P2 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱控制策略研究

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 安徽 合肥 230601）

引言

隨著國(guó)家越來(lái)越嚴(yán)苛的油耗要求以及消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)動(dòng)力的需求，混合動(dòng)力車(chē)型日益成為各大汽車(chē)企業(yè)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，同時(shí)將濕式雙離合自動(dòng)變速箱（DCT）搭載到混合動(dòng)力車(chē)型中，既能滿(mǎn)足國(guó)家強(qiáng)制性油耗的要求，同時(shí)也能滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)駕駛舒適性和動(dòng)力性的要求。一般情況下，混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)采用純電驅(qū)動(dòng)（即電機(jī)工作），當(dāng)電機(jī)能力不能滿(mǎn)足駕駛需求時(shí)，此時(shí)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)介入工作，由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩都有很大波動(dòng)，若控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致輸入到車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩劇烈變化，從而影響整車(chē)駕駛的平順性[1]。

模式切換過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)整車(chē)相關(guān)控制已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力汽車(chē)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。如文獻(xiàn)2提出了一種變速箱與電機(jī)協(xié)調(diào)控制方法，通過(guò)制定變速箱前饋+反饋并結(jié)合轉(zhuǎn)矩觀測(cè)的控制策略，實(shí)現(xiàn)模式切換各階段的平穩(wěn)過(guò)渡；文獻(xiàn)3 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，提出了一種車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略；文獻(xiàn)4 提出一種內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，以減小混合動(dòng)力汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；文獻(xiàn)5 提出了基于模糊PID 算法的DCT 變速箱壓力控制策略和動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，以提高模式切換過(guò)程整車(chē)平順性；文獻(xiàn)6 針對(duì)DCT 混合動(dòng)力汽車(chē)變速箱在切換過(guò)程各階段進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)矩跟蹤控制，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，有效地解決了起動(dòng)過(guò)程整車(chē)平順性；文獻(xiàn)7建立簡(jiǎn)化的單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)模型,以減小起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所用時(shí)間為目標(biāo)，建立起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)控制；文獻(xiàn)8 設(shè)計(jì)了一種基于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的前向觀測(cè)器，通過(guò)后向觀測(cè)器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)參考電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相關(guān)標(biāo)定優(yōu)化，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩估計(jì)的準(zhǔn)確性。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程模式切換的研究大部分都集中在發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)上，但是作為整車(chē)動(dòng)力輸出的最后控制單元的TCU（自動(dòng)變速箱控制單元），其控制的好壞決定整車(chē)模式切換過(guò)程的平順性，卻很少受到重視。因此本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略進(jìn)行了研究分析，同時(shí)針對(duì)原有控制策略在實(shí)車(chē)驗(yàn)證過(guò)程中存在的不足，提出了一種新的變速箱轉(zhuǎn)矩控制策略，通過(guò)增加進(jìn)入變速箱控制時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與DCT 變速箱輸入軸之間轉(zhuǎn)速差的判斷條件、變速箱轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中采取合適加權(quán)轉(zhuǎn)矩跟隨策略，最后通過(guò)Simulink 建模，生成代碼并下載到變速箱TCU 中，在實(shí)車(chē)上對(duì)該控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文基于某款搭載雙離合自動(dòng)變速箱的P2 混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行研究，具體參數(shù)如表1 所示，其P2構(gòu)建的混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、CO 變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、高壓附件及雙離合自動(dòng)變速箱等子系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同組成該系統(tǒng)的動(dòng)力源，兩者即可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，也可以以混合驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。因而采用此種結(jié)構(gòu)的混和動(dòng)力汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)多種工作模式（如表2所示），能夠有效地降低車(chē)輛油耗，提升車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

表1 P2 混動(dòng)車(chē)輛信息表

圖1 搭載DCT 的P2 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 P2 混合動(dòng)力車(chē)輛工作模式

