混合动力离合器启动发动机的控制策略研究

郭 伟，王书翰，刘 洋，刘献栋，董 鹏

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京100191；2.新能源汽车高效动力传动与系统控制北京重点实验室，北京100191；3.中国运载火箭技术研究院，北京100076）

混合动力离合器启动发动机的控制策略研究

郭 伟1,2，王书翰1,2，刘 洋3，刘献栋1，董 鹏1,2

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京100191；2.新能源汽车高效动力传动与系统控制北京重点实验室，北京100191；3.中国运载火箭技术研究院，北京100076）

研究了P2结构混合动力传动系统通过IMG电机和混动离合器对发动机的启动控制。建立了与发动机启动过程相关的关键物理模型和控制策略模型，并分析了模型物理参数和控制参数对启动性能的影响。通过仿真发现，发动机的启动转速、混动离合器的压力控制都会对发动机的启动时间和舒适性造成影响。在发动机启动过程中，对换挡离合器采用滑摩的控制方式来消除混动离合器压力与控制转矩不匹配时产生的冲击。通过对发动机转速的超调量进行监控，动态地自适应调整混动离合器的控制压力以保证控制效果的一致性。为了兼顾不同油门下对发动机启动过程的动力性和舒适性的要求，通过离合器压力控制，对小油门工况采用舒适型启动控制，对大油门工况采用动力型启动控制。整车的试验结果对离合器启动发动机的控制过程进行了验证，从启动时间和舒适性角度满足整车对启动性能的要求。

混合动力；双质量飞轮；启动控制；离合器控制；速度控制

混合动力汽车［1-4］不仅燃油经济性高，驾驶性能优越，而且由于有驱动电机的助力，还可以优化发动机（ICE）的经济工作区域以降低油耗。混合动力汽车是在驾驶员对整车动力性、经济性和国家对排放与油耗法规要求的驱动下，以及电机和电池技术水平提高的前提下发展起来的，但是在大力推广过程中仍然存在一些问题，其中最主要的问题是成本因素。由于增加了电机、电池等硬件，产品价格大幅提高。而通过提高软件的控制性能来降低对硬件的要求甚至取消部分硬件是一种有效的方法。

根据P2［5-7］结构混合动力的特点，发动机和IMG（Integrated Motor Generator）电机［8］通过离合器连接，控制离合器的压力可以将IMG电机的转矩输出到发动机输出端，从而带动发动机到点火转速实现发动机启动。这样不仅可以取消传统整车上的发动机启动电机减少产品成本，还可以减小整车发动机舱内各部件的空间布置压力。

1 P2混合动力系统结构

P2混合动力传动系统结构如图1所示，动力系统中发动机和IMG电机共同提供动力驱动整车。发动机通过双质量飞轮（DMF）［9］与变速器的混动离合器C0的主动端相连，IMG电机与C0的从动端相连，C0的从动端与变速器的输入轴相连。变速器的输出轴通过差速器与整车的前轴相连。当C0打开时，IMG电机提供整车驱动力矩进入纯电动模式。在发动机熄火时，通过C0的压力控制可以实现对发动机的启动控制，同时保证传动链对动力的传递。发动机启动后对IMG电机充电进入发动机驱动充电工作模式，或者和IMG电机一起驱动整车进入并联［10-12］工作模式，或者单独驱动整车进入纯发动机工作模式。

在C0启动发动机的控制过程中，尤其是在发动机点火过程不稳定且转矩也比较难控制的情况下，为了避免发动机的振动通过变速器传递到输出轴，可以考虑在C0与变速器输入轴之间增加一个扭转减振器，但是由于前置前驱变速器的轴向尺寸要求比较难布置，所以一般应用在纵置变速器中。从控制角度可以对换挡离合器进行滑摩控制形成缓冲阻尼来吸收振动。

