基于部件動態(tài)特性的城市混合動力SUV協(xié)調(diào)控制研究?

曾小華，孫可華，李廣含，肖利軍，宋大鳳，董兵兵，王新明

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.重慶科鑫三佳車輛技術(shù)有限公司，重慶 400714)

前言

并聯(lián)混合動力汽車(parallel hybrid electric vehicle，PHEV)比串聯(lián)構(gòu)型有更多的驅(qū)動模式，可實現(xiàn)多種工況，發(fā)動機可直接驅(qū)動，效率更高[1]，且結(jié)構(gòu)比混聯(lián)構(gòu)型簡單、易于控制[2-3]。

根據(jù)行駛工況不同，為保證系統(tǒng)效率最優(yōu)，PHEV須在多種行駛模式間切換。在駕駛員不同操作過程中，兩動力源、離合器和變速器工作狀態(tài)會發(fā)生變化，容易引發(fā)沖擊[4]。對此，文獻[5]～文獻[7]中通過電動機的快速響應(yīng)補償發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩突變和響應(yīng)誤差；文獻[8]中把發(fā)動機起動分為中間狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速跟隨和離合器轉(zhuǎn)矩控制進行PID調(diào)節(jié)；文獻[9]中提出基于電機輔助的協(xié)調(diào)控制策略，包括電機起動發(fā)動機和轉(zhuǎn)矩補償兩部分；文獻[10]和文獻[11]中通過離合器接合/斷開過程的優(yōu)化控制減小發(fā)動機轉(zhuǎn)矩影響。上述方法基于電動機的快速響應(yīng)可有效補償發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變和響應(yīng)誤差，通過離合器狀態(tài)控制可有效減小發(fā)動機介入/退出驅(qū)動帶來的沖擊，改善了行駛平順性。

但上述文獻均未考慮實車復(fù)雜工況下，發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性多變的特點和實車各子控制器報文周期差異所致的部分信號時延和控制本身滯后問題，未驗證在實車、實際道路和駕駛員實際操作時的轉(zhuǎn)矩補償效果。尤其在大幅操作加速/制動踏板和上/下坡等復(fù)雜行駛和道路工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差和滯后明顯且多變，對電動機補償轉(zhuǎn)矩的求解和控制方法的實用性提出特定要求。且現(xiàn)有的相關(guān)發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計算法復(fù)雜，計算量大，較難實現(xiàn)實車應(yīng)用。

本文中基于實車部件特性和復(fù)雜工況，進行協(xié)調(diào)控制研究。針對實車駕駛員實際操作可能較為頻繁、快速、直接解析需求轉(zhuǎn)矩變動較大和發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)性能不斷變化、滯后與誤差明顯，以及實車子控制器報文周期不同帶來的部分信號時延和控制滯后等問題，提出“發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)性能識別+發(fā)動機響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)估+電動機同步補償”的協(xié)調(diào)控制方法，以減小發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)時的總轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差。最后，基于試驗樣車進行了道路試驗驗證。

1 車輛動力系統(tǒng)

文中以配備CVT的單軸并聯(lián)混合動力城市SUV為研究對象，其動力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，電動機位于發(fā)動機與變速器之間。

圖1 并聯(lián)混合動力SUV動力系統(tǒng)構(gòu)型

為研究傳動系動力傳遞特點，分析動力源轉(zhuǎn)矩與車輛沖擊的關(guān)系，將傳動系各部件視為帶慣量的剛體，把傳動系簡化為2自由度轉(zhuǎn)動慣量模型[12]，如圖2所示。

圖2 傳動系2自由度轉(zhuǎn)動慣量模型

離合器前后的慣量系統(tǒng)存在如下關(guān)系:

式中:Je為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量；ce為發(fā)動機阻尼；ωe和ωm分別為發(fā)動機和電動機角速度；Te，Tm，Tc和Tv分別為發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩、離合器傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)化至變速器輸入端的車輛行駛阻力矩；Jv為離合器從動盤、電動機轉(zhuǎn)子、變速器、傳動軸、驅(qū)動輪和車輛平移質(zhì)量換算后疊加的總旋轉(zhuǎn)慣量。離合器未接合時Tc＝0，滑摩時0＜Tc≤Te，由離合器狀態(tài)和參數(shù)決定。

一般使用沖擊度j＝d2v/dt2來評價車輛的平順性能[12]，其中v＝ωwr為車輛行駛速度，則由轉(zhuǎn)速關(guān)系式:

可得

考慮到正常行駛時行駛阻力變化相對較慢、CVT速比ig受機械結(jié)構(gòu)限制變化率也不會太大(文中試驗車輛裝備的CVT變速器速比每秒最大變化為2)，可認為≈≈0，由式(2)和式(4)可得

2 車輛工作模式

本文中所研究的并聯(lián)混合動力SUV可實現(xiàn)2類、8個主要行駛模式，各模式的動力系統(tǒng)主要部件穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)如表1所示[14]，表中CHEV為電機行車充電模式，BHEV為電機輔助驅(qū)動模式。但在模式切換的動態(tài)過程中，需參考前一模式的部件狀態(tài)進行協(xié)調(diào)控制。例如，在BHEV模式迅速松開加速踏板，車輛將立即進入滑行制動模式。此時應(yīng)首先控制發(fā)動機負荷快速降低，待轉(zhuǎn)矩降為零后方可斷開離合器，并適時關(guān)閉發(fā)動機，以限制沖擊度。

