ISG型混合動力汽車發(fā)動機起動過程控制仿真分析

王俊華，肖 愷，黎潤東，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（廣州汽車集團有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

ISG型混合動力汽車發(fā)動機起動過程控制仿真分析

王俊華，肖 愷，黎潤東，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（廣州汽車集團有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

發(fā)動機自動起停是混合動力汽車節(jié)能減排的重要手段，對混合動力汽車的起動性能提出了更高的要求?；旌蟿恿ζ嚨腎SG（Integrated Starter Generator）起動相比傳統(tǒng)車的起動機起動可以獲得更好的油耗、排放、振動和噪聲性能。文中結合所研發(fā)的ISG型混合動力汽車，通過試驗分析現(xiàn)有發(fā)動機起動過程的控制效果。為解決現(xiàn)有控制算法存在的轉速超調(diào)量大的問題，設計了發(fā)動機起動過程的轉速閉環(huán)控制算法，搭建了控制器和被控對象仿真模型。通過仿真分析研究了不同控制參數(shù)對起動過程轉速控制效果的影響，得出了減少發(fā)動機噴油轉矩和提高ISG轉矩變化率限制可以改善轉速控制效果的結論，為后續(xù)控制算法的改進和實車控制參數(shù)的標定提供了依據(jù)。

混合動力汽車；自動起停；起動；轉速控制

0 引 言

當前，全球汽車工業(yè)正面臨著能源短缺和環(huán)境污染的巨大挑戰(zhàn)，節(jié)能、減排已經(jīng)成為全球汽車工業(yè)的廣泛共識。純電動汽車由于電池技術的瓶頸，使其無法在合理的成本下獲得較高的續(xù)駛里程。燃料電池汽車則由于催化劑的高昂價格使其成本居高不下。短期內(nèi)，最有市場化前景的新能源汽車依然是混合動力汽車[1]?；旌蟿恿ζ囕^傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車具有更好的燃油經(jīng)濟性能和排放性能，因而成為國內(nèi)外各汽車廠商研發(fā)的熱點[2-3]?；旌蟿恿ζ嚳赏ㄟ^減小發(fā)動機排量、調(diào)節(jié)發(fā)動機工作區(qū)間、發(fā)動機怠速停機以及制動能量回收等方式有效降低汽車能耗以及排放[4]。

在混合動力汽車中，發(fā)動機自動起停是改善整車燃油經(jīng)濟性和降低排放的有效措施[1]。有研究表明，在美國城市工況下，怠速油耗占到整個循環(huán)工況油耗的17%[5]。據(jù)估算，混合動力汽車自動關閉發(fā)動機在城市工況可節(jié)油10%[1，6-7]。

在傳統(tǒng)車上，由于不存在發(fā)動機頻繁起停的現(xiàn)象，因而起動過程的油耗、排放、噪聲和振動問題對整車性能的影響并不明顯。相反，對于混合動力汽車，由于發(fā)動機起停十分頻繁，發(fā)動機起動性能必須引起重視。不同的控制方法和控制參數(shù)對于車輛的油耗、排放、噪聲和振動等起動性能有重要影響。目前的研究主要集中在發(fā)動機起動過程動力學仿真[8]、起動阻力模型[9]和起?？刂撇呗约捌鋬?yōu)化方面[7]，而對于ISG起動發(fā)動機過程的控制方法研究則相對較少。

文中通過試驗研究了自主研發(fā)的ISG型混合動力汽車現(xiàn)有的起動過程，分析了其存在的問題。在此基礎上，提出了轉速閉環(huán)控制的起動過程控制算法，并通過仿真分析研究了不同控制參數(shù)對起動性能的影響，為后續(xù)控制算法的改進和實車參數(shù)標定提供了依據(jù)。

