P2混合动力离合器辅助发动机起动控制方法研究

赵彬宁甲奎 周达刘四海郑岩

（1.一汽解放事业本部商用车开发院，长春130011；2.中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春 130011）

主题词：P2构型 双离合器式自动变速器 离合器辅助起机 控制策略 HEV

1 前言

混合动力汽车具有对传统汽车动力总成继承性好、续驶里程长、节能减排效果明显等特点，是应对能源紧缺和环境污染问题的主流技术方案之一[1]。在混合动力汽车研究领域中，模式切换中发动机起动控制始终是重要的研究内容之一，如文献[2]提出通过发动机曲轴位置和拖转扭矩预估行星架输入端阻力的方法，目的是改善功率分流式混合动力系统模式切换性能；文献[3]和文献[4]重点研究了分离离合器和动力电机之间的扭矩协调控制，但未对离合器扭矩控制进行分析；文献[5]提出双离合器混合动力的转矩协调控制策略，但未考虑AMT离合器滑摩差控制问题。

本文以单电机双离合自动变速器前置结构的混合动力系统[6]作为研究对象，通过对离合器辅助发动机起动过程的分析，提出发动机起动过程中离合器和动力电机的协调控制策略，并通过模型仿真和整车试验对该控制策略进行了验证。

2 动力传动系统结构

单电机混合动力系统结构按电机布置位置的不同分别定义为P0、P1、P2等构型，其中P2构型的电机布置在发动机与变速器之间，主要包括发动机、分离离合器、电机和自动变速器，如图1所示。图1中，变速器采用湿式双离合器式自动变速器（DCT），分离离合器（C0）同样采用湿式离合器，其与动力电机集成在一起，称为离合器耦合电机（Clutch Coupling Motor，CCM）。C0离合器的主要作用是辅助发动机起动、传递发动机动力和切断发动机与电机的连接，实现停机功能。C0离合器的液压控制模块属于DCT液压控制系统的一个子模块，通过比例压力阀和比例流量阀来控制C0离合器的作动压力和冷却流量。为保证发动机起动过程的平顺，需要协调控制上述两个离合器与动力电机之间的扭矩。

图1 P2构型混合动力系统结构

3 传动系统动力学模型

为便于进行传动系统动力学分析，忽略了传动系统的弹性和动力传递损失，将整车阻力折算到DCT的输出端，因为模式切换过程中会尽量避免发动机起动与DCT换挡同时进行，所以在发动机起动过程中只有一个离合器接合传递动力，不考虑换挡双离合器扭矩交换的情况。简化的传动系统动力学模型见图2。

图2 简化的传动系统动力学模型

图2 中，Te为发动机飞轮端的扭矩，当发动机运行时表示飞轮端的输出扭矩，当发动机处于停机状态时表示发动机起动阻力矩；Tc0、Tm、Tc1、Tv分别为C0离合器扭矩、耦合电机扭矩、DCT离合器扭矩和等效到变速器离合器输出端的车辆阻力矩；ωe、ωccm、ωc1分别为发动机飞轮、离合器耦合电机、DCT离合器的角速度；Je、Jc0、Jm、Jv分别为发动机飞轮转动惯量、C0离合器转动惯量、动力电机转动惯量和等效到DCT离合器输出端的整车转动惯量；be、bc0、bm、bc1分别为发动机飞轮、C0离合器、动力电机和DCT离合器的阻尼系数。

在车辆纯电动行驶过程中，如果动力电池SOC低于一定阈值或电机功率无法满足驾驶员加速要求时则起动发动机。发动机起动控制方式主要有起动机起动和离合器辅助起动两种，本文主要对离合器辅助起动发动机控制方法进行分析。

纯电动驱动模式切换至发动机驱动模式主要经历纯电动行驶、发动机起动及发动机参与驱动3个过程，模式切换过程的动力学分析如下。

a.纯电动行驶过程中，C0离合器处于分离状态，电机驱动车辆行驶，其动力学方程为：

b.发动机起动过程。电机驱动车辆行驶，C0离合器接合拖动发动机起机，同时电机增加输出扭矩，用来克服发动机被拖动时产生的阻力矩，其动力学方程为：

式中，Te为发动机起动阻力矩。

c.发动机起动成功后进入正常运行状态，其输出扭矩经C0离合器传递给传动系统驱动车辆行驶，其动力学方程为：

湿式离合器处于滑摩状态时，离合器传递的扭矩主要与作用压力相关，其计算式为：

式中，n为离合器摩擦面数；μc0为离合器摩擦因数；Ac0为活塞作用面积；Rc0为摩擦片有效半径；Pin为液压油缸控制压力；Psp为湿式离合器回位弹簧压力；Ri、Ro分别为摩擦片内、外半径。

离合器辅助发动机起动过程中，如果离合器控制不当会使车辆出现顿挫或前冲感，为此采用冲击度对离合器控制平顺性进行评价[7]，其表达式为:

