深度混合動力系統(tǒng)發(fā)動機起動控制研究*

王 晨,王 博

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804； 2.吉利電子傳動有限公司,上海 201501)

2016089

深度混合動力系統(tǒng)發(fā)動機起動控制研究*

王 晨1，2,王 博2

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804； 2.吉利電子傳動有限公司,上海 201501)

本文旨在對深度混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機起動控制進行研究。首先，推導了新型拉維娜功率分流機構的動力學方程，應用杠桿法分析不同擋位下起動控制的方法。接著在設定了工程目標、考慮了諸影響因素的基礎上設計了功能模塊框架和接口，使用Matlab/Simulink軟件搭建了發(fā)動機起動控制模型，并進行了聯合仿真。最后，將起動控制模型集成到混合動力系統(tǒng)模型中，生成代碼后下載到控制器中，在搭載了新型拉維娜功率分流機構的深度混合動力車上進行了NEDC循環(huán)的驗證。

深度混合動力系統(tǒng)；拉維娜行星機構；起動控制

前言

隨著全球能源和環(huán)境問題日益突出，在當前電池的續(xù)航能力和使用壽命受限條件下，研究和發(fā)展混合動力車有重要的意義。

發(fā)動機作為混合動力系統(tǒng)的主要動力來源，對它的控制是否合理，直接關系到整車的動力性、經濟性、排放和駕駛性能。

近年來，一些學者在搭載了4速AT變速器的混合動力車輛上進行了發(fā)動機stop-start結構和性能的研究，并與傳統(tǒng)轎車進行了對比[1]；文獻[2]中在插電式混合動力車輛上進行了發(fā)動機起停控制策略的優(yōu)化研究，認為動力電池荷電狀態(tài)(SOC)可以作為PHEV發(fā)動機起停的判斷條件；文獻[3]～文獻[6]中對BSG結構的混合動力車柴油發(fā)動機起停控制進行了全面的闡述和研究，包括前期調研、模型仿真和控制策略的開發(fā)。這些研究的結果表明，在混合動力車輛的發(fā)動機上，采用起停控制技術可以降低排放和油耗，通過推遲點火角和平滑撤去起動電機轉矩可以減小起動沖擊。但在拉維娜或相近類型行星變速機構基礎上完整研究發(fā)動機起動控制策略的論文尚少。

目前，豐田PruisⅢ[7]采用了阿特金森循環(huán)發(fā)動機和用來進行整車功率的分流的單行星排三軸傳動變速機構，整車百公里油耗較低(4L)，與這次研究采用的功率分流機構相比，其結構相對簡單。

本文中在新型拉維娜混合動力變速器基礎上，推導了動力學方程，使用杠桿法對發(fā)動機起動模式進行了分析，設計了完整的起動功能模塊，配合車輛物理模型和混合動力系統(tǒng)控制模型進行了離線仿真，生成代碼并下載到控制器中進行實車驗證。本研究可為混合動力系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)、仿真和試驗研究提供參考。

1 混合動力系統(tǒng)方案

1.1 功率分流裝置

功率分流采用雙行星排結構，如圖1所示。圖中：S1為小太陽輪，P1為前排輪系短(粗)行星輪；S2為大太陽輪，P2為后排輪系長(細)行星輪；C為前后排輪系共用的行星架；R為輪系共用齒圈。

從圖1中可見：P1分別與S1，P2和齒圈嚙合；P2與S2和P1嚙合。

1.2 動力學方程

根據行星齒輪運動學方程[8]得前、后排輪系各運動部件的轉速關系式為

ωS1+ρ1·ωR=(1+ρ1)·ωC

(1)

ωS2-ρ2·ωR=(1-ρ2)·ωC

(2)

式中：ωS1為前排輪系小太陽輪角速度；ωS2為后排輪系大太陽輪角速度；ωR為共用齒圈角速度；ωC為行星架角速度；ρ1，ρ2分別為前、后排輪系傳動比，ρ1=ZR/Z1，ρ2=ZR/Z2，Z1，Z2和ZR分別為太陽輪S1，S2和齒圈R的齒數。

根據行星齒輪動力學方程[9]得前、后排輪系各運動部件轉矩與齒輪嚙合力之間的關系式為

TS1=-F1·rs1

(3)