表1 各模式的動力系統(tǒng)主要部件穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)

由表1可見，在發(fā)動機工作的各模式間切換時，離合器不動作，僅需調(diào)整電動機和發(fā)動機功率；在驅(qū)動間切換時，要求發(fā)動機適時起動/關(guān)閉、離合器適時接合/分離；在由驅(qū)動切換到制動時，離合器可能“接合→分離”(若發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低)；在由制動切換到驅(qū)動時，離合器不會馬上動作。即某些行駛模式間切換時，由于相關(guān)部件工作狀態(tài)變化，可能引起動力輸出不平穩(wěn)，影響整車動力性、舒適性和傳動件壽命[15]。

3 模式切換協(xié)調(diào)控制

根據(jù)以上分析，在行車過程中模式間切換時，須考慮協(xié)調(diào)控制:由式(5)可知，為減小沖擊、保證平順，要求各模式切換時CVT輸入轉(zhuǎn)矩變化率T·m+T·c較小。故須首先確保動力源總需求轉(zhuǎn)矩Tr變化平緩，然后進行轉(zhuǎn)矩合理分配。其中，電動機響應(yīng)快、精度高，Tm易控制；而發(fā)動機動態(tài)特性影響因素多、響應(yīng)誤差和滯后相對明顯，Te精度差、Tc不易控制。據(jù)此，在Tr平緩變化的前提下，當Tc變化時，可通過實時調(diào)節(jié)Tm以減小沖擊、同時保證動力需求得到較好滿足。

3.1 總需求轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制

與基于一定循環(huán)工況進行的軟件仿真不同，實車道路工況復(fù)雜，駕駛員時有快速、大幅操作踏板，主觀上希望轉(zhuǎn)矩變化迅速，行駛模式切換較快。若動力源直接跟隨響應(yīng)由人為操作解析的駕駛員需求轉(zhuǎn)矩TAsk，則整車平順性難以保證、行駛模式間切換尤其是驅(qū)動與制動間切換時沖擊較大。

為此，考慮實車駕駛員操作，在模式切換時須兼顧TAsk和動力源實際總輸出轉(zhuǎn)矩Ta:以模式切換前的Ta為基礎(chǔ)，以通過駕駛員操作解析到的目標模式TAsk為期望值，并限制變化率，求解動態(tài)過程的Tr，作為轉(zhuǎn)矩分配的基礎(chǔ)。相關(guān)求解流程如圖3所示。

圖3 總需求轉(zhuǎn)矩Tr的協(xié)調(diào)控制流程

3.2 轉(zhuǎn)矩補償協(xié)調(diào)控制

實車上，發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性受機體溫度、進氣溫度/壓力、負荷大小及其變化率等眾多因素影響，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差滯后明顯。同時，本文中所研究車輛的EMS和MCU報文周期分別為10和20ms，導致HCU與MCU的通信相對于EMS存在滯后，引起電動機轉(zhuǎn)矩補償不及時。

對此，本文中提出“發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)性能識別+發(fā)動機響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)估+電動機同步補償”的協(xié)調(diào)控制方法，控制流程如圖4所示。

圖4 電動機轉(zhuǎn)矩同步補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制方法

此方法基于3個基本假設(shè):(1)動態(tài)響應(yīng)性能識別，發(fā)動機下一時刻的實際輸出轉(zhuǎn)矩與EMS反饋的當前實際輸出轉(zhuǎn)矩、當前時刻的需求轉(zhuǎn)矩(或負荷)和下一時刻的響應(yīng)特性直接相關(guān)，而與發(fā)動機的更早狀態(tài)無直接關(guān)系，則可認為以上3個轉(zhuǎn)矩間存在式(6)關(guān)系，且動態(tài)響應(yīng)過程中，和所占權(quán)值k1和k2不斷變化，其大小可在一定程度上反映發(fā)動機的響應(yīng)特性；(2)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)估，發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性在多因素作用下不斷變化，但由于HCU程序的計算周期間隔僅為0.01s，小于發(fā)動機響應(yīng)時間，則可認為相鄰周期的k1和k2值基本不變；(3)電動機同步補償，由于電動機響應(yīng)速度快、精度高，可認為變化率在一定范圍的需求轉(zhuǎn)矩均能得到準確響應(yīng)，即≈。

由式(6)及假設(shè)(2)可得

綜上所述，文中提出的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法通過識別發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性，預(yù)估未來時刻轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在當前控制周期內(nèi)即可快速求取電機最佳目標補償轉(zhuǎn)矩，進而改善發(fā)動機響應(yīng)的誤差與滯后以及HCU與MCU的通信相對于EMS存在滯后和電動機轉(zhuǎn)矩補償不及時帶來的實車控制問題。

4 實車道路試驗

試驗樣車基于某型傳統(tǒng)SUV進行開發(fā)，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 試驗樣車基本參數(shù)