图1 P2混合动力传动系统结构

P2混合动力自动变速器（Automatic Transmission，AT）结构方案如图2所示，它是在传统的8AT基础上，取消液力变矩器，增加混动离合器C0，再与ISG电机和电子油泵组合而成。为了提高油泵的工作效率降低转矩损失，同时保证低速和停车时对系统压力的需求，采用机械泵（MOP）和电泵（EOP）共同工作的设计方式。由于ISG电机是布置在变速器上，可以采用液力驱动方式控制C0，不仅结构简单成本低，还能充分利用液压系统设计对电机和C0进行润滑冷却。

图2 P2-8AT混合动力自动变速器结构方案

2 ICE启动过程建模

2.1 ICE动态性能建模

发动机启动过程控制受发动机工作特性的影响很大，传统发动机是通过启动电机的齿轮与发动机飞轮啮合输出转矩启动，启动电机的功率只有不到2 kW，只能将发动机带到300～400 r/min附近，达到怠速转速需要发动机主动喷油控制。而采用C0启动方式，IMG电机通过离合器与发动机相连，输出功率可以达到50 kW以上，可将发动机直接拖到怠速以上。相比传统启动方式，C0启动方式不但可以提高发动机的启动响应速度和提升发动机启动过程中的NVH性能，还可提高发动机主动喷油点火的转速，避开怠速前的发动机低效工作区域，降低油耗，同时减小发动机启动冲击转矩。为了更好地研究C0启动发动机的性能，需对发动机启动过程的工作特性进行分析。

只考虑发动机活塞、连杆和曲柄的刚体运动如图3所示，发动机单缸体的运动方程可表示为：

式中：TL为发动机曲柄端的外部转矩，Nm； TP为气缸压力转矩，Nm；Tf为发动机摩擦转矩，Nm；Ta为发动机惯性转矩，Nm。

图3 发动机单缸体运动模型

发动机的惯性转矩由旋转惯性转矩Trot和往复惯性转矩Trec组成，而且通过特征量K的引入，活塞往复运动动力学方程描述为：

式中：Je为每个活塞的等效转动惯量，kg/m2；m为活塞往复运动的质量，kg；R为曲柄半径，m；L为连杆长度，m；θ为曲柄转交转角，rad；ωr为曲柄的转速，rad /s；K为每个活塞的等效转动惯量，kg/m2。

在启动过程中，进排气门按照气门正时规律开合。不考虑进排气门正时的影响，利用理想气体的“进气—压缩—膨胀—排气”的过程简单模拟发动机一个循环过程的四冲程，对于压缩比为ε的气缸，气缸内气压施加在曲柄上的转矩TP表示为：

式中：D为气缸直径，m；fp为气缸压力变化函数。

每个气缸的总摩擦转矩被看成是6个不同发动机零部件的线性摩擦转矩之和。每个气缸受到的摩擦转矩包括：活塞裙部摩擦转矩Tf（1），阀件系统的摩擦转矩T（f2），附件和无载荷轴承转矩T（f3），承载轴承转矩Tf（4），活塞环黏性润滑Tf（5），混合润滑区域摩擦转矩Tf（6），即每个气缸受到的摩擦转矩可表示为：

式中：ai为各摩擦转矩的计算因子。

2.2 双质量飞轮模型

双质量飞轮（DMF）是扭振减振器，它对汽车运行过程和发动机启动过程的舒适性贡献很大，它在降低振动和噪声的同时，还能起到舒缓冲击的作用。通过DMF连接发动机和变速器，降低了连接刚度，隔离了发动机振动的传递。在C0启动发动机的过程中，启动力矩通过DMF传递到发动机的飞轮端，因此它的刚度和阻尼特性将会很大程度地影响启动发动机的性能，针对这个问题德国的ZFSachs公司开发了一款新型DMF。这种DMF由多级螺旋弹簧作用在摩擦元件上（图4），当第一质量块受到挤压后，螺旋弹簧通过摩擦元件径向挤压飞轮的第二质量块并建立摩擦阻尼。其摩擦特性可以衰减发动机启动过程的振动。根据图4中质量块的受力分析可以建立单体摩擦转矩计算模型，如式（6）所示。

