插電式混合動力離合器控制策略與標定

祁克光，李 康，楊俊偉，黃開勝

（1.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究總院動力總成技術中心，安徽 蕪湖 241009；2.清華大學汽車工程系，北京 100084）

奇瑞艾瑞澤7e使用CVT無級自動變速器，采用P2架構的混動方式。如圖1所示，在發(fā)動機和CVT變速器之間，通過EPGS行星齒輪耦合結構連接。耦合結構的外部齒圈連接到電機，軸心的太陽輪連接到發(fā)動機，行星齒輪連接到CVT的輸入軸。電機和發(fā)動機之間通過C1離合器連接，當純電模式的時候，C1離合器脫開，電機通過變速器輸出動力。當需要發(fā)動機輸出扭矩的時候，C1離合器接合，發(fā)動機和電機轉速同步共同輸出扭矩，或者發(fā)動機同時驅動和帶動電機發(fā)電。

圖1 艾瑞澤7ePHEV的EPGS結構示意圖

艾瑞澤7e發(fā)動機為奇瑞SQRE4G-16型號，技術參數為：1.6L排量，缸徑×行程77 mm×85.8 mm，額定功率93 kW@6150 r/min，最大扭矩160 Nm@3900 r/min。變速器采用CVT無極自動變速器，型號為CVT QR019，技術參數為：速比2.67，主減速比5.141，驅動形式為前置前驅FF，最大輸入扭矩190 Nm。電機為直流無刷三相同步電機，技術參數為：放電持續(xù)功率25 kW，放電峰值功率55 kW，最大轉速7440 r/min，最大扭矩160 Nm，持續(xù)扭矩80 Nm。由于發(fā)動機和電機的總輸出扭矩要大于CVT變速器所允許的最大輸入扭矩，所以要對總的輸出進行限制，以保護變速器。

艾瑞澤7e有如下幾種工作模式：純電驅動、僅發(fā)動機驅動（電機空轉）、發(fā)動機和電機并聯(lián)驅動、行車充電（發(fā)動機同時驅動和驅動電機發(fā)電）、再生制動、怠速發(fā)電等。由于PHEV車輛的特殊性，經常要頻繁地起/停發(fā)動機以提升混動模式下的燃油經濟性，所以在發(fā)動機起/停時，尤其是起動的時候，對C1離合器控制要求較高。既要保證平順性，又要控制離合器滑摩熱量，保證離合器的壽命。在PHEV車輛離合器的可靠性耐久考核專項試驗中，要求能夠完成10萬次的模式切換。

1 滑摩時離合器的熱量計算

由于PHEV車輛發(fā)動機頻繁起停，需要對滑摩時的熱量進行控制，以保證C1離合器的壽命要求。在對C1離合器的控制和標定中，需要先對滑摩時的熱量計算進行建模，以評估要求。發(fā)動機的起動主要有兩種方式：①P或者N擋下，C1離合器起動發(fā)動機；②行車過程中，通過C1離合器起動發(fā)動機（即下文提到的高級起停）。在起動發(fā)動機方式①中，C1離合器的負載較小，產生熱量少，對離合器的損傷有限。本文將重點研究方式②的離合器起動發(fā)動機控制和標定方法。

1.1 負載扭矩傳遞數學模型

耦合機構起停半黏動狀態(tài)：Brake狀態(tài) = 0，0 ＜ Clutch狀態(tài) ＜ 1，PGS模式 →parallel mode。Brake制動器（功能為把發(fā)動機與變速器殼體接合，禁止發(fā)動機轉動）分開，C1離合器處于半黏動的狀態(tài)（0-1之間，0為完全脫開，1為完全接合），耦合機構運行模式從行星齒輪模式變?yōu)椴⒙?lián)模式，電機驅動整車同時通過C1離合器傳遞扭矩到發(fā)動機端起動發(fā)動機，發(fā)動機轉速從0開始上升，逐步達到同步，同步后發(fā)動機才允許點火輸出扭矩（整個過程對于扭矩控制精度較高）。在整個發(fā)動機起動過程中，電機扭矩必須受到限制，以便保證過程的平順性，同時也要考慮有足夠的扭矩以克服負載，確保C1離合器的壓力，控制滑摩中的熱量。圖2為行駛中起動發(fā)動機扭矩杠桿原理圖。