1 混合動力汽車系統(tǒng)結構

圖1所示是某混合動力汽車結構圖。在發(fā)動機前置前驅的傳統(tǒng)AMT變速箱汽車的基礎上，在發(fā)動機曲軸輸出端裝有ISG，發(fā)動機和ISG的轉矩共同經(jīng)過離合器與AMT變速器相連，通過前差減總成傳遞到前軸，進而驅動車輛。ISG為可逆電機，既可以工作在電動機模式為車輛提供驅動力，也可以工作在發(fā)電機模式產(chǎn)生電能。ISG還可以用作起動機以實現(xiàn)自動起停功能。相比起動電機，ISG可以提供更大的轉矩輸出，加快發(fā)動機起動速度，但需要不同的控制方法和參數(shù)以減小超調(diào)。

2 現(xiàn)有起動過程的試驗分析

現(xiàn)有的起動過程控制與傳統(tǒng)車十分相似，在需要起動時，ISG模擬傳統(tǒng)車的起動機，將發(fā)動機拖動到較低的轉速（如200 r/min）后，發(fā)動機開始噴油，后續(xù)由發(fā)動機按照傳統(tǒng)車起動過程的控制方法完成起動。該方法不需要重新標定EMS起動過程的控制參數(shù)，實現(xiàn)起來較為簡單。但是，由于仍采用傳統(tǒng)車的起動過程控制方法，考慮到水溫、油溫較低的情況下汽油霧化情況不佳，為避免失火而采取一定的過濃混合氣來保證足夠的起動轉矩，相應的會造成發(fā)動機起動過程油耗高、排放差、噪聲和振動明顯的問題[10-11]。

圖2給出了現(xiàn)有起動過程的實車測試數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，起動開始后，ISG轉矩在0.25 s之后達到最大值，在0.48 s發(fā)動機轉速首次達到怠速轉速，在1.82 s發(fā)動機轉速穩(wěn)定（進入900±45 r/min區(qū)間）。從圖中可以看出，起動開始約0.7 s后發(fā)動機轉速超調(diào)達到約50%，轉速最大值超過1 400 r/min?，F(xiàn)有的起動過程控制算法由于仍采用傳統(tǒng)車的起動控制算法，發(fā)動機通過過濃混合氣來保證起動轉矩，是一種開環(huán)控制，不可避免的存在超調(diào)量大，起動性能較差的問題[12]。

由于傳統(tǒng)車一般每次駕駛循環(huán)僅需起動一次，因而起動過程的油耗、排放以及噪聲和振動問題并不十分顯著。但是，對于具有自動起停功能的混合動力汽車，通常在一次駕駛循環(huán)需要起動數(shù)次甚至數(shù)十次，這些問題對整車性能的影響十分顯著。因而，有必要對現(xiàn)有的起動性能進行優(yōu)化。

3 ISG轉速閉環(huán)控制的起動策略

為改善起動過程的油耗、排放以及振動和噪聲問題，文中提出一種發(fā)動機起動過程的轉速控制算法。該算法仍采用ISG作為起動機，但由于ISG相比起動機具有較大的轉矩能力，因而利用ISG將發(fā)動機拖動到接近怠速轉速再開始噴油，從而降低油耗和排放；且由于ISG響應迅速，可以在整車起動過程中利用ISG對發(fā)動機轉速進行調(diào)節(jié)，使轉速按照預設上升率平穩(wěn)上升，減少轉速超調(diào)，從而改善起動過程的噪聲和振動問題。

該控制算法在VCU（整車控制器）中實現(xiàn)，圖3給出包含VCU、ISG、EMS以及CAN總線在內(nèi)的電控系統(tǒng)結構圖、VCU發(fā)動機起動控制模塊的原理框圖。該控制算法主要包括目標轉速計算模塊、轉速PI調(diào)節(jié)模塊、ISG轉矩限制模塊和噴油控制模塊。目標轉速計算模塊根據(jù)起動過程持續(xù)時間查表得到當前期望的發(fā)動機轉速作為目標轉速。為了得到一個較為平滑的起動過程，將目標轉速設置為隨時間變化的斜坡函數(shù)，發(fā)動機目標轉速按固定斜率上升，直至達到怠速轉速（900 r/min）。目標轉速與實際轉速之差輸入PI控制器從而計算出合適的ISG轉矩需求，經(jīng)過ISG限制模塊后作為ISG轉矩指令發(fā)送給ISG執(zhí)行。ISG轉矩限制模塊主要對ISG的轉矩變化率和轉矩峰值進行限制，以起到對ISG部件的保護作用。噴油控制模塊通過將發(fā)動機轉速與噴油轉速閾值進行比較，從而在發(fā)動機轉速達到預設值時向EMS發(fā)送噴油指令。

