混合动力汽车发动机辅助制动控制方法*

2014-02-27韩云武罗禹贡李克强

汽车工程 2014年12期

韩云武，罗禹贡，赵峰，李克强

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

混合动力汽车(HEV)电机制动力矩因有控制精确高和可大功率连续工作的特点，使陡坡缓降技术[1]在HEV上得到全新的拓展和应用，实现了全工况的下坡辅助控制(DAC)[2]，即车辆下坡滑行过程中，车辆由控制器进行制动控制，保持车速不增加的主动安全控制。辅助控制的使用大幅降低了下坡路段驾驶员的驾驶负担，提高了下坡路段车辆滑行时的行驶安全。但由于电机制动力矩受电机和电池状态影响较大，且电机最大制动力矩有限，DAC过程中发动机辅助制动作为电机辅助制动力矩不足或电机制动失效后的备用辅助制动机构具有重要的意义。

发动机辅助制动历来是车辆辅助制动领域研究的一个重点。在传统车辆辅助制动领域，发动机辅助制动目前已经成为应用最为广泛最为成熟的一种辅助制动方式[3-4]；在HEV联合制动的相关文献[5-7]中，有当电机制动力矩不足时要引入发动机辅助制动的相关描述，但未涉及具体的控制方法；在实验中发现丰田公司的混合动力汽车普锐斯滑行过程中，在车速高于一定阈值时发动机会有负转矩输出，但其具体控制策略并不清楚。如上所述，发动机辅助制动在传统车上的研究和应用已经相当成熟，在混合动力汽车的辅助制动中仅处于起步阶段，而在混合动力汽车下坡辅助中相关思想刚刚提出，目前还没有具体研究[1]。

基于HEV下坡行驶安全性和舒适性的提高，本文中提出并联式HEV_DAC发动机辅助制动控制方法。首先基于车辆下坡路段行驶时的安全性，提出HEV发动机辅助制动接入时机的控制策略。并基于并联式HEV的结构特点，以减小发动机辅助制动接入过程中离合器输入与输出端相对速度为目标，提出减缓发动机辅助制动接入过程冲击的起动电机和离合器动态过程控制策略。其次为保证发动机接入前后车辆运行的平稳，以车速为目标，提出发动机辅助制动接入过程中的基于PID的驱动(TM)电机控制策略。最后利用实车实验对发动机辅助制动控制方法进行验证。

1 HEV制动系统结构

HEV发动机辅助制动控制方法是基于本课题组HEV基础上开发的，与其相关的系统包括电机制动子系统和发动机制动子系统，其结构如图1所示。

图中电机制动系统包括TM电机、电池及其控制器。发动机制动系统包括发动机及其控制器(ECU)、离合器及其控制器和起动电机(BSG)及其控制器。各子系统独立工作，子系统的状态信息通过总线传到上层控制器，上层控制器根据车辆的运行状态与制动子系统的信息，对制动子系统进行制动力分配和子系统间制动力的动态协调。

2 HEV发动机辅助制动控制方法

为保证HEV滑行过程中行驶安全，进一步提高HEV滑行时能量回收效率，基于现有发动机辅助制动的相关研究成果，提出了一种并联式HEV_DAC过程中电机制动力矩不足情况下，基于安全性和舒适性的BSG电机、离合器、TM电机协调控制的HEV发动机辅助制动控制方法。

2.1 HEV辅助制动控制总体结构

针对并联式HEV提出辅助制动的过程总体结构，如图2所示，其中包括目标制定层、电机辅助制动控制层、发动机辅助制动控制层、部件执行系统和车辆系统。本文中将重点对发动机辅助制动层进行分析。

并联式HEV发动机辅助制动控制方法包括：基于安全性的发动机辅助制动接入控制策略；基于舒适性的BSG电机和离合器控制策略；基于车速闭环的TM电机转矩控制策略。其中，发动机接入控制策略解决发动机辅助控制最佳时机的选择问题；BSG电机和离合器控制策略解决发动机辅助制动接入过程中的冲击问题；而TM电机转矩控制策略则解决发动机接入过程和接入后目标车速保持平稳的问题。

2.2 发动机辅助接入及退出控制策略

辅助制动转矩不足而导致速度失控是车辆下坡滑行时发生事故的主要原因，故本文中提出以具有足够辅助制动转矩作为判断条件的发动机辅助制动控制策略，即车辆滑行过程中，当电机辅助制动转矩即将无法保证车速稳定时，接入发动机辅助制动，当车辆结束滑行时退出发动机辅助制动，具体如下：

(1)

以电机辅助制动转矩不足作为发动机辅助介入的条件与以车速作为发动机辅助制动介入的条件相比，不但可使发动机辅助制动在车辆下大坡低速滑行时得以接入，保证车辆的行驶安全；而且可充分发挥电机的制动能量回收特性，避免发动机辅助制动在坡度较小时不必要的介入引起能量损失，提高车辆的经济性。

2.3 发动机辅助制动协调控制策略

发动机辅助制动协调控制策略在发动机起动和离合器接合两个过程中，对相关部件进行协调控制，在保证过程快速、准确实现的基础上，减缓过程中对车辆的冲击。

2.3.1 发动机辅助协调控制的必要性

车辆滑行时，发动机存在怠速运转和怠速停机两种可能的状态，首先对这两种状态下直接接合离合器进入发动机反拖状态的结果进行分析。

图3为发动机停机状态下直接接合离合器过程中的发动机转速、TM电机转速和车速图。

由图可见：在离合器接合过程中，TM电机最高转速为806r/min，最低转速为643.3r/min，转速的最大波动为162.7r/min；车速和发动机转速也有明显的波动，且接合过程中驾驶员也能感觉到车辆有明显的抖动。其中发动机转速的有效值范围为600～5 000r/min，发动机转速图不能有效反映其转速由0上升至600r/min的动态过程。且由于TM电机与车轮间是机械连接，其转速可精确反映车速变化，故选用电机转速变化作为离合器接合过程中所产生的冲击的主要评价指标。