式中：μ为摩擦元件的摩擦因数；Tvisc_i为单一质量块的粘性阻力矩，Nm；μvisc为粘性阻尼系数；Ni为单一质量块的径向压力；Δθi为螺旋弹簧的弹性形变量；KDMF为螺旋弹簧的刚度。

2.3 整车的悬置系统模型

为了评估和优化发动机启动过程的舒适性，发动机和变速器与整车的悬置刚度、阻尼是必须考虑的问题。发动机和变速器的动力总成是通过一组低刚度的悬置系统固定在整车的发动机舱里。在发动机启动过程中，由于发动机转矩和惯性力的振动，作用在如图5所示的垂直方向和旋转方向（为了简化模型，只考虑了这两个自由度方面的影响因素）上，最终都会通过悬置传递到整车上。

图5 发动机和变速器在整车上的自由度

2.4 参数对ICE启动性能的影响

2.4.1 双质量飞轮的刚度kDMF

为了研究DMF的刚度对发动机启动过程的影响，通过改变DMF弹簧的刚度来改变DMF转速在600 r/min到1 000 r/min之间的固有频率。通过仿真可以得到悬置安装在整车上的发动机和变速器的受力情况（不考虑重力因素），如图6所示。由图可知，增加DMF的刚度可以降低20%以上的悬置受力波动振幅。目前主流的DMF设计一般倾向于降低刚度，这样有利于降低发动机的怠速转速从而降低油耗。但是低刚度并不太适合发动机启停控制，因此为了提高启动舒适性，适当提高发动机的怠速转速比较有利，因为混合动力系统中发动机转速一般工作在1 500 r/min以上。此外，通常设计更硬的DMF以便进一步减小动力总成在整车的布置空间。

2.4.2 发动机启动力矩的影响

另一个影响发动机启动速度和舒适性的控制参数是C0的启动力矩。在两种不同的C0启动力矩的控制下发动机的转速和悬置受力情况，如图7所示。在C0离合器60 Nm的启动力矩下，发动机需要0.6 s以上的时间才能达到目标转速1 500 r/min，此时悬置受力振幅较小，C0的启动力矩提升至100 Nm时，发动机转速在0.35 s左右便可以达到目标转速，但是此时悬置受力的振幅大幅增加，这样就更容易产生冲击，对悬置的设计要求就更高，否则极易造成启动冲击传递到整车。所以C0的控制是优化启动发动机过程的关键。

图6 DMF的刚度对启动性能的影响

图7 启动力矩对启动性能的影响

3 C0启动发动机的控制原理

对于C0启动发动机的控制目标主要包括启动的响应性和舒适性，响应性可以通过增加发动机的启动力矩实现，舒适性需要减小C0启动发动机过程中的变速器输入轴转矩突变。纯电动工作模式进入并联驱动工作模式时，通过C0启动发动机的控制过程，按照C0的压力PC0控制过程可以分为6个阶段，如图8所示。

图8 C0启动发动机控制过程

阶段1：该阶段是C0主动启动发动机过程，对启动的最低转速要求应保证发动机能够从主动喷油点火运行到怠速转速之上。也可以通过C0将发动机拖行至输入轴转速之下的任何一个转速。通过C0的压力控制产生一个脉冲转矩TC0，该脉冲转矩又通过DMF作用在发动机的输出轴上用来启动发动机。C0的脉冲压力越大，产生的脉冲转矩也越大，此时C0作用在变速器输入轴的转矩负载也越大。根据输入轴转矩计算Tin=TC0+TIMG，C0产生的负载必须通过增加IMG电机转矩TIMG来平衡才能够保证输入轴转矩Tin在启动发动机过程中保持不变，也才不致产生启动冲击。这就对PC0和TIMG有着较高的控制要求，不仅包括控制精度还包括响应时间。