2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略

P2 混合動(dòng)力汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)變速箱離合器的滑膜來(lái)控制變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程因電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化導(dǎo)致變速箱輸出到輪端轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，確保整車(chē)駕駛的平順性。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制原理

在正常行駛過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速ωe的變化情況與期望轉(zhuǎn)矩Te和變速箱傳遞轉(zhuǎn)矩Tc之間的關(guān)系為：

其中：Ie為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由（1）式可知，當(dāng)Tc＜Te時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將上升,當(dāng)Tc>Te時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，變速箱通過(guò)控制Tc，使得DCT 變速箱處于滑膜控制，以穩(wěn)定輸出到輪端的轉(zhuǎn)矩。如果變速箱轉(zhuǎn)矩控制不當(dāng)，會(huì)使得車(chē)輛出現(xiàn)沖擊感。為此，本文引用沖擊度對(duì)變速箱平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]，其表達(dá)式為：

式中：v 為汽車(chē)速度（m/s）；a 為汽車(chē)加速度（m/s2）。

為確保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程整車(chē)平順性，沖擊度j 應(yīng)不大于5 m/s3[10]。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱的轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制如圖2 所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制圖

總體可分為初始階段、轉(zhuǎn)矩下降階段、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段及轉(zhuǎn)矩上升階段4 個(gè)階段，控制邏輯如圖3 所示，每個(gè)階段控制如下：

1）初始階段。

初始階段即變速箱進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控階段，當(dāng)整車(chē)能量控制單元HVCU 向變速箱發(fā)送轉(zhuǎn)矩預(yù)控請(qǐng)求時(shí)，變速箱相應(yīng)請(qǐng)求，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制。

2）轉(zhuǎn)矩下降階段

圖3 轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制邏輯圖

在變速箱進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控后，降低變速箱轉(zhuǎn)矩，以獲得滑膜控制（但是不能降低過(guò)小，避免動(dòng)力傳遞過(guò)小）。

3）轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段

在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段發(fā)動(dòng)機(jī)完成起動(dòng)過(guò)程，通過(guò)調(diào)整變速箱轉(zhuǎn)矩，使得變速箱一直處于動(dòng)態(tài)滑膜控制，以穩(wěn)定變速箱轉(zhuǎn)矩Tc，確保輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，不受發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。

4）轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)階段

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，調(diào)整變速箱轉(zhuǎn)矩Tc，使之恢復(fù)到初始階段轉(zhuǎn)矩，變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控結(jié)束。

2.3 現(xiàn)有控制策略的不足

在實(shí)車(chē)上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩預(yù)控優(yōu)化時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的控制策略存在相關(guān)不足，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程整車(chē)駕駛的平順性有一定影響，具體分析如下：

1）在HVCU 發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求時(shí)，TCU 就會(huì)響應(yīng)請(qǐng)求，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制，此時(shí)電機(jī)軸與變速箱輸入軸處于同步狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升時(shí)，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速會(huì)跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而引發(fā)整車(chē)波動(dòng)，影響駕駛性。如圖4 所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)

2）在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段，變速箱轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

Tc=Tc0+ΔTe（3）

其中：Tc0為變速箱初始轉(zhuǎn)矩，ΔTe為期望轉(zhuǎn)矩變化率。

當(dāng)期望轉(zhuǎn)矩Te不變時(shí)，ΔTe=0，變速箱不會(huì)加載，踩恒定油門(mén)下轉(zhuǎn)矩預(yù)控過(guò)程整車(chē)無(wú)加速感，轉(zhuǎn)矩預(yù)控結(jié)束后整車(chē)突然有加速感，造成變速箱狀態(tài)切換過(guò)程整車(chē)加速不平順，如圖5 所示。

圖5 變速箱實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩不跟隨期望轉(zhuǎn)矩

2.4 優(yōu)化后的控制策略

針對(duì)現(xiàn)有變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略的不足，對(duì)相關(guān)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，具體如下：

