插電式強(qiáng)混車型行進(jìn)間起動(dòng)過(guò)程控制及仿真分析

張俊峰、鄧 璘

（寧波松鷹汽車部件有限公司 315600）

0 引言

插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in hybrid electric vehicles，PHEV）集成了混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，目前已是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的主要車型。P2 構(gòu)型是插電式混合動(dòng)力汽車中的一種主要?jiǎng)恿︸詈戏绞?，行進(jìn)間起停發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是此構(gòu)型的一大難點(diǎn)，起?？刂频暮脡闹苯佑绊懻嚨膭?dòng)力性和駕駛性。

1 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、集成化的耦合機(jī)構(gòu)（K0 離合器和電動(dòng)機(jī)）、雙離合變速器（Dual clutches Transmission，DCT）及動(dòng)力電池組等部件組成（圖1）。

圖1中整車控制單元（HCU）通過(guò)控制K0 離合器的結(jié)合與分離，實(shí)現(xiàn)整車工作模式的切換以及ISG 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能。通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）、電機(jī)控制單元（IPU）、電池控制單元（BCU）和DCT 控制單元（TCU）的通信，監(jiān)測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，完成電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2 車輛仿真模型建立

2.1 離合器模型

耦合離合器是動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，需要對(duì)離合器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行建模[1-2]。離合器的扭矩傳遞模型綜合考慮動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的影響，和離合器輸入力矩對(duì)離合器傳遞動(dòng)態(tài)力矩的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納,《摩擦學(xué)原理》中提出了滑動(dòng)狀態(tài)下摩擦副之間的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式（公式1）。

圖1 PHEV 動(dòng)力系統(tǒng)

式中u 為相對(duì)滑動(dòng)速度，單位為m/s；a、b、c、d 為由材料和載荷決定的常數(shù)。離合器摩擦面上的載荷是膜片彈簧加在壓盤(pán)上的正壓力FN。在離合器接合分離動(dòng)態(tài)過(guò)程中，F(xiàn)N 是不斷變化的，因此摩擦系數(shù)是實(shí)時(shí)變化的，直接應(yīng)用于離合器控制有困難。為此，定義只與摩擦面材料相關(guān)的狹義動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)μds（公式2）。

式中：a、b、c 為由材料決定的常數(shù)，反映了離合器本身固有的傳遞特性，與載荷無(wú)關(guān)[3]。離合器由滑磨到完全接合過(guò)渡的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)摩擦力矩是漸變的過(guò)程，前期主要取決于膜片彈簧正壓力，隨著轉(zhuǎn)速差|Δω|的減小，逐漸過(guò)渡到主要取決于離合器的輸入轉(zhuǎn)矩（即發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩）。

因此，在過(guò)渡過(guò)程中，離合器傳遞的力矩是膜片彈簧正壓力與離合器的輸入轉(zhuǎn)矩共同作用的。定義輸入力矩影響參數(shù)λ 來(lái)表示輸入力矩對(duì)動(dòng)態(tài)摩擦力矩的影響。在前述基礎(chǔ)上，提出了下列離合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性（公式3）

式中：λ=e-du，由于將載荷的影響分離出來(lái)，故僅與轉(zhuǎn)速差相關(guān)的狹義動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)在轉(zhuǎn)速差為0 時(shí)亦為0。狹義動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)到達(dá)極值后隨相對(duì)滑動(dòng)速度增加而下降，下降趨勢(shì)主要由系數(shù)b 決定。

FPanelClamp ：離合器主、從動(dòng)盤(pán)間的夾緊力，是根據(jù)離合器踏板開(kāi)度決定的一個(gè)值。在初始建模時(shí)，預(yù)設(shè)一個(gè)夾緊力與離合器踏板開(kāi)度函數(shù)；CluRAve 是離合器的平均摩擦半徑，由（公式4）求得。

式中：CluROut 為離合器摩擦片的外半徑；CluRIn 為離合器摩擦片的內(nèi)半徑；TqCluIn 為離合器的輸入扭矩；CluTqStatic 是離合器的靜態(tài)摩擦扭矩。

2.2 車輛動(dòng)力學(xué)模型

不考慮載荷的分布，將整個(gè)車輛簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，縱向動(dòng)力如公式5 所示。