阶段2：该阶段是发动机主动喷油点火调速过程，此时发动机产生的转矩对变速器输入轴而言仍是负转矩，且点火产生的激振会通过C0传递到变速器上，为了保证舒适性，可使C0脱开，断开发动机与变速器之间的关联。PC0的压力可以控制在离合器的接触压力之下，这样既保证C0不传递转矩，又能避免再次充油，提高C0控制响应性。当发动机转速nICE大于电机转速nISG后，退出阶段2。

阶段3：该阶段是通过增加C0压力使离合器转矩TC0与发动机转矩TICE控制达到平衡的控制过程。发动机传递到变速器输入轴上的转矩与C0的压力相关。当TC0＜TICE时，发动机转速会继续上升，当TC0＞TICE时，发动机转速开始下降，寻找发动机转速nICE变化的临界点是后续阶段通过PC0实现速度闭环控制和自适应控制的基础。

阶段4：该阶段是通过C0压力控制实现滑差消除的阶段。PC0压力增加越快，C0滑差消除越快，同时越容易产生拖拽感，所以PC0的控制需要与发动机输入的转矩匹配。

阶段5：该阶段是C0快速压紧并达到最大控制压力的过程。

阶段6：该阶段是发动机和电机转矩交换的过程。C0完全闭锁后，便可进行转矩的交换控制。

4 C0启动发动机的特性动态仿真

4.1 ICE在不同的转速下启动的影响

通过C0拖行发动机至1 600 r/min附近后，发动机点火，在发动机转速nICE超过电机转速nIMG以后，C0结合，如图9a所示。在C0启动发动机的过程中，需要通过IMG电机增加转矩来平衡发动机的负载，保证输入轴转矩Tin的稳定。在发动机达到目标转速后，C0压力PC0和IMG电机转矩下降，发动机开始自行点火来控制目标转速跟随IMG电机转速。由于发动机在C0完全脱开后才能点火，所以发动机转速会存在小幅的下降。发动机点火转速与IMG电机转速比较接近，所以发动机启动后控制的转矩可以比较低，转速的超调量比较小，从仿真结果看从C0启动发动机到C0速度同步用时1.4 s。在C0结合后，发动机转矩增加为IMG电机充电进入发动机充电驱动工作模式。

图9 发动机在不同转速下的启动仿真

通过C0拖行发动机至500 r/min，发动机再自行点火启动的运行工况，如图9b所示。发动机点火之后，转速快速上升，由于C0的压力响应存在一定的滞后，C0相对于发动机而言产生的负转矩小于发动机输出的净转矩，发动机产生了400 r/min 的超调量，然后随着C0的转矩增加，发动机转速逐渐下降，最后完成速度同步。由仿真结果可知，从C0启动发动机到C0速度同步用时0.7 s。

对比两种仿真工况可知，发动机点火的转速越低，发动机调速的区域越大，就可以增加发动机调速时控制的转矩。随着发动机转速的增加，产生的阻力力矩也随着增加，在相同的TC0下，发动机转速上升速度将会下降，此外，通过C0调速的过程受限于IMG电机的最大转矩容量。

4.2 C0控制对ICE启动的影响

在C0启动发动机的过程中，涉及到发动机控制单元EMS对发动机转矩的控制，IMG电机控制单元MCU对电机转矩进行控制，变速器控制单元TCU对C0压力的控制。这三种控制由不同的控制器完成，这给控制增加了非常大的难度。C0压力控制对启动过程的影响如图10所示。当IMG电机的增加转矩相对于C0的实际压力存在滞后时，输入轴的转矩Tin将会出现如图10所示的转矩冲击，并导致区域Ⅰ所示的输入轴转速的波动并造成冲击。由于C0的压力在启动发动机过程中属于开环控制，而实际的压力响应受C0液压系统［13-15］的泄漏、弹簧特性、电磁阀特性等因素的影响而存在20～50 ms的误差，且无法检测。为了解决这一问题，从硬件上，可以在C0的后端增加扭转减振器进行缓冲，还可以提高C0的压力控制精度，但这些方法均存在一定的局限性且会增加成本。从控制上，可以使用换挡离合器进行滑摩控制，使输出到变速器输出轴的转矩稳定，此外，还可以监控C0启动过程中输入轴的加速度变化情况，对IMG电机的增加转矩请求时间进行自适应动态调整。

