单电机重度混合动力系统行进间发动机起动控制策略研究*

刘永刚，秦大同，刘振军，杨 阳

(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)



2015009

单电机重度混合动力系统行进间发动机起动控制策略研究*

刘永刚，秦大同，刘振军，杨 阳

(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

针对单电机重度混合动力系统行进间发动机起动过程的平顺性问题，对其起动过程进行了动力学分析，对系统关键部件湿式多片离合器进行了理论分析与试验研究，提出了行进间发动机起动过程电机协调转矩控制策略。利用Matlab/Simulink软件仿真平台，进行了起动过程的仿真分析，搭建试验台对发动机起动过程进行台架试验。仿真与试验结果表明，所提出的控制策略能有效保证行进间发动机起动过程的平顺性。

重度混合动力系统；控制策略；仿真；试验

前言

ISG型轻度或中度混合动力汽车，由于本身结构和电机功率的限制，无法实现纯电动驱动工况，因而节油率受到限制。重度混合动力系统具有纯电动工作模式，在低速时可以纯电机驱动行驶，中高速时须切换至发动机驱动或电机与发动机共同驱动行驶，从而减少发动机在低速和低负荷非经济区区域工作，进一步提高整车的燃油经济性[1]。行进间起动发动机平顺性控制是重度混合动力汽车需要解决的关键问题之一。

文献[2]中运用二次型最优控制算法进行HEV纯电动切换到发动机驱动模式过程中离合器、制动器和电机的研究，实现了HEV传动系统的平顺切换。文献[3]和文献[4]中研究了行进中起动发动机过程的动态协调控制，通过PID控制器对限力矩离合器目标压力进行调节，有效地解决了发动机起动过程中对传动系统的冲击问题。文献[5]和文献[6]中对基于行星齿轮机构的新型混合动力系统由纯电动驱动切换至发动机驱动过程中的转矩波动进行研究，对离合器接合过程采用模糊控制，并采用电机转矩对发动机转矩变化进行补偿控制策略，有效减少了发动机转速的波动。文献[7]中对并联式混合动力汽车起动发动机过程采用离合器转矩开环控制和离合器滑摩闭环控制相结合的方法实现发动机的平稳起动。研究表明，为了保证起动发动机过程的平顺性，离合器转矩与电机补偿转矩之间需要进行协调控制，但实现难度较大。同时，由于起动发动机过程时间非常短暂，离合器压力响应存在滞后等问题，实现离合器转矩精确控制增加了控制系统的难度。本文中所进行的研究单电机重度混合动力系统结构简图如图1所示。该系统主要由发动机、单向离合器、湿式多片离合器、ISG电机和无级自动变速器(CVT)组成。其中，单向离合器正向传递发动机动力，反向时不起作用；湿式多片离合器仅在起动发动机的过程中通过控制执行机构使其接合，其他时间处于分离状态。通过此新型混合动力传动系统可方便实现混合动力汽车各种工作模式，与传统的双电机重度混合动力系统结构相比，成本较低，对控制系统的要求相对简单且容易实现[8]。

首先建立重度混合动力系统行进间起动发动机动力学模型，分析湿式多片离合器压力-转矩特性，以保证行进间起动发动机过程整车的平顺性为目标，提出了电机转矩协调控制策略，建立了动力传动系统仿真模型并进行仿真分析，最后，搭建了台架系统进行试验研究。仿真与试验结果表明，本文中所提出的电机协调转矩控制方法对行进间起动发动机过程的平顺性具有良好控制效果。

1 行进间起动发动机过程分析

车辆处于纯电动运行状态下，由于加速或爬坡等因素，需要接合湿式多片离合器以起动发动机共同驱动。此时电机在提供车辆行驶所需驱动力的同时，还须配合湿式多片离合器的接合过程，提供起动发动机所需转矩，保证发动机迅速从静止到设定转速。在此过程中，电机补偿控制与离合器的接合动作需要动态协调控制，以保证发动机正常起动且不对车辆的正常行驶造成过大冲击。在行进间起动发动机过程中，由于单向离合器处于自由状态，可以忽略不计，系统动力学模型如图2所示。图中：Te在发动机起动前为反拖阻力矩，起动后为发动机输出转矩；ωe为发动机转速；Ie为发动机转动惯量；Tc为湿式多片离合器转矩；Tm为ISG电机转矩；ωm为ISG电机转速；Im为ISG电机转动惯量；it为无级变速器速比；i0为主减速器速比；Ts为中间轴输出转矩；ωs为中间轴转速；Is为中间等效转动惯量；ωw为车轮转速；Iv为整车等效转动惯量；Tf为行驶阻力矩。

