双离合器式混合动力汽车模式切换控制策略*

杨 阳，黄剑峰，秦大同，苏 岭

(1.重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044;2.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆 400023)

前言

为有效降低汽车油耗和排放，强混合动力汽车已经成为世界各大汽车公司研究开发的热点。其在结构上较多地采用了双电机加行星排的混合动力系统(如Prius)，其特点是运行平稳，但成本较高［1-3］。

在强混合动力汽车中，能量管理策略与转矩协调算法已成为重要的研究内容。文献［4］中采用了基于逻辑门限值的能量管理策略，限制发动机工作在高效率区间，提供要求的转矩。但逻辑门限值只是直观地在发动机万有特性图上划分出工作模式区域，未考虑发动机效率与电机的转矩。文献［5］中提出了“内燃机转矩开环控制+电机转矩补偿控制”;文献［6］中采用了“稳态转矩分配+发动机动态转矩估计+电机转矩补偿”的动态协调控制算法。但两者均未考虑离合器接合的动态过程。文献［7］和文献［8］中将混合动力汽车工作模式划分为子域，分析了混杂系统的切换，控制离合器接合时刻，对模式切换过程进行了研究，但未对离合器接合过程进行具体控制。

本文中以新型的单电机、双离合器式强混合动力长安轿车为研究对象，通过对系统构成和工作模式进行分析，按发动机效率与电机转矩划分了工作模式区域，制定了能量分配策略。在此基础上，重点研究行进中电机起动发动机过程的动态转矩协调控制策略与限矩离合器接合的模糊控制策略，并进行仿真分析与台架试验，以实现该过程动力传递的平稳性与乘坐的舒适性。

1 系统组成和运行模式分析

1.1 系统组成

强混合动力长安轿车结构方案如图1所示。发动机与电机之间通过单向离合器与限矩离合器相连。限矩离合器的使用使电机起动发动机的过程平稳可控，且能保证电机有足够的输出动力，不会产生动力不足或中断。单向离合器保证起动完成后，发动机转速不高于电机转速，实现发动机动力传递。

当限矩离合器断开时，可由驱动电机单独提供所需转矩驱动车辆运行。在限矩离合器接合过程中，驱动电机可在驱动车辆的同时起动发动机，电机提供的驱动发动机转矩由限矩离合器限定(约55N·m)，不造成动力中断。当发动机起动过程完成后，限矩离合器分离，单向离合器锁止，发动机与电机可共同驱动车辆行驶或由发动机单独驱动。

1.2 运行模式分析

为便于进行动力学分析，将模型图进行简化，忽略旋转黏性阻尼的作用，见图2。本文中重点研究驱动工况，对于制动及其相关的工况不予讨论。

(1)纯电动工况 在低需求转矩或低速运行的情况下，汽车以纯电动工况运行，限矩离合器分离，发动机不起动，汽车所需要的动力由电机单独提供。此时，

(2)行进中电机起动发动机 当车速提高或需求转矩增大时，单独电机驱动不能满足需求，须从纯电动工况转换到发动机驱动工况。在此过程中，电机不仅要提供车辆运行所需求的转矩，还要保证能顺利起动发动机。限矩离合器接到接合指令，开始接合滑摩，主从动片有转速差，此时，

当离合器结合，发动机起动完成后，电机并没有马上退出工作，而是对发动机转矩进行补偿，避免产生转矩波动。当发动机完全起动，汽车将以发动机单独驱动工况运行。

(3)发动机单独驱动 限矩离合器分离，由单向离合器传递转矩，可以减少限矩离合器使用时间，延长其寿命。此时，

(4)联合驱动 发动机与电机共同输出转矩，由单向离合器传递。此时，

(5)行车充电 当电池的电量不足，需要充电时，发动机不仅须提供车辆运行所需转矩，还要提供充电转矩。单向离合器工作，限矩离合器分离，电机作为发电机给电池充电。此时，

