Iv為整車等效轉動慣量；Tf為行駛阻力矩。

行進間起動發動機過程動力學方程為

(1)

當發動機轉速達到設定轉速(電機目標轉速)時，單向離合器閉合后動力學方程為

(2)

為進行該系統動力學分析，分別對系統動力源發動機和ISG電機進行臺架試驗。根據試驗數據，繪制了發動機的3D特性曲面和反拖阻力矩試驗曲線，分別如圖3和圖4所示。

根據ISG測試數據，建立ISG電機特性圖，如圖5所示。其中，電機最大功率為30kW，最大轉矩為115N·m，額定轉速為2 500r/min。

2 濕式多片離合器性能分析

濕式多片離合器傳遞轉矩的容量主要由離合器執行機構的壓力決定，因此，在起動發動機過程中，該離合器也稱之為限力矩離合器。離合器的壓力-轉矩特性直接關系到行進間起動發動機的控制效果。濕式多片離合器壓力確定后，根據離合器壓力-轉矩特性可以確定離合器起動發動機過程中傳遞的轉矩，因而可以進一步確定電機協調轉矩。

在起動發動機的短暫過程中，若對濕式多片離合器的壓力進行調節，控制難度較大。因此，根據實際控制需要，設計了一套離合器液壓執行機構，離合器液壓系統通過控制電磁閥的開閉，實現離合器油壓加載或卸載，并通過溢流閥來限制供油壓力大小。因此，濕式多片離合器在起動過程中無須進行壓力控制，較大程度上減少了控制難度。離合器執行機構液壓系統原理圖如圖6所示。

濕式多片離合器處于滑摩狀態時，隨著油缸工作壓力的增加，其傳遞的轉矩逐漸增大，其計算公式為

Tc=μzAp(pin-pbase)Rm

(3)

由式(3)可知，離合器結構尺寸確定的情況下，離合器傳遞的轉矩主要由油缸控制壓力與摩擦片摩擦因數決定。油缸控制壓力大小通過溢流閥調節，摩擦片摩擦因數在動態條件下則是與離合器摩擦面溫度、相對角速度和離合器壓力等因素相關。

為獲得準確的濕式多片離合器在設定壓力下所傳遞的轉矩特性，進行了離合器壓力-轉矩特性試驗，得到離合器動態轉矩變化曲線。油壓0.76MPa時濕式多片離合器傳遞轉矩實測值與理論計算值的對比如圖7所示。

通過對濕式多片離合器壓力-轉矩特性的分析，建立了離合器壓力與轉矩的關系，為ISG電機協調控制策略的制定奠定基礎。

3 電機轉矩協調控制策略

根據濕式多片離合器建立壓力和傳遞轉矩特性，進行ISG電機協調轉矩的加載方式和加載時刻的匹配。根據所設計的單電機重度混合動力系統結構和濕式多片離合器特性，濕式多片離合器不存在轉矩控制問題，行進間起動發動機過程控制主要為電機轉矩協調控制。

3.1 限力矩離合器壓力設定

由式(1)可知，濕式離合器傳遞轉矩由離合器設定壓力決定，而壓力的設定又取決于發動機的反拖阻力矩和發動機目標起動時間，總體來說，離合器壓力越大，起動所需要的電機補償轉矩越大，發動機起動時間相應縮短，但系統的沖擊有增大的趨勢，控制難度加大。以發動機起動時間≤0.5s為控制目標，起動過程中發動機的反拖力矩通過試驗測得(見圖4)。因此，發動機的起動時間主要取決于濕式多片離合器轉矩。根據式(1)計算可得離合器轉矩應為50～70N·m。再根據濕式多片離合器壓力-轉矩特性，可知壓力應設置在0.7～0.8MPa之間。

3.2 ISG電機轉矩補償控制

車輛由純電動驅動切換至發動機驅動過程中，控制的關鍵在于行進間起動發動機過程的平順性，由于起動時間非常短，離合器的壓力建立過程在0.2s以內，因此，電機的負載轉矩變化率較大，此時ISG電機必須提供額外的轉矩來克服發動機起動過程的阻力矩。當電機補償的轉矩與濕式離合器傳遞的轉矩相等時，起動發動機過程就不會對整車平順性產生任何沖擊。因此，行進中起動發動機控制策略主要是根據起動過程中濕式多片離合器所傳遞的轉矩來決定電機的補償轉矩，電機轉矩協調控制原理如圖8所示。

充分利用電機響應速度快的特點，ISG電機轉速的波動由PID控制器來控制，通過電機目標轉速與實際轉速之差作為PID控制輸入，從而對電機的目標補償轉矩進行修正。

行進中起動發動機控制時序如圖9所示。圖中：t1為離合器開始建壓時刻(行進間起動開始時刻)；t2為電機補償轉矩加載時刻；t3為離合器壓力達到設定值的時刻；t4為發動機點火時刻(電機補償轉矩卸載時刻)。