行进间起动发动机过程动力学方程为

(1)

当发动机转速达到设定转速(电机目标转速)时，单向离合器闭合后动力学方程为

(2)

为进行该系统动力学分析，分别对系统动力源发动机和ISG电机进行台架试验。根据试验数据，绘制了发动机的3D特性曲面和反拖阻力矩试验曲线，分别如图3和图4所示。

根据ISG测试数据，建立ISG电机特性图，如图5所示。其中，电机最大功率为30kW，最大转矩为115N·m，额定转速为2 500r/min。

2 湿式多片离合器性能分析

湿式多片离合器传递转矩的容量主要由离合器执行机构的压力决定，因此，在起动发动机过程中，该离合器也称之为限力矩离合器。离合器的压力-转矩特性直接关系到行进间起动发动机的控制效果。湿式多片离合器压力确定后，根据离合器压力-转矩特性可以确定离合器起动发动机过程中传递的转矩，因而可以进一步确定电机协调转矩。

在起动发动机的短暂过程中，若对湿式多片离合器的压力进行调节，控制难度较大。因此，根据实际控制需要，设计了一套离合器液压执行机构，离合器液压系统通过控制电磁阀的开闭，实现离合器油压加载或卸载，并通过溢流阀来限制供油压力大小。因此，湿式多片离合器在起动过程中无须进行压力控制，较大程度上减少了控制难度。离合器执行机构液压系统原理图如图6所示。

湿式多片离合器处于滑摩状态时，随着油缸工作压力的增加，其传递的转矩逐渐增大，其计算公式为

Tc=μzAp(pin-pbase)Rm

(3)

由式(3)可知，离合器结构尺寸确定的情况下，离合器传递的转矩主要由油缸控制压力与摩擦片摩擦因数决定。油缸控制压力大小通过溢流阀调节，摩擦片摩擦因数在动态条件下则是与离合器摩擦面温度、相对角速度和离合器压力等因素相关。

为获得准确的湿式多片离合器在设定压力下所传递的转矩特性，进行了离合器压力-转矩特性试验，得到离合器动态转矩变化曲线。油压0.76MPa时湿式多片离合器传递转矩实测值与理论计算值的对比如图7所示。

通过对湿式多片离合器压力-转矩特性的分析，建立了离合器压力与转矩的关系，为ISG电机协调控制策略的制定奠定基础。

3 电机转矩协调控制策略

根据湿式多片离合器建立压力和传递转矩特性，进行ISG电机协调转矩的加载方式和加载时刻的匹配。根据所设计的单电机重度混合动力系统结构和湿式多片离合器特性，湿式多片离合器不存在转矩控制问题，行进间起动发动机过程控制主要为电机转矩协调控制。

3.1 限力矩离合器压力设定

由式(1)可知，湿式离合器传递转矩由离合器设定压力决定，而压力的设定又取决于发动机的反拖阻力矩和发动机目标起动时间，总体来说，离合器压力越大，起动所需要的电机补偿转矩越大，发动机起动时间相应缩短，但系统的冲击有增大的趋势，控制难度加大。以发动机起动时间≤0.5s为控制目标，起动过程中发动机的反拖力矩通过试验测得(见图4)。因此，发动机的起动时间主要取决于湿式多片离合器转矩。根据式(1)计算可得离合器转矩应为50～70N·m。再根据湿式多片离合器压力-转矩特性，可知压力应设置在0.7～0.8MPa之间。

3.2 ISG电机转矩补偿控制

车辆由纯电动驱动切换至发动机驱动过程中，控制的关键在于行进间起动发动机过程的平顺性，由于起动时间非常短，离合器的压力建立过程在0.2s以内，因此，电机的负载转矩变化率较大，此时ISG电机必须提供额外的转矩来克服发动机起动过程的阻力矩。当电机补偿的转矩与湿式离合器传递的转矩相等时，起动发动机过程就不会对整车平顺性产生任何冲击。因此，行进中起动发动机控制策略主要是根据起动过程中湿式多片离合器所传递的转矩来决定电机的补偿转矩，电机转矩协调控制原理如图8所示。

充分利用电机响应速度快的特点，ISG电机转速的波动由PID控制器来控制，通过电机目标转速与实际转速之差作为PID控制输入，从而对电机的目标补偿转矩进行修正。

行进中起动发动机控制时序如图9所示。图中：t1为离合器开始建压时刻(行进间起动开始时刻)；t2为电机补偿转矩加载时刻；t3为离合器压力达到设定值的时刻；t4为发动机点火时刻(电机补偿转矩卸载时刻)。