采用冲击度来评价模式切换的控制效果，可表示为

冲击度反映转矩波动的情况，冲击度越大，平顺性也就越差。冲击度的量化指标各国不尽相同。我国的推荐值为 |J|≤17.64m/s3［9］。

2 模式切换的转矩协调控制策略

2.1 转矩管理策略

2.1.1 工作模式区域划分

发动机工作在低转速、小负荷时，效率较低，要发挥混合动力汽车的优势，则须对工作模式的区域进行划分，这也是进行模式切换的前提。

由于逻辑门限值控制策略的不足，本文中在结合电机特性，保证电机在需要起动发动机时要能提供足够的起动转矩和汽车运行所需转矩的基础上，以发动机油耗为重点，选取发动机油耗小的点进行工作区域的划分。通过试验，得到发动机转矩、转速和燃油消耗率的相关数据，绘成三维油耗图见图3，工作区域的划分如图4所示。

图4中a为发动机工作最小转矩曲线，b为通过试验获得的发动机最优经济曲线，c为电机功率辅助最小转矩曲线。这些曲线将发动机稳态图划分成不同的区域:(1)为纯电动工作区，(2)为发动机单独工作区，(3)为发动机与电机联合驱动工作区。当发动机转速小于1 000r/min时，其效率很低，且电机在低速时，可提供较大的转矩，因此在这个区域均由电机单独驱动，以提高经济性。

2.1.2 转矩管理策略的实现

转矩管理策略是为了将需求转矩实时合理地分配给发动机和电机，提高混合动力汽车的效率。在正常情况下，驾驶员需求转矩的优先级高于电池充电需求转矩的优先级。如果需求转矩是在发动机与电机联合工作区，即使电池处于低效率区，电池也必须工作在放电状态，使混合动力汽车进入功率辅助状态，以满足动力性需求。其转矩管理策略见表1，其中SOCmin、SOClow和SOChigh表示允许放电最小值、高效区下限值和高效区上限值;Td_req、Tm_ass、Tch_req、Te_max和Tm_max表示需求转矩、电机助力最小转矩、充电需求转矩、发动机最大转矩和电机最大转矩;ne_min表示发动机运行的最低转速。

2.2 转矩协调控制策略

由于发动机和电机的转矩变化时间常数相差很大，如果仅仅由油门开度对发动机的转矩进行开环控制，将使发动机的动态转矩严重滞后于电机的转矩变化，而且动态过程中发动机的转矩控制还与瞬态空燃比控制和其他补偿措施有关，使其动态性能不能满足要求［10］。此外，在有湿式离合器接合的过程中，还须对离合器油压与电机转矩进行控制，否则会使输出转矩产生波动。行进中电机起动发动机是模式切换中一个十分重要的过程，将直接影响动力传递的平稳性与乘坐的舒适性，包括发动机起动与限矩离合器接合的动态过程，本文中重点研究其动态转矩的协调控制策略。

当满足模式切换条件，车辆须要起动发动机时，首先发出限矩离合器接合指令，要对其油压进行控制。在满足平顺性的前提下，尽量减少其接合时间。接合过程中电机转矩与限矩离合器的接合动作需要动态协调控制，以保证发动机正常起动且不对车辆的正常行驶造成过大的冲击。限矩离合器的结构确定后，滑动摩擦力矩取决于作用在摩擦面上限矩离合器的油压大小，因此对限矩离合器目标油压的控制至关重要。

离合器接合过程与油门开度、油门开度变化率及电机与发动机转速差等相关，各参数之间的关系难以用精确的数学模型表示，使用传统的基于模型的控制方法不能满足要求。采用模糊控制，无须建立精确的模型，能较好地识别各参数之间的关系，可在不同工况下选择合适的语言变量和控制参数来实现对离合器的合理控制。因此，采用模糊控制策略对离合器进行控制，其初始压力和滑摩阶段的油压控制对接合性能影响很大，是研究的重点［11］。