当发动机转速大于IMG电机转速时，C0压力开始快速上升，则发动机负载增加，致使发动机转速停止上升并下降。但是如果在阶段2的C0压力PC0_B偏低，会导致在阶段3的C0压力上升过程存在较大迟滞，而C0的转矩TC0也将随之出现迟滞，导致发动机转速nICE持续上升，直到PC0实际压力能够跟上。仿真结果如图10中的区域Ⅱ，nICE出现了550 r/min的超调，这样会影响整个启动过程的时间以及C0的寿命。提高PC0_B的压力可以降低压力的迟滞，但是如果此阶段的C0传递转矩严重影响了发动机启动的平顺性，则需要根据发动机转速“飞车”程度对PC0_B压力进行动态学习调整，找到最佳的控制压力点。

图10 C0压力控制对启动过程的影响

5 C0启动ICE的优化控制

为提高发动机启动过程的舒适性，可以考虑通过换挡离合器的滑摩控制进行缓冲。因为让闭锁的离合器进入滑摩状态后，从输入轴传递到变速器输出轴的转矩将与换挡离合器的控制压力相关，作用在变速器输入轴的转矩冲击将会被滑摩的换挡离合器吸收。这种控制方式可以大幅降低来自发动机启动过程中的转矩冲击，以及C0压力控制与IMG电机转矩控制的匹配误差，提高启动舒适性。在与图10相同的外部仿真输入条件下，增加换挡离合器的滑摩控制得到的仿真结果如图11所示。在C0启动发动机之前，降低其中一个闭锁的换挡离合器压力Psft，使其开始滑摩，即IMG电机转速大于目标输入轴转速nTaraet_In。当nIMG-nTaraet_In大于一定值后，C0开始启动发动机，虽然发生了C0转矩和IMG电机转矩不匹配导致输入轴转矩产生冲击的情况，但是由于换挡离合器压力Psft平稳，所以从目标输入轴转速nTaraet_In上看不出明细波动。只是IMG电机转速nIMG出现了“掉坑”，而换挡离合器压力Psft因为PI控制的影响会随着nIMG-nTaraet_In的减小而减小，同时IMG电机负载减小，使nISG又逐步上升。当发动机转速nICE大于电机转速nISG时，C0开始快速结合。考虑到图10中的IMG电机转速超调严重，所以图11中阶段2的C0控制压力PC0_B从60 kPa提高到100 kPa，这样C0压力的迟滞减小，IMG电机转速超调大幅减弱。当C0的滑差消除完成结合后，可以增加换挡离合器的压力Psft重新进入闭锁状态，完成整个发动机的启动过程。

图11 换挡离合器滑摩控制

6 整车试验分析

汽车行驶过程中，发动机启动触发条件有两个：一是动力性因素，即驾驶员需要快速启动发动机提供驱动力；二是非动力性因素，即整车运行到另外一个工况点时，需要启动发动机，从而保证各功率源以最佳动力状态输出，此时的关键是保证发动机启动过程的舒适性。所以发动机启动过程可以分成动力型启动和舒适型启动。

6.1 舒适型ICE启动控制

舒适型慢启发动机整车测试结果如图12所示。由图可知，发动机转速从0到2 500 r/min的启动时间为1 s，在启动过程中，C0的控制压力只有300 kPa，降低了IMG电机的负载，避免产生拖拽感，C0启动控制的目标转速为800 r/min ，耗时0.5 s。在800 r/min之后，发动机主动调速至IMG电机转速之上，然后控制C0的压力控制逐渐实现速度同步。在整个控制过程中，换挡离合器一直保持滑摩状态，整车加速度曲线比较平稳，控制的品质非常好，满足舒适性控制要求。

