摘要:在研究P２雙離合器變速器混合動(dòng)力構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了P２混合動(dòng)力總成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)工況的控制策略,給出了相應(yīng)控制過程的動(dòng)力控制目標(biāo)值計(jì)算公式及相應(yīng)的分析.通過對(duì)所設(shè)計(jì)的啟動(dòng)控制策略進(jìn)行仿真及實(shí)車測(cè)試,驗(yàn)證了該控制策略能有效地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功能.同時(shí)由實(shí)車測(cè)試車輛的縱向加速度曲線可知,所設(shè)計(jì)的控制策略在車輛平順性上也取得了很好的效果.

關(guān)鍵詞:P２混合動(dòng)力;發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制;雙離合器變速器;控制策略

０ 引言

混合動(dòng)力車輛在實(shí)際應(yīng)用中越來越普及,目前混合動(dòng)力主流分別是以豐田雙擎混動(dòng)系統(tǒng)(Toyotahybridsystem,THS)為代表的雙電機(jī)功率耦合和以大眾P２構(gòu)型為代表的單電機(jī)扭矩耦合.THS構(gòu)型[１]的功率耦合特點(diǎn)使THS在動(dòng)力耦合[２]方式以及發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速的靈活性調(diào)節(jié)方面具有很好的優(yōu)勢(shì),但相對(duì)于P２雙離合器自動(dòng)變速器(doubleclutchtransmission,DCT)混合動(dòng)力構(gòu)型,THS構(gòu)型在成本[３]和動(dòng)力響應(yīng)方面顯得弱勢(shì).此外,雙離合器自動(dòng)變速器在國(guó)內(nèi)企業(yè)具有良好的研發(fā)和生產(chǎn)基礎(chǔ),結(jié)合以雙離合器自動(dòng)變速器為基礎(chǔ)的P２混合動(dòng)力在成本、動(dòng)力響應(yīng)以及企業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)等綜合考慮,采用P２雙離合器自動(dòng)變速器構(gòu)型的混合動(dòng)力在國(guó)內(nèi)企業(yè)具有良好的現(xiàn)實(shí)意義.發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制技術(shù)是混合動(dòng)力動(dòng)態(tài)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是控制研究的熱門領(lǐng)域.本文對(duì)P２雙離合器自動(dòng)變速器構(gòu)型的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)[４Ｇ６]控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,并驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制的魯棒性和平順性可為混合動(dòng)力的性能提供有力的保障。

１ P２混合動(dòng)力車輛模型

為更好地研究啟動(dòng)過程動(dòng)力傳遞控制算法,假設(shè)P２混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力傳遞模型為剛性模型[６],同時(shí)又考慮到車輛動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)彈性變化,本文將車輛傳動(dòng)效率因子η 引入剛性模型計(jì)算中.該車輛剛性動(dòng)力模型如圖１所示,圖中相關(guān)模型參數(shù)如下:Je 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωe 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;Te 為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端扭矩;Jk 為K０離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωk 為K０離合器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;Tk為K０離合器扭矩;Tr 為K０離合器處等效殘余扭矩;Jm 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωm 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;Tm 為電機(jī)實(shí)際輸出扭矩;Jc 為雙離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jp 為車輪至雙離合器端等效到輸入軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωp 為輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;ωw 為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;Tt 為傳遞到車輛端扭矩;τ 為總傳動(dòng)比.在上述模型中,發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩包括兩部分意義:驅(qū)動(dòng)時(shí)表示凈輸出驅(qū)動(dòng)力,啟動(dòng)開始時(shí)表示發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩[７].發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和電機(jī)的扭矩經(jīng)由K０離合器[４]進(jìn)行耦合,然后由雙離合器傳遞到變速器再傳遞到車輪端從而驅(qū)動(dòng)車輪行駛.在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中,除了耦合驅(qū)動(dòng)力與雙離合器之間的傳遞外,還存在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)經(jīng)由K０離合器的動(dòng)力耦合,因此在計(jì)算動(dòng)態(tài)過程啟動(dòng)控制時(shí)假設(shè)雙離合器是閉合的或完全打開的狀態(tài)(沒有換擋或沒有滑摩損失).基于此,依據(jù)最復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程對(duì)該模型進(jìn)行分析。

K０離合器接合(穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng))時(shí)

