P２混合动力发动机启动控制设计

摘要:在研究P２双离合器变速器混合动力构型发动机启动控制理论的基础上,设计了P２混合动力总成发动机启动动态工况的控制策略,给出了相应控制过程的动力控制目标值计算公式及相应的分析.通过对所设计的启动控制策略进行仿真及实车测试,验证了该控制策略能有效地实现发动机的启动功能.同时由实车测试车辆的纵向加速度曲线可知,所设计的控制策略在车辆平顺性上也取得了很好的效果.

关键词:P２混合动力;发动机启动控制;双离合器变速器;控制策略

０ 引言

混合动力车辆在实际应用中越来越普及,目前混合动力主流分别是以丰田双擎混动系统(Toyotahybridsystem,THS)为代表的双电机功率耦合和以大众P２构型为代表的单电机扭矩耦合.THS构型[１]的功率耦合特点使THS在动力耦合[２]方式以及发动机经济转速的灵活性调节方面具有很好的优势,但相对于P２双离合器自动变速器(doubleclutchtransmission,DCT)混合动力构型,THS构型在成本[３]和动力响应方面显得弱势.此外,双离合器自动变速器在国内企业具有良好的研发和生产基础,结合以双离合器自动变速器为基础的P２混合动力在成本、动力响应以及企业生产基础的优势等综合考虑,采用P２双离合器自动变速器构型的混合动力在国内企业具有良好的现实意义.发动机的启动控制技术是混合动力动态控制的关键技术之一,也是控制研究的热门领域.本文对P２双离合器自动变速器构型的混合动力发动机启动[４Ｇ６]控制进行了设计研究,并验证了发动机启动控制的鲁棒性和平顺性可为混合动力的性能提供有力的保障。

１ P２混合动力车辆模型

为更好地研究启动过程动力传递控制算法,假设P２混合动力车辆的动力传递模型为刚性模型[６],同时又考虑到车辆动力系统相关弹性变化,本文将车辆传动效率因子η 引入刚性模型计算中.该车辆刚性动力模型如图１所示,图中相关模型参数如下:Je 为发动机转动惯量;ωe 为发动机转动角速度;Te 为发动机飞轮端扭矩;Jk 为K０离合器转动惯量;ωk 为K０离合器转动角速度;Tk为K０离合器扭矩;Tr 为K０离合器处等效残余扭矩;Jm 为电机转动惯量;ωm 为电机转动角速度;Tm 为电机实际输出扭矩;Jc 为双离合器转动惯量;Jp 为车轮至双离合器端等效到输入轴上的转动惯量;ωp 为输入轴转动角速度;ωw 为车轮转动角速度;Tt 为传递到车辆端扭矩;τ 为总传动比.在上述模型中,发动机的扭矩包括两部分意义:驱动时表示净输出驱动力,启动开始时表示发动机启动阻力矩[７].发动机的扭矩和电机的扭矩经由K０离合器[４]进行耦合,然后由双离合器传递到变速器再传递到车轮端从而驱动车轮行驶.在发动机启动过程中,除了耦合驱动力与双离合器之间的传递外,还存在发动机和电机经由K０离合器的动力耦合,因此在计算动态过程启动控制时假设双离合器是闭合的或完全打开的状态(没有换挡或没有滑摩损失).基于此,依据最复杂的发动机启动过程对该模型进行分析。

K０离合器接合(稳态驱动)时

K０离合器滑摩(启动)时

２ 启动过程设计及控制计算

２.１ 发动机启动控制设计

根据P２混合动力构型的特点,发动机启动过程包括３种车辆工况,分别为静置工况发动机启动、起步工况发动机启动、行车工况发动机启动.上述３种工况的发动机启动控制设计分别如图２~图４所示,其中,S、M 、E、K 分别表示控制转速曲线、电机扭矩曲线、发动机扭矩曲线、K０离合器扭矩曲线,字母后的数字表示曲线上各点的位置.从启动的特点来看,３种工况的发动机启动过程均包括电机拖动提速控制、发动机点火控制、扭矩耦合控制这３个共同的控制阶段.此外,在静置工况发动机启动时,双离合器处于打开状态,没有车辆惯量的介入,为更好地调节启动时的转速变化,在该工况下需要增加转速耦合控制以及耦合至怠速充电控制这两个部分.

在起步及行车工况发动机启动过程中,其相应阶段的扭矩点标识基本与静置工况发动机启动过程的扭矩点标识保持一致,其控制过程中的计算也与静置工况基本类同,因此本文的动力计算分析只围绕静置工况的启动过程来展开.图３和图４所示均为车辆非静置工况下的发动机启动工况,其电机拖动提速、发动机点火以及扭矩耦合这３个阶段的控制计算公式可参照静置工况发动机启动过程中相应的控制目标.本文以静态工况下的发动机启动控制为例进行说明.静置工况启动过程可划分为５个阶段,下面将对各阶段控制节点进行动力计算分析并给出相应的控制需求说明.

(１)电机拖动提速阶段.这一阶段包括电机
快速启动(A 阶段)、电机峰值扭矩(B阶段)、电机转速提升(C阶段).

(２)发动机点火阶段.这一阶段包括拖动发动机(D阶段)、发动机点火喷油(E阶段)、发动机转速提升(F阶段).
(３)转速耦合阶段.这一阶段包括发动机停止喷油(G 阶段)、电机快速降扭(H 阶段)、电机扭矩过零控制(I阶段)、电机调速(J阶段)、发动机恢复喷油(K阶段).
(４)扭矩耦合阶段.此过程主要是将前面由电机主导的耦合控制转变为由发动机主导的耦合控制(L阶段).
(５)耦合至怠速充电阶段.该阶段是将发动机和电机已经耦合的扭矩提高至充电目标的耦合扭矩(M 阶段).若怠速充电目标转速发生变化时,则需先对转速进行耦合至目标转速,如图２中右上方在此阶段的３条同转速虚线(从上到下)分别代表电机、K０离合器和发动机的转速在高怠速转速工况下充电可能的情形.

此外,为进行相关扭矩计算及控制过程时间的估算,需要引入K０离合器、发动机、电机扭矩及转速响应能力的基本边界参数,这也是后面分析启动过程动力学目标计算的基础和边界,具体定义如下:Im,Mx为电机扭矩响应能力;Ik,Mx为K０离合器扭矩响应能力;Ie,Mx为发动机扭矩响应能力;Im,Mx,０为电机过零扭矩响应能力;Im,Jk为电机转速响应能力;Ie,Jk为发动机转速响应能力;Ik,Jk为K０离合器转速响应能力。

２.２ 电机拖动提速控制
图２中的电机拖动提速控制阶段又可分为A、B、C３个控制子阶段,下面将分别从这３个阶段进行介绍.

(１)A 阶段:电机快速启动.M１处扭矩为电机初始扭矩,可通过标定选择一个比较固定的初始值,通常电机初始扭矩取２０N