图4为发动机运转状态下直接接合离合器过程中的发动机转速、电机转速和车速图。

由图可见：在离合器接合过程中，TM电机最高转速为1 165r/min，最低转速为1 079r/min，转速的最大波动只有86r/min，车速和发动机转速无明显波动，驾驶员也无明显冲击感觉。

通过以上结果可以看出，发动机静止状态下直接接合离合器所产生的冲击，不仅对车辆舒适性有较大影响，而且会加速离合器磨损，影响车辆传动系的寿命。针对并联式HEV在此过程中的冲击，文献[8]和文献[9]中进行了相关研究，但其研究多集中于通过电机转矩协调减少换挡过程中的动力中断，及通过发动机和电机的转速控制减少离合器接合过程中对整车的冲击，这种方法虽可以改善离合器结合过程中车辆乘员的舒适性，但本质上并未改变此过程中离合器和传动系所产生的冲击。

2.3.2 发动机接入过程BSG和离合器的协调控制

根据并联式HEV的结构和发动机辅助制动动态过程的特点，制定了并联式HEV发动机辅助制动的发动机接入过程控制策略，即首先利用BSG将发动机(不喷油)拖动，当发动机期望转速与发动机转速之差小于阈值c时，发出离合器接合命令，当离合器完全结合并达到一定时间阈值b时，停止拖动发动机，发动机开始参与辅助制动，直至车辆滑行结束为止。其计算公式如下：

(2)

(3)

式中：ig为主减速比；i0为变速器减速比；ie_B为发动机与BSG电机间的速比；r为车轮半径；b为一定的时间阈值；c为一定转速差阈值；ωBSG为BSG电机的转速。

式(2)为发动机辅助接入过程BSG电机的控制策略，式(3)为发动机辅助接入过程离合器的控制策略。发动机辅助制动接入的具体过程见图5。

本文中所述并联式HEV发动机辅助制动时接入过程控制策略，以BSG电机转速精确可调为基础，以减小离合器输入与输出轴转速差为目标，从根本上解决了发动机接入过程中由于离合器输入与输出轴不同步引起的冲击过大的问题。

2.3.3 发动机辅助接入过程的TM电机协调控制策略

对发动机辅助接入过程进行受力分析，可得发动机辅助接入过程中的电机辅助制动转矩方程为

BTM=(Ff+Fw+Fi+Fj)r-Beng

(3)

式中：Ft为车辆行驶阻力之和；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Fj为加速阻力。

车辆下坡辅助制动以维持车速稳定为目标，故在发动机辅助接入过程中可设：

g=(Ff+Fw+Fj)r

(4)

式中g为常数。式(3)整理可得：

BTM=Fir-Beng+g

(5)

从式(5)中可以看出，发动机接入过程中的电机制动转矩与两个动态的变量相关，其中Beng与离合器接合的速率、车速和发动机本身的惯量相关，目前无法直接获得。而测量精确的动态坡度值所需设备成本较高，为此本文中提出了基于PID的HEV发动机辅助接入过程的TM电机转矩控制策略。

图6为基于车速闭环的TM电机转矩PID控制策略，该策略可实现BTM在发动机辅助接入过程中的动态求解，保证发动机接入过程中车速的平稳。

3 实验验证

为验证所提出的并联式HEV发动机辅助制动控制方法，利用本课题组的HEV实验平台，通过不同坡度在不同速度下对相关策略进行了验证，结果表明，控制效果仅受相关阈值和挡位影响，挡位越低，冲击越大。这里仅以2挡、标准8%下坡路段的实验数据为例进行分析。

实验条件：由于实验中坡长和坡度的有限，为达到发动机辅助接入的实验条件，实验中设滑行时TM电机转矩为5N·m，当TM电机辅助制动转矩大于6N·m时起动发动机辅助制动。

图7为有发动机参与的HEV_DAC过程图。

由图可见：41s时车辆处于滑行制动状态，电机处于模拟发动机制动转矩(-5N·m)状态，而后车速因坡度较大而不断增加，当车速增加超过一定阈值d(此处设d=1km/h)时，起动发动机辅助制动，但由于电机转矩的变化率被限制，不能马上达到使车速稳定的制动转矩，此时车速将继续增加，因此在车辆速度达到稳定之前，辅助制动转矩和车速均会出现短暂的超调；电机转矩小于-6N·m时进入发动机辅助制动模式，随着BSG电机的起动，发动机转速逐渐升高，当发动机转速与发动机的期望转速之差小于一定的阈值c(此处设c=50r/min)时，下达离合器接合命令，当离合器完全接合并达到一定的时间阈值b(此处设b=0.5s)后，停止BSG电机拖动。在发动机接入的过程中，电机转矩受以车速为目标的PID控制器控制缓慢减小，当发动机完全接入后，电机的转矩达到稳态值。此过程在保证车速基本稳定，车辆无明显冲击的基础上，实现了发动机的辅助制动的接入，为车辆下坡过程的制动安全提供了更加可靠的保障。

为充分验证发动机辅助接入过程BSG电机与离合器动态协调的结果，分别对发动机由静止接入辅助制动和发动机由怠速接入辅助制动的结果进行对比分析。