湿式多片离合器的压力为电磁阀控制的开关信号，当电机转速达到行进中起动发动机时刻t1，电磁阀开关打开，接合指令变为1，离合器压力迅速上升直到达到设定值的时刻t3。当离合器压力克服离合器空行程的时刻t2时，电机补偿转矩控制开始。当发动机点火成功，到达时刻t4时，电磁阀关闭，接合指令为0，离合器压力开始卸载，退出电机补偿转矩控制模式。

4 仿真结果与分析

在所建立的单电机重度混合动力系统行进间起动发动机过程动力学模型、电机协调转矩控制策略的基础上，利用Matlab/Simulink软件仿真平台，建立了行进间起动发动机控制仿真模型。仿真所用的主要参数见表1。

表1 行进间起动发动机仿真主要仿真参数

由于篇幅限制，文中仅给出ISG电机转速为1 000r/min、CVT变速器速比为1.526 7时行进间起动发动机控制的仿真结果，如图10所示。

由图可见：在行进间起动发动机过程中，当电机转速达到1 000r/min时，湿式多片离合器开始接合，电机较好地进行了转矩协调控制；当发动机转速大于等于电机转速之前，离合器所传递的转矩均为电机负载转矩。因此，电机协调转矩卸载同样必须根据离合器压力-转矩特性(图7)相应卸载，直到电机驱动转矩降为零，为保证冲击度要求，电机转矩卸载过程中，卸载速率受到整车冲击度的限制。

在整个仿真过程中电机转速无明显波动，发动机起动时间≤0.5s，冲击度主要出现在电机转矩卸载和单向离合器闭合后发动机转矩驱动车辆时，整车冲击度≤10m/s3，以上指标均满足相关性能要求。仿真结果表明了文中所建立的行进间起动发动机动力学模型正确性和电机转矩协调控制策略的有效性。

5 台架试验与结果分析

为了验证所提出的重度混合动力系统行进间起动发动机电机协调转矩控制策略的有效性，利用基于MICROAUTOBOX的dSPACE快速控制原型功能开发了单电机重度混合动力系统的硬件在环试验平台，如图11所示。混合动力系统主要部件的性能参数如表2所示。

表2 重度混合动力系统主要部件参数

为更好地与仿真结果进行对比分析，试验中诸参数的设置与仿真时相同。试验结果如图12所示。

由图可见，电机最大补偿转矩约为60N·m，电机最大转速波动绝对值为35r/min，发动机起动时间约为0.4s，整车冲击度满足平顺性要求。需要说明的是，本台架所使用的传统发动机喷油点火时刻为250r/min，在发动机点火以后，发动机电控单元介入对电机转速的波动和整车的冲击度造成了较大影响，这是由于实际条件限制，发动机没有根据控制策略进行进一步的标定和匹配。

6 结论

(1) 根据所提出的单电机重度混合动力系统的结构，对行进间发动机起动过程进行了动力学分析，建立了发动机起动过程的动力学模型，为电机协调控制策略的制定奠定基础。

(2) 通过试验获得了发动机3D特性曲面和ISG电机特性图，采用理论与试验相结合的方法，建立了湿式多片离合器压力-转矩特性，为电机协调控制策略提供了依据。

(3) 以保证行进间起动发动机过程整车的平顺性为目标，提出了电机转矩协调控制策略，建立了动力传动系统仿真模型并进行仿真分析，搭建了台架系统进行试验，结果表明所提出的电机协调转矩控制策略对行进间起动发动机过程的平顺性具有良好控制效果。

[1] Seth Leitman.插电式混合动力电动汽车开发基础[M].王震坡,等译.北京:机械工业出版社,2011.

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[3] 戴一凡,罗禹贡,边明远,等.一种新型强混合动力结构的控制策略[J].汽车工程,2009,31(10):919-923.

[4] 戴一凡,罗禹贡,边明远,等.单电机式强混合动力车辆控制策略[J].中国机械工程,2010,21(7):872-876.

[5] 杜波,秦大同,段志辉,等.新型混合动力汽车动力切换动态过程分析[J].汽车工程,2011,33(12):1018-1023.

[6] 杜波,秦大同,段志辉,等.新型并联式混合动力汽车模式切换协调控制[J].中国机械工程,2012,23(6):739-744.

[7] Anthony Smith, Norman Bucknor, Hong Yang, et al. Controls Development for Clutch-assisted Engine Starts in a Parallel Hybrid Electric Vehicle[C]. SAE Paper 2011-01-0870.

[8] 王加雪.双电机混合动力系统参数匹配与协调控制研究[D].长春:吉林大学,2011.

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

*国家自然科学基金(51305468)和中央高校基本科研业务费(CDJZR12110005)资助。

原稿收到日期为2012年12月6日。