圖2 行駛中起動發(fā)動機杠桿原理圖

太陽輪端發(fā)動機輸出扭矩TS為發(fā)動機的阻力矩，其扭矩數學模型如下

式中：Tc——CVT變速器端的扭矩；Tr——齒圈電機輸出扭矩；Tclt——離合器加壓扭矩；Zr——齒圈電機輸出軸到CVT輸出軸之間的距離；Zs——太陽輪發(fā)動機輸出軸到CVT輸出軸之間的距離。

由公式（1）轉化，可計算出車輛行駛中起動發(fā)動機的電機扭矩Tr，見公式（2）。Tc此時可根據駕駛員輪端需求扭矩求得，且受離合器剩余熱容量限制，HCU（Hybrid Control Unit）目前設置當剩余熱容量為1 500 J，電機只允許輸出最大50 Nm扭矩，剩余熱容量為0 J時，不允許電機輸出扭矩。Tclt為標定值，通過標定設置目標離合器扭矩，目標離合器扭矩標定需要考慮起動的可靠性（足夠的壓力保證起動成功，減少滑摩產生的熱量），同時要兼顧起動的平順性。

1.2 目標扭矩轉化為目標壓力數學模型

利用公式（3）將C1目標扭矩轉化成目標壓力， TCU（Transmission Control Unit）通過控制電磁閥達成離合器加壓所需壓力。

式中：S——離合器活塞面積；u——離合器摩擦片摩擦系數；z——離合器總成片數；r——摩擦片有效半徑；F——回位彈簧力；J——離合器活塞和回位活塞轉動慣量之和。艾瑞澤7e各參數值見表1。

表1 目標壓力計算參數值

圖3為C1離合器加壓控制狀態(tài)邏輯示意圖。Int（初始化）和Inactive（未激活）階段，此階段目標壓力為0；Active（激活）為離合器充油階段，該階段需要控制充油時間和充油壓力，其充油時間和壓力是根據不同工況和變速器油溫標定得到；TQ_Ctrl為離合器扭矩控制階段，其目標壓力是根據需求扭矩計算得出，計算公式見公式（3）；SlipCtrl（滑動控制）階段基于HCU發(fā)送的扭矩，計算得出壓力加上TCU計算值。

圖3 C1離合器加壓控制狀態(tài)示意圖

1.3 TCU熱容量計算數學模型

行駛中起動發(fā)動機，離合器熱容量計算公式如下，本項目最大允許的熱容量為18 kJ。

式中：Qclt——離合器當前產生的熱容量；Ti——計算起始時間，為扭矩控制階段起始開始計時；Te——計算結束時間，為轉速同步后計時結束；Ne——電機轉速；Nc——行星架轉速；Tclt——離合器扭矩；Qo——油冷熱交換帶走的熱量。

2 車輛行駛中發(fā)動機起動C1離合器標定與驗證

C1離合器的目標扭矩值標定方法是：①HCU按照公式（1）計算出起動發(fā)動機所需的C1離合器扭矩需求，將此需求傳遞給TCU，TCU根據公式（3），將扭矩需求轉換為壓力需求，根據壓力需求控制電磁閥得到C1離合器所需的實際壓力，再根據實際壓力通過公式（3）轉化為實際的C1離合器扭矩，傳遞給HCU，HCU根據實際的離合器扭矩按照公式（2）計算出電機扭矩需求；②TCU根據公式（4）計算出C1離合器剩余的熱容量，傳遞給HCU，HCU根據剩余熱容量對電機實際扭矩進行限制，以確保離合器有足夠的熱能余量；③通過整車縱向加速度傳感器的客觀測量或者主觀評價的方式選擇駕駛性、平順性可接受的C1離合器扭矩斜率以及公式（1）計算出的最小離合器扭矩（只允許往大的方向調整），同時按照公式（4）評估起動時的熱容量，限制在允許的范圍內，以保證離合器的耐久性能要求［1］。