式中：β為爬坡坡度；g為重力加速度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；a為加速度；ν為整車車速。

3 控制算法設(shè)計(jì)及仿真分析

3.1 離合器結(jié)合過(guò)程分析

離合器的結(jié)合過(guò)程包括以下幾個(gè)狀態(tài)：斷開(kāi)，活塞被回位彈簧（Reset spring）向左拉回到限位塊處（Piston stop）,離合器摩擦盤(pán)片間處于分離狀態(tài)；充油，油經(jīng)活塞缸進(jìn)油口充入，直到充滿，此時(shí)活塞基本沒(méi)有移動(dòng)，離合器摩擦盤(pán)片間處于分離狀態(tài)；結(jié)合準(zhǔn)備，活塞缸進(jìn)油壓力增大，并克服回位彈簧拉力使活塞向右移動(dòng)，但摩擦片間任保留一定間歇，基本無(wú)扭矩傳遞；滑摩，活塞缸進(jìn)油壓力繼續(xù)增大，但小于完全結(jié)合壓力，離合器盤(pán)片間處于相對(duì)滑動(dòng)，傳遞扭矩大小和活塞油壓及離合器盤(pán)片間相對(duì)滑動(dòng)速度相關(guān)。

要設(shè)計(jì)電機(jī)補(bǔ)償扭矩的控制策略，必須先清楚離合器結(jié)合過(guò)程扭矩變化情況。離合器穩(wěn)定傳遞的大小和油壓控制基本呈線性關(guān)系，在相同油壓下離合器結(jié)合過(guò)程傳遞扭矩基本相同（圖2）。

圖2 耦合離合器結(jié)合過(guò)程傳遞扭矩

3.2 起動(dòng)過(guò)程控制策略設(shè)計(jì)

行進(jìn)間起動(dòng)過(guò)程的平順性取決于起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)起動(dòng)扭矩的控制效果，如果電機(jī)起動(dòng)扭矩能完全平衡掉離合器結(jié)合過(guò)程傳遞的扭矩，起動(dòng)過(guò)程將不會(huì)對(duì)整車產(chǎn)生沖擊。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，離合器結(jié)合過(guò)程傳遞扭矩相對(duì)比較穩(wěn)定，但是實(shí)際工況非常復(fù)雜，隨著部件使用，特性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化?；谝陨戏治?，設(shè)計(jì)了基于前饋的PI 控制策略。前饋量根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，PI 控制用于實(shí)時(shí)修正控制偏差，這樣的算法既可以滿足起動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，又具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[4]。PI 控制的輸入是起動(dòng)過(guò)程中變速器輸入軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速之間的差異。如圖3所示為起動(dòng)扭矩控制算法框圖。

3.3 仿真分析

為了分析驗(yàn)證不同控制方法的優(yōu)劣，筆者使用基于simulink搭建的仿真模型分別進(jìn)行了仿真分析。如圖4所示為前饋控制仿真結(jié)果分析；如圖5所示為PI 控制仿真結(jié)果分析；如圖6所示為前饋加PI 控制結(jié)果分析。

從仿真結(jié)果可以看出，只使用前饋控制時(shí)扭矩相對(duì)比較穩(wěn)定，但沖擊度偏大；只使用PI 控制時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)是帶遲滯的，而起動(dòng)過(guò)程需要的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，扭矩的穩(wěn)定性較差，沖擊度也偏大；使用前饋加PI 綜合控制時(shí)扭矩非常穩(wěn)定，沖擊度也得到大幅下降，滿足平順性的需求[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

行進(jìn)間起動(dòng)過(guò)程是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，由于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和整車在動(dòng)力學(xué)上都是一個(gè)復(fù)雜、帶遲滯和非線性系統(tǒng)，單一的控制方法很難取得較好效果。通過(guò)深入研究離合器傳遞扭矩的特性，本文提出前饋加PI 控制的綜合控制策略，兼顧了快速響應(yīng)的要求和在實(shí)際工況下實(shí)時(shí)調(diào)整的能力，通過(guò)仿真分析可以取得較理想的起動(dòng)平順性。

圖4 前饋控制仿真結(jié)果

圖5 PI 控制仿真結(jié)果

圖6 前饋加PI 控制結(jié)果