图12 舒适型慢启发动机整车测试结果

6.2 动力型ICE起动控制

动力型快启发动机整车测试结果，如图13所示。由图可知，发动机启动转速从0到2 500 r/min的启动时间为0.5 s，与舒适型启动方式相比节省了0.5 s。在启动过程中，C0的控制压力提高到400 kPa，增加了发动机的启动转矩后，当发动机转速达到800 r/min 时，发动机开始主动控制输出转矩，在C0压力和发动机转矩TICE的作用下，发动机转速快速上升。当发动机转速接近IMG电机转速时，C0压力快速下降以避免C0传递的转矩因C0滑差的方向改变导致的转矩突变而产生冲击。当发动机转速超过IMG电机转速时，C0压力快速上升并压紧完成发动机的启动过程。整车加速度曲线平稳，没有出现明显冲击，在快速启动时间和舒适性两方面均满足控制要求。

图13 动力型快启发动机整车测试结果

7 结论

本文介绍了对于P2混合动力结构方案采用IMG电机通过C0启动发动机的控制方法，经分析研究获得以下成果：

（1）建立了影响发动机启动过程的关键模型并对启动过程中的特性参数和控制参数进行了分析。

（2）介绍了C0启动发动机的控制原理和过程，并对发动机在不同的转速下启动和C0控制对发动机启动的影响进行了动态仿真；分析了C0启动发动机到不同转速的影响和C0压力控制对启动过程控制的影响。

（3）通过对换挡离合器进行滑摩控制，优化了C0启动发动机的过程，提高了启动舒适性。

（4）通过整车测试验证了舒适型和动力型发动机启动的控制过程，并通过试验数据验证了启动过程的时间要求和舒适性要求。

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作者介绍

责任作者：王书翰（1979-），男，辽宁大连人。博士，副教授，主要从事车辆传动技术研究。

Tel：010-82338121；13911419136

The Control Strategy Research of Engine Start with Hybrid Clutch

GUO Wei1,2，WANG Shuhan1,2，LIU Yang3，LIU Xiandong1，DONG Peng1,2
（1. School of Transportation Science and Engineering，Beijing University，Beijing 100191，China; 2. Beijing Key Laboratory for High-efficient Power Transmission and System Control of New Energy Resource Vehicle，Beijing 100191，China；3. China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

The engine start control by using the IMG motor and hybrid clutch based on the P2 hybrid power system was studied. The key physical model and control model related to the engine start process were established to analyze the influences of physical and control parameters on engine start performance. Simulation results demonstrate that, the target speed during the engine starting and pressure control for the hybrid clutch can affect the engine start time and occupant comfort. For shifting the sliding friction control is used to eliminate the impact of the mismatch between the hybrid clutch control pressure and control torque during the engine starting control process. The control pressure was adaptively adjusted to ensure the consistency of responses by monitoring the overshoot of engine speed. In order to take into account the requirements of both dynamic performance and occupant comfort, the engine start with more comfort is applied under the “small gas pedal” condition and with better dynamic performance under the“big gas pedal” condition by using clutch pressure control. The vehicle test results show that the starting time and comfort can meet the vehicle performance requirements for engine start.

hybrid power；dual mass flywheel；start control；clutch control；speed control

U463.2

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.05

郭伟（1963-），男，湖北咸宁人。博士，主要从事车辆传动技术研究。

2017-01-01 改稿日期：2017-04-05

国家自然科学基金（51405010）

参考文献引用格式：

郭伟，王书翰，刘洋，等. 混合动力离合器启动发动机的控制策略研究［J］. 汽车工程学报，2017，7（4）：270-279.

GUO Wei，Wang Shuhan，LIU Yang，et al. The Control Strategy Research of Engine Start with Hybrid Clutch［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(4)：270-279.(in Chinese)

Tel：010-82338121；18562598001