濕式多片離合器的壓力為電磁閥控制的開關信號，當電機轉速達到行進中起動發動機時刻t1，電磁閥開關打開，接合指令變為1，離合器壓力迅速上升直到達到設定值的時刻t3。當離合器壓力克服離合器空行程的時刻t2時，電機補償轉矩控制開始。當發動機點火成功，到達時刻t4時，電磁閥關閉，接合指令為0，離合器壓力開始卸載，退出電機補償轉矩控制模式。

4 仿真結果與分析

在所建立的單電機重度混合動力系統行進間起動發動機過程動力學模型、電機協調轉矩控制策略的基礎上，利用Matlab/Simulink軟件仿真平臺，建立了行進間起動發動機控制仿真模型。仿真所用的主要參數見表1。

表1 行進間起動發動機仿真主要仿真參數

由于篇幅限制，文中僅給出ISG電機轉速為1 000r/min、CVT變速器速比為1.526 7時行進間起動發動機控制的仿真結果，如圖10所示。

由圖可見：在行進間起動發動機過程中，當電機轉速達到1 000r/min時，濕式多片離合器開始接合，電機較好地進行了轉矩協調控制；當發動機轉速大于等于電機轉速之前，離合器所傳遞的轉矩均為電機負載轉矩。因此，電機協調轉矩卸載同樣必須根據離合器壓力-轉矩特性(圖7)相應卸載，直到電機驅動轉矩降為零，為保證沖擊度要求，電機轉矩卸載過程中，卸載速率受到整車沖擊度的限制。

在整個仿真過程中電機轉速無明顯波動，發動機起動時間≤0.5s，沖擊度主要出現在電機轉矩卸載和單向離合器閉合后發動機轉矩驅動車輛時，整車沖擊度≤10m/s3，以上指標均滿足相關性能要求。仿真結果表明了文中所建立的行進間起動發動機動力學模型正確性和電機轉矩協調控制策略的有效性。

5 臺架試驗與結果分析

為了驗證所提出的重度混合動力系統行進間起動發動機電機協調轉矩控制策略的有效性，利用基于MICROAUTOBOX的dSPACE快速控制原型功能開發了單電機重度混合動力系統的硬件在環試驗平臺，如圖11所示。混合動力系統主要部件的性能參數如表2所示。

表2 重度混合動力系統主要部件參數

為更好地與仿真結果進行對比分析，試驗中諸參數的設置與仿真時相同。試驗結果如圖12所示。

由圖可見，電機最大補償轉矩約為60N·m，電機最大轉速波動絕對值為35r/min，發動機起動時間約為0.4s，整車沖擊度滿足平順性要求。需要說明的是，本臺架所使用的傳統發動機噴油點火時刻為250r/min，在發動機點火以后，發動機電控單元介入對電機轉速的波動和整車的沖擊度造成了較大影響，這是由于實際條件限制，發動機沒有根據控制策略進行進一步的標定和匹配。

6 結論

(1) 根據所提出的單電機重度混合動力系統的結構，對行進間發動機起動過程進行了動力學分析，建立了發動機起動過程的動力學模型，為電機協調控制策略的制定奠定基礎。

(2) 通過試驗獲得了發動機3D特性曲面和ISG電機特性圖，采用理論與試驗相結合的方法，建立了濕式多片離合器壓力-轉矩特性，為電機協調控制策略提供了依據。

(3) 以保證行進間起動發動機過程整車的平順性為目標，提出了電機轉矩協調控制策略，建立了動力傳動系統仿真模型并進行仿真分析，搭建了臺架系統進行試驗，結果表明所提出的電機協調轉矩控制策略對行進間起動發動機過程的平順性具有良好控制效果。

[1] Seth Leitman.插電式混合動力電動汽車開發基礎[M].王震坡,等譯.北京:機械工業出版社,2011.

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A Research on the Control Strategy for Engine Starting WhileDriving in a Full Hybrid Power System with Single Motor

Liu Yonggang, Qin Datong, Liu Zhenjun & Yang Yang

ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400044

Aiming at the ride comfort problem of “engine starting while driving” process in a full hybrid power system with single motor, a kinetics analysis on its starting process is carried out. A theoretical analysis and experimental study are conducted on the wet multi-plate clutch, a key component of system, and a motor torque coordinated control strategy for the engine starting process is proposed. A simulation on the engine starting process is performed with Matlab/Simulink platform, and a test rig is constructed for the bench test for the starting process. The results of simulation and test indicate that the control strategy proposed effectively ensure the ride comfort in the process of engine starting while driving.

full hybrid power system; control strategy; simulation; test

*國家自然科學基金(51305468)和中央高?；究蒲袠I務費(CDJZR12110005)資助。

原稿收到日期為2012年12月6日。