1）針對(duì)因電機(jī)轉(zhuǎn)速提升帶動(dòng)變速箱軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)問(wèn)題，在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩預(yù)控策略上增加轉(zhuǎn)速判斷條件，當(dāng)HVCU 發(fā)送轉(zhuǎn)矩預(yù)控請(qǐng)求時(shí)，只有當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速rd與輸入軸轉(zhuǎn)速rs有一定轉(zhuǎn)速差時(shí)，即rd-rs>Δ 時(shí)（Δ為可標(biāo)定值），TCU 才響應(yīng)HVCU 的轉(zhuǎn)矩預(yù)控請(qǐng)求。

2）針對(duì)因期望轉(zhuǎn)矩Te不變導(dǎo)致變速箱轉(zhuǎn)矩Tc不加載問(wèn)題，在轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定階段，增加變速箱轉(zhuǎn)矩控制策略，確保變速箱扭矩Tc參照期望轉(zhuǎn)矩Te進(jìn)行加載，即Tc=Tc0+δ（Te-Tc0），δ 為可標(biāo)定值。

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩預(yù)控邏輯圖如圖6 所示。

2.5 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩預(yù)控策略的實(shí)際控制效果，將研究的轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略通過(guò)Simulink 建模，生成代碼并下載到變速箱TCU 中，在實(shí)車(chē)上進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證，整車(chē)綜合一體化控制的CAN 信號(hào)通過(guò)CANape 設(shè)備進(jìn)行采集，采集的驗(yàn)證工況如表3所示。

圖6 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩預(yù)控邏輯圖

表3 轉(zhuǎn)矩預(yù)控驗(yàn)證工況

驗(yàn)證時(shí)，設(shè)置轉(zhuǎn)速差Δ=30 r/min；δ=1，按照表3 的驗(yàn)證工況進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，較原有的邏輯，新邏輯增加轉(zhuǎn)速差判斷條件后實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，當(dāng)HVCU 發(fā)送轉(zhuǎn)矩預(yù)控請(qǐng)求時(shí)，等電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速形成30 r/min 的轉(zhuǎn)速差時(shí)，TCU 才響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)控請(qǐng)求，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升，輸入軸轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，沖擊度最大為0.8（小于5 m/s3），總體較平穩(wěn)（如圖7 所示）。

較原有邏輯，新邏輯修改轉(zhuǎn)矩跟隨策略后實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，變速箱實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到期望轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，沖擊度最大為2.5（小于5 m/s3），車(chē)輛加速總體平順。

實(shí)車(chē)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果表明，采用所提出的變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制策略在整車(chē)上可實(shí)現(xiàn)變速箱轉(zhuǎn)矩傳遞的平穩(wěn)，有效地避免了P2 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的沖擊，確保車(chē)輛駕駛的平順性和舒適性。

圖7 優(yōu)化轉(zhuǎn)速差判斷條件策略

圖8 優(yōu)化轉(zhuǎn)矩跟隨策略

3 結(jié)論

對(duì)P2 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控控制進(jìn)行了研究分析，針對(duì)目前控制策略的不足，提出了一種新的變速箱轉(zhuǎn)矩控制策略：

1）通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)入變速箱轉(zhuǎn)矩控制時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與DCT 變速箱之間滑膜差的判斷條件，確保變速箱進(jìn)入轉(zhuǎn)矩預(yù)控時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱軸轉(zhuǎn)速間存在滑膜差。

2）轉(zhuǎn)矩預(yù)控過(guò)程中采取合適的變速箱轉(zhuǎn)矩跟隨策略，確保變速箱實(shí)際轉(zhuǎn)矩跟隨期望轉(zhuǎn)矩。

3）設(shè)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中變速箱轉(zhuǎn)矩預(yù)控整車(chē)驗(yàn)證工況，通過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證。新的轉(zhuǎn)矩預(yù)控邏輯滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)要求，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)（沖擊度小于5 m/s3）。