4 仿真模型

為了快速考察不同控制參數(shù)的影響并為實車標定提供指導和依據(jù)，建立了發(fā)動機起動過程轉速閉環(huán)控制的仿真模型。仿真模型由兩部分組成，分別是控制器模型和被控對象模型。其中控制器模型按照前述控制算法搭建。被控對象模型的結構如圖4所示。被控對象包括發(fā)動機和ISG兩部分，發(fā)動機轉矩和ISG轉矩共同作用于發(fā)動機和ISG的轉動慣量之和，經(jīng)過積分器得到發(fā)動機轉速。ISG轉矩的動態(tài)響應用一階慣性環(huán)節(jié)模擬，其時間常數(shù)通過電機臺架試驗測得。

在收到噴油指令前，發(fā)動機轉矩僅為摩擦轉矩，不同水溫和轉速下對應的摩擦轉矩通過臺架試驗測得。在收到噴油指令后，發(fā)動機轉矩隨發(fā)動機水溫、轉速和噴油持續(xù)時間變化，通過對大量實際數(shù)據(jù)的分析，總結成不同水溫下發(fā)動機轉矩隨轉速和噴油持續(xù)時間變化的多張表格，從而建立起動過程中發(fā)動機轉矩產(chǎn)生的模型。

5 轉速閉環(huán)控制的仿真分析

在搭建了仿真模型之后，就可以快速地對發(fā)動機起動過程的轉速閉環(huán)控制進行仿真分析，考察不同參數(shù)的控制效果（目標轉速上升斜率、發(fā)動機噴油轉速、ISG轉矩變化率、PI控制參數(shù)等）。值得說明的是，還可以通過調(diào)整被控對象的參數(shù)，考察被控對象參數(shù)對控制效果的影響，如噴油后的發(fā)動機轉矩大小對控制效果的影響（用相對于傳統(tǒng)車起動轉矩的百分比表示）。為突出重點，文中僅考慮暖機起動的情況，暫不考慮不同發(fā)動機水溫條件下的差異。目標怠速轉速設置為900 r/min，發(fā)動機噴油轉速設置為700 r/min。ISG轉矩響應時間常數(shù)設置為50 ms。表1給出了5組具有典型意義的仿真參數(shù)。

針對第1組參數(shù)，較大的Kp參數(shù)會使系統(tǒng)失穩(wěn)，經(jīng)過不斷嘗試，控制器選取Kp=0.2，Ki=0.5時可得到較好的控制效果。仿真結果如圖5所示。圖5（a）給出了發(fā)動機期望轉速、實際轉速以及轉速差（目標轉速減實際轉速）隨時間變化的曲線；圖5（b）給出了ISG轉矩需求、ISG實際轉矩、發(fā)動機轉矩以及總轉矩（ISG實際轉矩+發(fā)動機轉矩）隨時間變化的關系。從圖中可以看出，在發(fā)動機噴油前，發(fā)動機實際轉速可跟隨目標轉速曲線上升，轉速差在0.5 s后小于30 r/min，發(fā)動機噴油后，從轉矩圖可以看到，一方面發(fā)動機轉矩有一個較大的正向突變（約100 Nm），相當于給系統(tǒng)引入一個較大的擾動；另一方面，ISG的轉矩往負向調(diào)整，由于變化斜率的限制，導致總轉矩調(diào)整過程緩慢。以上兩個方面導致轉速發(fā)生超調(diào)（轉速超過1 200 r/min，超調(diào)量345 r/min），穩(wěn)定時間較長，穩(wěn)定到怠速轉速（900 ±45 r/min）的時間1.51 s。