式中，j为冲击度；ωv为变速器输入轴角速度；rw为车轮半径，ig为挡位传动比，i0为主减速器传动比。

4 离合器控制方法

4.1 发动机起动控制过程

P2构型混合动力系统的C0离合器辅助起机控制过程见图3。

图3 离合器辅助发动机起动过程

如图3所示，起机前C0离合器完全分离，DCT离合器保持微滑摩状态，电机驱动车辆行驶（阶段1）；进入发动机起动过程时，先增大电机扭矩，提升电机转速，使DCT离合器滑摩差增大，控制C0离合器逐步接合（阶段2），电机根据C0离合器接合扭矩进行补偿，但由于补偿扭矩与实际负载扭矩之间存在偏差，电机转速通常会有波动（阶段2）；当将发动机飞轮拖动至设定转速范围内时，C0离合器分离，发动机自行喷油点火进入运转状态（阶段3）；发动机转速提升至电机转速，再接合C0离合器，最后将DCT离合器的较大滑摩差减小至微滑摩状态（阶段4）；此时发动机起动过程结束，DCT离合器保持微滑摩状态（阶段5）。根据以上分析制定了离合器辅助起动发动机控制策略，其流程如图4所示。

4.2 离合器辅助发动机起动控制策略

发动机起动控制涉及C0离合器、DCT离合器与动力电机之间的扭矩分配控制，平顺的离合器辅助发动机起动过程依赖这三者扭矩合理的协调控制和离合器滑摩控制。

4.2.1 离合器滑摩控制

离合器滑摩控制采用前馈+反馈并结合扭矩观测的控制方法，基本原理如图5所示。其中，ωref表示控制发动机要达到的目标转速；TFF表示前馈扭矩或开环扭矩，相当于离合器要传递的目标扭矩；Tcl表示闭环扭矩，是为了控制转速差在设定范围内，根据目标转速和实际发动机转速之间的偏差，通过比例-积分计算得到；Tob表示离合器观测扭矩（Obsever），是为了修正离合器控制目标扭矩与实际传递扭矩之间的偏差；K1和K2分别为比例、积分控制的系数。

图4 离合器辅助起机控制流程

图5 离合器扭矩控制原理

起机过程中，DCT离合器存在较大滑摩差，驱动车辆动力的大小主要由DCT离合器扭矩决定，因此车辆冲击度与离合器扭矩相关，则可将式（6）转换成离合器扭矩形式：

式中，η为传动系效率；m为汽车总质量；δg为旋转质量换算系数；rw为驱动轮滚动半径。

由式（7）可知，为实现平稳起机，DCT离合器扭矩不应有剧烈变化。

4.2.2 动力电机扭矩控制

当C0离合器接合拖动发动机转动时，电机除输出驱动车辆必需的扭矩外，还需额外输出扭矩用来补偿反拖发动机产生的阻力矩，以确保车辆不出现制动感。

电机扭矩控制目标值Tm计算式为：

式中，Tdri为电机用于驱动车辆的需求扭矩；Tcom为补偿扭矩，其作用是提高电机转速，增加电机与DCT离合器之间的滑摩差。

C0离合器完全接合后，电机转速与发动机转速同步，但与DCT离合器之间仍存在较大滑摩差，若要缩小二者的转速差，则电机扭矩控制目标值计算式为：

4.2.3 湿式离合器压力控制

由式（4）可知，为能实现湿式离合器的扭矩控制，还需要通过VFS阀来控制离合器工作压力，压力控制原理如图6所示。

图6 压力控制原理

5 仿真与试验结果分析

5.1 起机控制过程仿真分析

在MATLAB/Simulink平台上建立P2构型混合动力传动系统仿真模型，整车及关键部件参数见表1。

根据P2构型混合动力系统动力学原理，利用MATLAB/Simulink工具建立发动机起动过程仿真模型，如图7所示。

表1 整车及关键部件参数

图7传动系统仿真模型

图8 为车辆行驶过程中C0离合器辅助发动机起动仿真结果，当控制系统决定通过动力电机起动发动机时，C0离合器先充油建立压力至与湿式离合器弹簧压力相等，然后提升电机转速，控制C0离合器逐渐增加压力，与此同时电机控制器根据C0离合器扭矩进行补偿并提升电机转速，当C0离合器将发动机转速拖至起动转速时，C0离合器分离，发动机喷油点火自行控制转速达到电机转速附近，随后接合C0离合器，至此离合器辅助发动机起动控制过程结束。

仿真结果表明，C0离合器接合给整车带来的冲击度约为8 m/s3，表明该离合器辅助发动机起动控制策略能够有效将冲击度控制在要求（＜10 m/s3）[8]范围内。

图8 离合器辅助发动机起动控制仿真结果

5.2 整车试验

为验证离合器辅助起动控制策略的实际控制效果，进行了实车试验，试验结果如图9所示。由图9可看出，从命令C0离合器接合，到发动机起动成功后C0离合器再次接合，整个过程用时不超过2 s，并且冲击度不超过5 m/s3。测试结果表明，采用所提出的离合器辅助发动机起动控制策略能够实现电机驱动模式切换到发动机驱动模式的平稳过度，满足了整车平顺性要求。

图9 离合器辅助发动机起动控制整车测试结果

6 结束语

建立了P2构型混合动力系统的动力学模型，并对离合器辅助发动机起动的控制过程进行了仿真分析。制定了离合器前馈+反馈并结合扭矩观测的控制策略，通过增加电机转速与DCT离合器之间的滑摩差，避免了起机过程中转速波动给车辆带来的冲击，同时给出动力电机扭矩的控制方法，实现了扭矩的合理分配。仿真和试验表明，所提出的扭矩控制方法可有效避免P2构型混合动力系统离合器辅助起机过程的冲击，实现了发动机起动各阶段的平稳过度，确保了车辆行驶的平顺性和舒适性。