K０離合器滑摩(啟動(dòng))時(shí)

２ 啟動(dòng)過程設(shè)計(jì)及控制計(jì)算

２.１ 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)

根據(jù)P２混合動(dòng)力構(gòu)型的特點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程包括３種車輛工況,分別為靜置工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、起步工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、行車工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng).上述３種工況的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)分別如圖２~圖４所示,其中,S、M 、E、K 分別表示控制轉(zhuǎn)速曲線、電機(jī)扭矩曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線、K０離合器扭矩曲線,字母后的數(shù)字表示曲線上各點(diǎn)的位置.從啟動(dòng)的特點(diǎn)來看,３種工況的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程均包括電機(jī)拖動(dòng)提速控制、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制、扭矩耦合控制這３個(gè)共同的控制階段.此外,在靜置工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),雙離合器處于打開狀態(tài),沒有車輛慣量的介入,為更好地調(diào)節(jié)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速變化,在該工況下需要增加轉(zhuǎn)速耦合控制以及耦合至怠速充電控制這兩個(gè)部分.

在起步及行車工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中,其相應(yīng)階段的扭矩點(diǎn)標(biāo)識(shí)基本與靜置工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的扭矩點(diǎn)標(biāo)識(shí)保持一致,其控制過程中的計(jì)算也與靜置工況基本類同,因此本文的動(dòng)力計(jì)算分析只圍繞靜置工況的啟動(dòng)過程來展開.圖３和圖４所示均為車輛非靜置工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況,其電機(jī)拖動(dòng)提速、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火以及扭矩耦合這３個(gè)階段的控制計(jì)算公式可參照靜置工況發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中相應(yīng)的控制目標(biāo).本文以靜態(tài)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制為例進(jìn)行說明.靜置工況啟動(dòng)過程可劃分為５個(gè)階段,下面將對(duì)各階段控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析并給出相應(yīng)的控制需求說明.

(１)電機(jī)拖動(dòng)提速階段.這一階段包括電機(jī)
快速啟動(dòng)(A 階段)、電機(jī)峰值扭矩(B階段)、電機(jī)轉(zhuǎn)速提升(C階段).

(２)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段.這一階段包括拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(D階段)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噴油(E階段)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升(F階段).
(３)轉(zhuǎn)速耦合階段.這一階段包括發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油(G 階段)、電機(jī)快速降扭(H 階段)、電機(jī)扭矩過零控制(I階段)、電機(jī)調(diào)速(J階段)、發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)噴油(K階段).
(４)扭矩耦合階段.此過程主要是將前面由電機(jī)主導(dǎo)的耦合控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛砂l(fā)動(dòng)機(jī)主導(dǎo)的耦合控制(L階段).
(５)耦合至怠速充電階段.該階段是將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)已經(jīng)耦合的扭矩提高至充電目標(biāo)的耦合扭矩(M 階段).若怠速充電目標(biāo)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),則需先對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行耦合至目標(biāo)轉(zhuǎn)速,如圖２中右上方在此階段的３條同轉(zhuǎn)速虛線(從上到下)分別代表電機(jī)、K０離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在高怠速轉(zhuǎn)速工況下充電可能的情形.

此外,為進(jìn)行相關(guān)扭矩計(jì)算及控制過程時(shí)間的估算,需要引入K０離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力的基本邊界參數(shù),這也是后面分析啟動(dòng)過程動(dòng)力學(xué)目標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)和邊界,具體定義如下:Im,Mx為電機(jī)扭矩響應(yīng)能力;Ik,Mx為K０離合器扭矩響應(yīng)能力;Ie,Mx為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)能力;Im,Mx,０為電機(jī)過零扭矩響應(yīng)能力;Im,Jk為電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力;Ie,Jk為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力;Ik,Jk為K０離合器轉(zhuǎn)速響應(yīng)能力。

２.２ 電機(jī)拖動(dòng)提速控制
圖２中的電機(jī)拖動(dòng)提速控制階段又可分為A、B、C３個(gè)控制子階段,下面將分別從這３個(gè)階段進(jìn)行介紹.

(１)A 階段:電機(jī)快速啟動(dòng).M１處扭矩為電機(jī)初始扭矩,可通過標(biāo)定選擇一個(gè)比較固定的初始值,通常電機(jī)初始扭矩?。玻癗