TC1=F1·(rs1+r0)

(4)

TC2=F2·(rs2-r0)

(5)

TC=TC1+TC2

(6)

TS2=-F2·rs2

(7)

TR1=-F1·r0

(8)

TR2=F2·r0

(9)

TR=TR1+TR2

(10)

式中：TS1為前排輪系小太陽輪轉矩；TS2為后排輪系大太陽輪轉矩；TC1，TC2分別為前、后排輪系作用在行星架上的轉矩；TC為前后排輪系作用在行星架上的轉矩之和；TR1，TR2分別為前、后排輪系作用在齒圈上轉矩；TR為前后排輪系作用在齒圈上的轉矩之和；rs1為前排輪系小太陽輪半徑；rs2為后排輪系大太陽輪半徑；r0為共用齒圈半徑；F1，F2分別為前、后排輪系齒輪嚙合力。

由以上各式可得

TR+TC+TS1+TS2=0

(11)

TR-TS1·ρ1+TS2·ρ2=0

(12)

1.3 杠桿等效圖

采用杠桿法[10]對上述新型拉維娜裝置的前、后排輪系進行結構等效,如圖2所示。

圖中虛線杠桿與各軸系相交，交點到水平線的垂直距離分別表示為ωS1，ωC，ωR和ωS2，以行星架為支點時，ωC=0，S1軸與C軸的水平距離為ρ1，R軸與C軸的水平距離為1，S2與C軸的水平距離為ρ2。

1.4 混合動力變速器方案

在新型功率分流裝置的基礎上，配置電機和發(fā)動機作為動力輸入，通過外齒圈輸出動力，構成了混合動力變速器，如圖3所示。圖中：S1為小太陽輪；S2為大太陽輪。

發(fā)動機經扭轉減振器與行星架相連，電機E2與后排大太陽輪相連，電機E1與前排小太陽輪相連，3者動力經共用齒圈復合后傳遞至輸出端。忽略扭轉減振器的影響，搭載該混合動力變速器的整車動力學拓撲如圖4所示。

圖中：PG1和PG2分別為前后排行星輪系；Out為變速器動力輸出端；K為減速器傳動比；Vehicle為整車端；TE1和TE2分別為電機E1和E2的驅動轉矩；TEng為發(fā)動機驅動轉矩；Tf為輸出齒圈轉矩。

忽略行星輪轉動慣量，變速器各軸系動力學關系為

(13)

(14)

(15)

(16)

2 發(fā)動機起動模式分析

2.1 駐車起動模式

駐車工況時，齒圈R由駐車(P)擋機構鎖止，小電機E1、大電機E2和發(fā)動機ICE均處于待機模式。當動力電池電量低于某值，或者水溫較低，整車管理系統(tǒng)向小電機E1發(fā)出進入拖轉發(fā)動機模式指令，小電機施加驅動轉矩TE1，克服阻力做功，將發(fā)動機拖轉至預設目標轉速，此時發(fā)動機開始噴油并迅速完成起動過程，輸出驅動轉矩TEng，小電機E1輸出制動轉矩為動力電池充電，大電機E2始終保持隨動，輸出齒圈轉矩Tf由P擋機構提供。駐車起動模式等效杠桿圖如圖5所示。

2.2 前進行車起動模式

2.3 倒車起動模式

3 工程設計目標與分析

3.1 平順性

良好的起動平順性是混合動力發(fā)動機起動控制算法設計的目標。發(fā)動機摩擦力矩[11]、施加在發(fā)動機軸上的拖轉轉矩與梯度和扭轉減振器的參數是影響起動平順性的主要因素。

3.2 動力性

駕駛員有較大的加速需求或者按下運動模式開關時，需要發(fā)動機起動并快速提供轉矩。噴油點火時刻、發(fā)動機轉矩加載梯度和電機電池的能力是影響動力性的主要因素。

3.3 油耗和排放特性

混合動力發(fā)動機起動控制算法還必須綜合考慮整車的油耗和排放要求，發(fā)動機進入閉環(huán)控制的時間、目標噴油轉速、點火角、起動時刻的空燃比配置和冷機狀態(tài)下的發(fā)動機負載是主要影響因素。