基于整車和部件參數(shù)在MATLAB/Simulink平臺搭建此城市SUV整車控制算法，進行實車道路測試。在試驗車各子控制器中，EMS，TCU，BCM，ABS和ESP的相關(guān)報文為標準幀，且EMS和TCU報文周期為10ms，MCU和BMS的相關(guān)報文為擴展幀，MCU報文周期為20ms。

為便于對比協(xié)調(diào)控制前后的動態(tài)過程轉(zhuǎn)矩補償控制效果，通過駕駛員操作進行了有無協(xié)調(diào)控制時的急加速工況行駛模式切換的動態(tài)轉(zhuǎn)矩補償試驗。

在兩次實車測試時，對車輛性能有影響的工況條件眾多，即包括發(fā)動機與電動機溫度等工作狀態(tài)、電池與DC/DC狀態(tài)等車輛條件，也包括道路坡度和路面不平度等道路條件，同時還包括駕駛員操作條件。

由于工況條件往往包含大量隨機因素，所以很難保證實車測試時完全一致。為確保兩次測試的主要相關(guān)條件大致相同，進行了一定的設(shè)置安排:測試從發(fā)動機熱機狀態(tài)開始，且兩次測試的持續(xù)和間隔時間相對較短(幾分鐘內(nèi))，可基本保證車輛狀態(tài)條件一致；測試在同一路段、同一行駛方向進行，可基本保證道路條件一致；駕駛員操作包含較多人為因素，一致性較難保證，在兩次測試時，駕駛員均以較快速度踩滿加速踏板，以使需求轉(zhuǎn)矩迅速上升，實現(xiàn)急加速行駛。

實車測試的急加速過程中，行駛模式逐步切換，發(fā)動機開始參與驅(qū)動。由于加速踏板行程迅速增加，發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩上升較快。但實車發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性影響因素多而復(fù)雜，輸出響應(yīng)一般滯后0.1～0.4s左右，需要電動機進行及時補償，以確保動力性需求得到較好滿足。故在此環(huán)境下進行相關(guān)測試，結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可見，協(xié)調(diào)控制前，在334s時發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩上升，實際響應(yīng)輸出稍慢。但因未識別發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性、未進行響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)估，導致電動機補償相對“提前”，且存在較大誤差。由圖5(b)可見，總輸出轉(zhuǎn)矩Ta比總需求值Tr小30N·m以上。而由圖5(c)可見，協(xié)調(diào)控制后，292.6s時發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩開始上升，實際響應(yīng)稍有滯后，經(jīng)過發(fā)動機響應(yīng)特性識別和響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)估，電動機轉(zhuǎn)矩可立即增加予以彌補，且293.5s時，發(fā)動機輸出開始迅速增加，電動機轉(zhuǎn)矩亦立即減小予以抵消。由圖5(d)可見，協(xié)調(diào)控制后的Ta與Tr值差距較小，且在Tr從-40至160N·m的快速動態(tài)變化過程中，Ta均實現(xiàn)較好跟隨。

圖5 急加速工況協(xié)調(diào)控制

圖6 為協(xié)調(diào)控制前后Ta與Tr值之差(轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差)對比。由圖可見，協(xié)調(diào)控制前誤差最大為31.54N·m，協(xié)調(diào)控制后最大為17.96N·m，動態(tài)響應(yīng)誤差減小了43%，有了較大改善。

圖6 總轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差對比

5 結(jié)論

對配備CVT的單軸并聯(lián)城市SUV混合動力汽車傳動系結(jié)構(gòu)進行了簡化分析，并對整車各行駛模式部件狀態(tài)進行了研究。在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)協(xié)調(diào)控制方法，并進行了實車道路試驗，得到如下結(jié)論。

(1)通過兼顧由人為操作解析的駕駛員需求轉(zhuǎn)矩TAsk和動力源實際總輸出轉(zhuǎn)矩Ta的總需求轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法，在快速、大幅操作踏板、行駛模式不斷切換過程中，所得動力源總需求轉(zhuǎn)矩Tr變化較為平緩。

(2)通過“發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)性能識別+發(fā)動機響應(yīng)轉(zhuǎn)矩預(yù)估+電動機同步補償”的協(xié)調(diào)控制方法，可減小模式切換時發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)過程中的總轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差。試驗中轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差最大減小了40%以上，使動力性需求得到更好滿足。

(3)本文方法基于一定的合理假設(shè)識別發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)特性、預(yù)估未來時刻輸出轉(zhuǎn)矩，相比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)矩觀測器等在線估計算法更加簡單、計算量小、實時性和實用性更好。

(4)急加速、行駛模式逐步切換過程中的實車道路測試，體現(xiàn)了駕駛員對車輛動力性的典型需求，且試驗車是基于某量產(chǎn)SUV面向市場開發(fā)的單軸并聯(lián)混合動力車輛，因而協(xié)調(diào)算法可減小轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差的結(jié)論在并聯(lián)構(gòu)型混合動力控制中具備一定的普遍性實用意義，對其它構(gòu)型的協(xié)調(diào)控制也具有一定的參考價值。