2.2.1 初始接合压力控制

离合器初始接合压力为离合器预设初始压力p0与离合器初始压力增量Δp之和，其中p0为设定值，Δp为模糊控制器输出，由驾驶员意图决定。油门开度和油门开度变化率可反映驾驶员意图，当加速踏板行程大且变化率大时，表明驾驶员希望车辆快速进入动力更强的工作模式，应优先考虑动力性，输出较大的离合器油压增量Δp，以建立较高的初始压力;反之，当加速踏板行程小且变化率小时，优先考虑平顺性与舒适性，建立较低的初始压力，以降低冲击度。因此，建立离合器油压增量的模糊控制规则应遵循:当油门开度小且变化率小时，初始接合压力小;当油门开度小且变化率大时，初始接合压力中等;当油门开度大且变化率小时，初始接合压力中等;当油门开度大且变化率大时，初始接合压力大。对此规则进行细化则可得到所有离合器油压增量的模糊控制规则。

表1 转矩管理策略

模糊控制器的第1个输入为加速踏板行程α，模糊论域(0，1)，模糊语言变量为{非常小，小，较小，中，较大，大，很大}，相应的模糊子集为{VS、S、MS、M、MB、B、VB}。第2个输入为加速踏板行程变化率α·，模糊论域(0，12)，模糊语言变量为{非常小，小，较小，中，较大，大，很大}，相应的模糊子集为{VS、S、MS、M、MB、B、VB}。输出为 Δp，模糊论域(0，12)，模糊语言变量为{非常小，小，较小，中，较大，大，很大}，相应的模糊子集为{VS、S、MS、M、MB、B、VB}，隶属函数均为高斯函数，详细的控制规则如表2所示。

2.2.2 接合压力变化率控制

在滑摩阶段，须考虑驾驶员操作意图和离合器接合过程的冲击度与滑摩功，用加速踏板行程变化率反映驾驶员意图，离合器主从动盘转速差来控制冲击度与滑摩功。驾驶员快速踩下加速踏板表示希望迅速完成模式切换过程，应增大油压的上升速率，反之，则减缓油压的上升速率。若离合器主从动盘转速差较大时，油压上升速率应慢，以减小冲击度;若离合器主从动盘转速差较小，油压上升速率应快，以减少滑摩功。因此，建立离合器压力变化率的模糊控制规则应遵循:当油门开度变化率小且离合器主从动盘转速差小时，离合器接合压力变化率中等;当油门开度变化率小且离合器主从动盘转速差大时，离合器接合压力变化率很小;当油门开度变化率大且离合器主从动盘转速差小时，离合器接合压力变化率很大;当油门开度变化率大且离合器主从动盘转速差大时，离合器接合压力变化率中等。对此规则进行细化，可得到所有离合器接合压力变化率的模糊控制规则。

表3 接合压力变化率模糊控制规则表

在此过程中离合器传递的转矩为

式中:R=(r23-r13)/(r22-r12)，r1、r2为离合器摩擦片的内外径，m;μ为摩擦因数;pn为控制油压对压盘的正压力，Pa;S为摩擦片面积，m2;Z为摩擦副数;pn为控制油压对压盘的正压力，Pa;Δω为发动机与电机转速差。

在发动机起动时的离合器接合过程中还须对电机转矩进行控制，其大小与需求转矩和离合器传递转矩有关。当离合器开始接合时，电机转矩增大，其值为

在此过程中发动机开始增速，若达到其点火所需转速时，则发动机点火，同时向发动机控制器发出相关转矩与转速指令。当发动机转速与电机转速相同时，则离合器接合完全。此时由于发动机输出转矩的滞后性，使用电机继续补偿发动机转矩的不足。若发动机实际输出转矩为Te，与其目标转矩存在差值为

为保证总需求转矩平稳，利用电机进行补偿，电机的实际输出转矩Tm与发动机转矩关系为

式中Te_req和Tm_req为发动机和电机的目标转矩。当发动机的转矩差值δ进入允许范围时，此时电机退出补偿，只输出其目标转矩。电机起动发动机过程的控制流程如图6所示。