4 起動算法的設計與仿真

4.1 起動算法接口

起動算法的輸入和輸出如圖8所示，輸入包括：發(fā)動機的轉速、摩擦力矩、噴油和點火正時信息(以發(fā)動機表示)；擋位位置信息(以整車表示)；電池能力(以電池表示)；駕駛員需求(以變速器表示)；制動能量回收轉矩基礎需求(以制動能量回收表示)和電機能力(以電機表示)等。輸出包括發(fā)動機、電機、車輛、制動能量回收轉矩需求和各狀態(tài)切換的標志位。

4.2 起動算法

起動算法由起動方式判斷、狀態(tài)切換和轉矩結構組成，如圖9所示。

起動方式根據駕駛員需求和發(fā)動機水溫分為低速起動和高速起動。低速和高速起動都由電機E1執(zhí)行轉矩將發(fā)動機拖轉到目標噴油轉速完成，與低速起動相比，高速起動具有目標噴油轉速高、起動時間長、平順性好的特點。起動方式判斷模塊還包括噴油點火時刻的設置、節(jié)氣門開度設置和進氣壓力的判斷，如圖10所示。

狀態(tài)切換是指系統(tǒng)滿足起動發(fā)動機的條件后，根據發(fā)動機轉速來進行起動狀態(tài)的識別，在起動的不同時刻為電機E1轉矩加載和發(fā)動機角加速度調節(jié)提供輸入條件，狀態(tài)切換如圖11所示。

4.3 離線仿真結果與分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下建模并進行仿真，結果如圖12～圖15所示。

由圖12～圖14可見，車輛在駐車(P)擋起動發(fā)動機時，發(fā)動機轉速與行星架轉速吻合較好，車速一直保持為0，電機E1施加的拖轉轉矩平滑；倒車(R)擋時，車輛由純電動工況切換到發(fā)動機起動工況，電機E1轉矩由負向變化為正向，將發(fā)動機拖轉到目標轉速，發(fā)動機轉速與行星架轉速基本一致。從車速變化趨勢可以看出，在發(fā)動機起動過程中，整車驅動轉矩受到限制，這是電池功率保護所致；前進(D)擋仿真時，節(jié)氣門開度60%，純電動工況運行0.5s后起動發(fā)動機，從結果中可以看出，電機E1轉矩在發(fā)動機起動瞬間有一個突變，這是系統(tǒng)為了保證起動成功限制整車驅動轉矩所致，根據行星系統(tǒng)的動力學原理，電機E2的轉矩也會出現波動；電機轉矩突變，導致折算到行星架輸入軸上的拖動轉矩突變，這通過扭轉減振器緩沖后傳遞到發(fā)動機曲軸上，導致了由曲軸位置信號計算得出的發(fā)動機轉速出現了波動。R和P擋下起動發(fā)動機時，電機E1轉矩曲線平滑，未出現D擋的轉速波動現象。

在發(fā)動機起動結束末期需要進行起動是否成功的檢查，以確定是否可以開始轉矩加載；當系統(tǒng)進入起動的第3階段，即起動末期，此時用于拖轉的電機E1轉矩趨于穩(wěn)定，如果發(fā)動機轉速沒有下降的趨勢，且發(fā)動機反饋的實際輸出轉矩與需求轉矩接近，維持一段時間，則認為起動結束。

由圖15可見，與高速起動方式相比，低速起動完成的時間縮短了一半；高速起動和低速起動在拖轉轉矩與梯度、拖轉功率、點火角設置、空燃比、節(jié)氣門開度和目標轉速的設置上均有所區(qū)別。與高速起動相比，低速起動拖轉轉矩加載的梯度較大，拖轉功率被限制以保護電池，點火角提前較小，其它各項在此不具體說明。從平順性角度看，低速起動方式的轉速波動比較明顯，平順性較差。

5 實車驗證

在離線仿真的基礎上，將起動模型集成到混合動力控制系統(tǒng)模型中并生成代碼，在某深度混合動力車上進行NEDC循環(huán)驗證。電機、電池和發(fā)動機參數見表1，發(fā)動機轉速、車速、油耗(以CO2排放表示)和SOC變化曲線見圖16，空燃比、點火角和發(fā)動機水溫變化曲線見圖17，排放特性曲線見圖18。按照國五排放標準規(guī)定，整個NEDC循環(huán)工況的百公里綜合油耗為5.9L，HC排放為0.031g/km，CO排放為0.112g/km，NOx排放為0.011g/km，NMHC排放為0.028g/km。