圖4為行車中C1離合器加壓控制數據采集圖示。黃線為齒圈電機轉速，黑線為太陽輪發(fā)動機轉速，紅線為行星齒輪CVT變速器端的轉速，綠線為EPGS的C1離合器加壓扭矩。隨著加壓扭矩的增加，發(fā)動機轉速由0快速上升，最終三者轉速同步，同步后進行轉速PI閉環(huán)控制（扭矩調節(jié)）［2］，以保證轉速偏差在±30 r/min。從圖4中可以看到，在C1離合器加壓前，有個短暫的小幅扭矩增加，這是預加壓階段。預加壓時，扭矩不能太大，太大會導致不期望的發(fā)動機轉速出現。在整個加壓過程中，可能會出現兩種特殊狀況。

圖4 行車中C1離合器加壓控制

1）一定時間內發(fā)動機未能起動成功，則需要強制請求離合器扭矩到最大值。

2）上述提到，加壓的過程中，TCU會依據公式（4）計算出當前的熱容量，依據允許的最大熱容量，計算出儲備熱容量發(fā)送給HCU。若儲備熱容量達到0，則HCU限制電機扭矩到0，以保護離合器。

考慮到高級起停，扭矩需求發(fā)動機起動的車速在40 km/h，所以標定工況為40 km/h的純電模式，分為加速、勻速、減速3種情況，通過手動關閉ECO（經濟模式）鍵起動發(fā)動機去標定C1離合器。

綜合以上標定方法，需要對標定的結果進行確認驗證。選擇低車速（＜10 km/h）、20 km/h、30 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h，分為加速、勻速、減速3種情況，關閉ECO起動發(fā)動機去驗證C1離合器的標定結果。可以通過加速度傳感器客觀或者主觀感受的駕駛平順性評價方法，同時測量C1離合器的儲備熱容量。低車速下重點是起動可靠性和起動沖擊的評估，高車速下重點是儲備熱容量的評估。

圖5為艾瑞澤7e車速40 km/h時C1離合器起動發(fā)動機的測量結果，起動瞬間最大加壓扭矩達到250 Nm，起動的滑摩過程中，儲備熱容量到達低谷，最小值為21 000 J，但距離限值7 000 J仍舊有較大余量，滿足耐久性目標標定要求。起動過程中，C1離合器完全接合的瞬間，振動加速度到達峰值，最大值為0.125 g，無連續(xù)性多次波動，主觀感受較好。轉速同步后，轉速偏差范圍在±30 r/min內，符合標定要求。

圖5 車速40 km/h時C1離合器起動發(fā)動機驗證結果

圖6 是一個因為C1離合器壓力不夠（加壓扭矩偏小）導致發(fā)動機起動失敗和起動同步后轉速波動的范例。在297～297.5 s之間，發(fā)動機轉速拖動到約500 r/min后停機，C1離合器起動發(fā)動機失敗，原因為預控壓力異常（不希望的發(fā)動機起動）。298 s時，C1離合器起動發(fā)動機，出現轉速未完全同步，有約150 r/min的偏差，此時實際的加壓扭矩約為80 Nm（偏低），而后通過轉速PI閉環(huán)控制，把扭矩增加到160 Nm，轉速能夠很好地實現同步。這種情況是因為刻意追求起動的平順性，過小的加壓扭矩，C1施加壓力不足，從而導致轉速不同步，嚴重可能導致起動失敗。轉速不同步時間過長，即滑摩時間過長，會產生較大熱量，進而影響C1離合器的壽命。

3 結 論

行車C1離合器起動發(fā)動機的控制和標定原則：高車速（大于等于60 km/h），對平順性的振動沖擊不是重點，要有足夠的加壓扭矩請求，確保起動成功，要重點關注轉速同步問題，防止過長的滑摩時間，導致離合器熱容量儲備不足，影響離合器的使用壽命。當然，過大的加壓扭矩請求不利于能量管理。低車速（小于60 km/h），起動平順性是關注重點，在確保起動成功且轉速同步（轉速偏差在±30 r/min內）的前提下，盡可能地降低加壓扭矩需求以及增加的加壓扭矩斜率，以保證C1離合器起動發(fā)動機的平順性。

圖6 車速30 km/h時C1離合器起動發(fā)動機不可接受結果范例

標定之后，要按照測試標準進行驗證，包括熱容量儲備測試和主觀駕駛性感受。同時，要保證標定數據對生產一致性差異的覆蓋性，最好抽取下線車輛至少10臺進行標定數據覆蓋性的評估。