3 仿真与试验和结果分析

3.1 行进中电机起动发动机仿真

在MATLAB/Simulink仿真平台上建立整车模型，并进行仿真。整车和关键部件参数如表4所示。

表4 整车及关键部件技术参数表

图7为无转矩协调控制策略时的仿真结果。当车辆运行状态达到控制策略要求，须进行电机起动发动机时，发出限矩离合器接合指令，电机加载一特定转矩，进行电机起动发动机过程，当发动机达到设定转速，电机卸载。在此过程中电机转速出现较大幅度下降，而后由于发动机转矩和转速的升高，电机转速才由单向离合器带动提升。由于本文中发动机模型采用的是实验建模法，仿真计算时通过查表和插值得到相应数据，因而其转速与转矩控制较为稳定，不会产生大的波动。由图7(a)可见，低速时汽车在6.99s发出电机起动发动机指令，发动机在7.38s达到设定转速，起动时间为0.39s，但在电机加载与卸载时刻，产生了较大的转矩波动，使冲击度偏大，其最大值达到了19m/s3。由图7(b)可见，中速时，起动时间为0.36s，冲击度最大值则达到了25m/s3，对车辆行驶产生了较大的冲击，影响乘坐舒适性。

图8为采取转矩协调控制策略后的仿真结果。由图8可知，电机转速在整个电机起动发动机过程中较为稳定。低速时，整车最大冲击度为5m/s3，发动机的起动时间为0.33s;中速时，最大冲击度为6m/s3，起动时间则为0.37s，均能较好地满足起动要求。结果表明，该协调控制策略能有效降低行进中电机起动发动机过程的冲击度，满足舒适性要求。

3.2 行进中电机起动发动机台架试验

图9为未使用转矩协调控制策略的电机起动发动机台架试验结果。当发出电机起动发动机信号时，开始接合限矩离合器，电机在相应时刻加载特定的转矩，由测功机模拟车辆的需求转矩，要求在0.5s内将发动机带到设定转速。由图可见，当发动机达到点火速度时，由于电机的突然卸载以及发动机转矩的滞后，会造成合成转矩的不足，使电机转速下降，出现一个波谷。而发动机在起动阶段，转速不稳定，易产生波动，在单向离合器的作用下，发动机转速不能大于电机转速，因此发动机会带着电机转速也产生波动，达到最大值后下降，最后趋于平稳。低速时，系统在14.31s发出电机起动发动机指令，14.57s发动机达到设定转速，起动时间不足0.3s;中速时此值也不足0.3s，能较好地满足起动时间要求，在行进中可以稳定起动发动机。但在整个起动过程中，由于未对转矩进行协调控制，产生了较大的冲击度，低速时最大冲击度达到28m/s3，中速时则达到了34m/s3，这会对车辆行驶造成较大冲击，不能满足平顺性的要求，因此须进行合理控制。

图10为采取转矩协调控制策略后的试验结果。由图可见，由于进行了转矩控制，电机转速在电机起动发动机过程中不出现明显的下降，但在发动机的作用下仍会产生一定的波动。低速时发动机起动时间小于0.3s，整个过程最大冲击度为10m/s3;中速时起动时间也小于0.3s，最大冲击度为13m/s3。起动时间均满足要求，且较大程度地降低了电机起动发动机过程的冲击度，验证了该策略的有效性。

仿真与试验结果表明，该混合动力系统在行进中能顺利起动发动机，但由于未进行转矩协调控制，使该过程产生转矩波动，电机转速下降较大，对车辆行驶造成较大冲击。采用所制定的转矩协调控制策略，能有效降低冲击度，满足平顺性要求。

4 结论

(1)对新型的单电机、双离合器式混合动力汽车结构和动力学模型进行分析，以发动机油耗为重点，按电机转矩划分了该车的工作区域，制定了驱动工况的转矩管理策略。

(2)制定了限矩离合器油压的模糊控制策略与转矩协调控制策略。利用电机响应迅速的特点，协调其与整车需求转矩、限矩离合器传递转矩和发动机转矩的关系，保证车辆正常行驶的同时顺利起动发动机，不造成动力中断或转矩过大的波动，满足动力传递的平稳性与乘坐的舒适性。

(3)对行进中电机起动发动机过程分别进行仿真和台架试验。结果表明，台架试验结果与仿真结果一致。未采用转矩协调控制策略时，发动机起动时间满足要求，但冲击度偏大;采取转矩协调控制后，发动机起动时间与冲击度均满足要求，改善了平顺性，验证了该控制策略的有效性。

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