在零下不同溫度點進行了低溫起動驗證，發(fā)動機轉速曲線如圖19所示。由圖可見，在-9，-24和-30℃低溫環(huán)境下，系統(tǒng)執(zhí)行低速起動，電機能將發(fā)動機拖轉到預定目標轉速，起動過程可以成功完成；隨著溫度的降低，起動過程轉速的波動增大，經過分析認為，低溫環(huán)境下起動過程的平順性與發(fā)動機阻力矩的波動、電機拖轉轉矩加載方式和發(fā)動機燃燒特性有關。

表1 關鍵零部件參數

倒車起動模式驗證試驗結果如圖20所示。由圖可見，起動過程中，行星架轉速和發(fā)動機轉速均有不同程度的抖動。與發(fā)動機轉速波動相比，行星架轉速波動的頻率較高，這是電機進行消除抖動轉矩干涉所致。

與傳統(tǒng)汽油車相比，本研究的混合動力車發(fā)動機飛輪與行星架輸入軸之間沒有離合器，在起動過程中，發(fā)動機的振動通過動力總成傳導到車身上，給駕駛員帶來沖擊。后續(xù)的工作將從結構入手，深入研究起動過程的抖動問題，優(yōu)化控制策略，以達到良好的起動平順性。

6 結論

(1) 在產品級混合動力變速器的基礎上，推導了新型功率分流機構的動力學公式，并進行了杠桿簡化。

(2) 利用杠桿法分析了混合動力車不同擋位下的發(fā)動機起動過程，包括工作原理和控制方法。

(3) 預設了發(fā)動機起動控制的工程目標，并提前考慮了影響目標的各種因素，設計了功能模塊的通信接口和控制策略，并對算法進行了分析。

(4) 利用Matlab/Simulink軟件搭建了混合動力變速器、整車物理模型和起動控制模型，分別在3種擋位下對發(fā)動機起動控制進行了功能仿真驗證，其中P擋、R擋下發(fā)動機轉速比較平滑，D擋下發(fā)動機轉速出現振蕩；高速和低速起動方式對比仿真結果顯示，與高速方式相比，低速方式發(fā)動機起動完成的時間縮短一半，但平順性較差。

(5) 針對設計的起動策略，在實車上進行了國五排放試驗，并進行了低溫起動和倒車起動試驗驗證。結果顯示：經濟性方面，與搭載相同型號發(fā)動機的傳統(tǒng)汽油車(百公里油耗為7.5L)相比，混合動力車的百公里綜合油耗為5.9L，節(jié)油20%以上(考慮了電池電量下降折算的油耗)；動力性方面，設計了兩種起動方式，在駕駛員有動力性優(yōu)先的需求時，系統(tǒng)采用低速起動，與高速起動相比，低速起動可以縮短發(fā)動機完成起動過程的時間，提前供給轉矩；排放方面，采用了精確優(yōu)化的空燃比、點火角控制，合適的轉矩加載，全面達到國五排放標準(采用國四催化轉換器)；平順性方面，在發(fā)動機起動瞬間，車輛存在輕微抖動的現象。

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A Study on Engine Start Control in a Full Hybrid Electric Vehicle

Wang Chen1,2& Wang Bo2

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.GeelyElectricTransmissionTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201501

The engine start control of a full hybrid power system is studied in this paper. Firstly the dynamics equations for a new Ravigneaux planetary power split mechanism are derived, and the start control method under different gear positions are analyzed with lever analogy technique. Then based on engineering objective defined with consideration of various influencing factors, the functional module framework and interfaces are designed, an engine start control model is built with Matlab/Simulink software and a co-simulation is conducted. Finally the engine start control model is integrated into hybrid power system model with corresponding code generated and downloaded to controller, and a NEDC cycle verification is performed on a full hybrid electric vehicle equipped with Ravigneaux planetary power split mechanism.

full hybrid power system; Ravigneaux planetary mechanism; start control

*國家高技術研究發(fā)展計劃(2011AA11A20)和國家自然科學基金(51275355)資助。

原稿收到日期為2015年1月14日，修改稿收到日期為2015年4月9日。