為了獲得更好的轉速跟隨效果和更小的轉速超調(diào)，從而改善振動和噪聲性能，一是要減小發(fā)動機噴油后的轉矩輸出，二是要提高ISG轉矩變化率的限制。第2組仿真參數(shù)將發(fā)動機噴油后轉矩降低為原來的20%，其他參數(shù)不變，仿真結果如圖6所示。發(fā)動機轉速超調(diào)量明顯減小，只有68 r/min。穩(wěn)定到怠速轉速的時間也縮短為1.26 s。從轉矩變化曲線可以看出，噴油后發(fā)動機轉矩突變減?。ㄖ良s40 N·m），這說明，減小發(fā)動機噴油后的轉矩輸出可以實現(xiàn)更好的轉速控制效果。

第3組參數(shù)在第2組參數(shù)的基礎上調(diào)整控制器的PI參數(shù)，通過反復嘗試獲得較優(yōu)的PI控制參數(shù)Kp=0.5，Ki=0.4。如圖7所示，在Kp從原有的0.2提高到0.5時，轉速超調(diào)進一步減小到41 r/min，穩(wěn)定到目標轉速的時間也縮短為0.89 s。這說明，在較小的發(fā)動機噴油轉矩下，可以采用更大的P參數(shù)以獲得更好的控制效果。

在第3組參數(shù)的基礎上，第4組參數(shù)將目標轉速上升率增加到2000 (r/min)/s，PI參數(shù)反復嘗試調(diào)整至Kp=0.35，Ki=0.4，圖8給出了這組參數(shù)的仿真結果?？梢钥闯?，轉速跟隨效果變差，超調(diào)量增加到296 r/min。從轉矩曲線可以看出，ISG轉矩已經(jīng)受到變化斜率限制。這說明，在目標轉速上升率加快時，系統(tǒng)控制難度增加，對ISG轉矩變化率提出更高的要求。

除了減小發(fā)動機噴油后的轉矩輸出，另一種改善轉速控制效果的方法是提高ISG轉矩變化率限制。第5組參數(shù)在第4組參數(shù)的基礎上將ISG轉矩變化率從540 Nm/s增大到2 500 Nm/s后，經(jīng)反復嘗試取Kp=0.5，Ki=1.0。圖9給出了仿真結果?？梢钥吹?，在較大的ISG轉矩變化率限制下，即便目標轉速上升率較快，仍能夠實現(xiàn)較好的轉速跟隨，發(fā)動機轉速超調(diào)量僅79 r/min，達到穩(wěn)定怠速時間也較短，為0.63 s。

以上5組不同參數(shù)的仿真結果中，累積轉速誤差為轉速偏差絕對值的積分，用于衡量轉速跟隨效果，誤差越小，表明轉速跟隨效果越好。顯然，第5組參數(shù)的仿真結果最好。這說明，為獲得較好的轉速控制效果，應當減少噴油后發(fā)動機輸出轉矩，增加ISG轉矩變化率限制，同時采用合適的PI控制參數(shù)。

6 結論和展望

針對某ISG型混合動力汽車，通過試驗分析現(xiàn)有的發(fā)動機起動過程，其存在轉速超調(diào)量大，起動油耗、排放、振動和噪聲性能差的問題。為解決這些問題，設計了起動過程的轉速閉環(huán)控制算法，搭建了仿真模型。通過仿真分析了不同控制參數(shù)對轉速控制效果的影響，得出了減少發(fā)動機噴油后轉矩和提高ISG轉矩變化率限制可以改善轉速控制效果的結論，為后續(xù)控制算法的改進和實車控制參數(shù)的標定提供了依據(jù)。

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U464.142.02

A

2014-04-21

1002-4581（2014）04-0018-06