ISG型混合动力汽车发动机起动过程控制仿真分析

王俊华，肖 恺，黎润东，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（广州汽车集团有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

ISG型混合动力汽车发动机起动过程控制仿真分析

王俊华，肖 恺，黎润东，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（广州汽车集团有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

发动机自动起停是混合动力汽车节能减排的重要手段，对混合动力汽车的起动性能提出了更高的要求。混合动力汽车的ISG（Integrated Starter Generator）起动相比传统车的起动机起动可以获得更好的油耗、排放、振动和噪声性能。文中结合所研发的ISG型混合动力汽车，通过试验分析现有发动机起动过程的控制效果。为解决现有控制算法存在的转速超调量大的问题，设计了发动机起动过程的转速闭环控制算法，搭建了控制器和被控对象仿真模型。通过仿真分析研究了不同控制参数对起动过程转速控制效果的影响，得出了减少发动机喷油转矩和提高ISG转矩变化率限制可以改善转速控制效果的结论，为后续控制算法的改进和实车控制参数的标定提供了依据。

混合动力汽车；自动起停；起动；转速控制

0 引 言

当前，全球汽车工业正面临着能源短缺和环境污染的巨大挑战，节能、减排已经成为全球汽车工业的广泛共识。纯电动汽车由于电池技术的瓶颈，使其无法在合理的成本下获得较高的续驶里程。燃料电池汽车则由于催化剂的高昂价格使其成本居高不下。短期内，最有市场化前景的新能源汽车依然是混合动力汽车[1]。混合动力汽车较传统内燃机汽车具有更好的燃油经济性能和排放性能，因而成为国内外各汽车厂商研发的热点[2-3]。混合动力汽车可通过减小发动机排量、调节发动机工作区间、发动机怠速停机以及制动能量回收等方式有效降低汽车能耗以及排放[4]。

在混合动力汽车中，发动机自动起停是改善整车燃油经济性和降低排放的有效措施[1]。有研究表明，在美国城市工况下，怠速油耗占到整个循环工况油耗的17%[5]。据估算，混合动力汽车自动关闭发动机在城市工况可节油10%[1，6-7]。

在传统车上，由于不存在发动机频繁起停的现象，因而起动过程的油耗、排放、噪声和振动问题对整车性能的影响并不明显。相反，对于混合动力汽车，由于发动机起停十分频繁，发动机起动性能必须引起重视。不同的控制方法和控制参数对于车辆的油耗、排放、噪声和振动等起动性能有重要影响。目前的研究主要集中在发动机起动过程动力学仿真[8]、起动阻力模型[9]和起停控制策略及其优化方面[7]，而对于ISG起动发动机过程的控制方法研究则相对较少。

文中通过试验研究了自主研发的ISG型混合动力汽车现有的起动过程，分析了其存在的问题。在此基础上，提出了转速闭环控制的起动过程控制算法，并通过仿真分析研究了不同控制参数对起动性能的影响，为后续控制算法的改进和实车参数标定提供了依据。

1 混合动力汽车系统结构

图1所示是某混合动力汽车结构图。在发动机前置前驱的传统AMT变速箱汽车的基础上，在发动机曲轴输出端装有ISG，发动机和ISG的转矩共同经过离合器与AMT变速器相连，通过前差减总成传递到前轴，进而驱动车辆。ISG为可逆电机，既可以工作在电动机模式为车辆提供驱动力，也可以工作在发电机模式产生电能。ISG还可以用作起动机以实现自动起停功能。相比起动电机，ISG可以提供更大的转矩输出，加快发动机起动速度，但需要不同的控制方法和参数以减小超调。

2 现有起动过程的试验分析

现有的起动过程控制与传统车十分相似，在需要起动时，ISG模拟传统车的起动机，将发动机拖动到较低的转速（如200 r/min）后，发动机开始喷油，后续由发动机按照传统车起动过程的控制方法完成起动。该方法不需要重新标定EMS起动过程的控制参数，实现起来较为简单。但是，由于仍采用传统车的起动过程控制方法，考虑到水温、油温较低的情况下汽油雾化情况不佳，为避免失火而采取一定的过浓混合气来保证足够的起动转矩，相应的会造成发动机起动过程油耗高、排放差、噪声和振动明显的问题[10-11]。

图2给出了现有起动过程的实车测试数据。从图中可以看到，起动开始后，ISG转矩在0.25 s之后达到最大值，在0.48 s发动机转速首次达到怠速转速，在1.82 s发动机转速稳定（进入900±45 r/min区间）。从图中可以看出，起动开始约0.7 s后发动机转速超调达到约50%，转速最大值超过1 400 r/min。现有的起动过程控制算法由于仍采用传统车的起动控制算法，发动机通过过浓混合气来保证起动转矩，是一种开环控制，不可避免的存在超调量大，起动性能较差的问题[12]。

由于传统车一般每次驾驶循环仅需起动一次，因而起动过程的油耗、排放以及噪声和振动问题并不十分显著。但是，对于具有自动起停功能的混合动力汽车，通常在一次驾驶循环需要起动数次甚至数十次，这些问题对整车性能的影响十分显著。因而，有必要对现有的起动性能进行优化。

3 ISG转速闭环控制的起动策略

为改善起动过程的油耗、排放以及振动和噪声问题，文中提出一种发动机起动过程的转速控制算法。该算法仍采用ISG作为起动机，但由于ISG相比起动机具有较大的转矩能力，因而利用ISG将发动机拖动到接近怠速转速再开始喷油，从而降低油耗和排放；且由于ISG响应迅速，可以在整车起动过程中利用ISG对发动机转速进行调节，使转速按照预设上升率平稳上升，减少转速超调，从而改善起动过程的噪声和振动问题。

该控制算法在VCU（整车控制器）中实现，图3给出包含VCU、ISG、EMS以及CAN总线在内的电控系统结构图、VCU发动机起动控制模块的原理框图。该控制算法主要包括目标转速计算模块、转速PI调节模块、ISG转矩限制模块和喷油控制模块。目标转速计算模块根据起动过程持续时间查表得到当前期望的发动机转速作为目标转速。为了得到一个较为平滑的起动过程，将目标转速设置为随时间变化的斜坡函数，发动机目标转速按固定斜率上升，直至达到怠速转速（900 r/min）。目标转速与实际转速之差输入PI控制器从而计算出合适的ISG转矩需求，经过ISG限制模块后作为ISG转矩指令发送给ISG执行。ISG转矩限制模块主要对ISG的转矩变化率和转矩峰值进行限制，以起到对ISG部件的保护作用。喷油控制模块通过将发动机转速与喷油转速阈值进行比较，从而在发动机转速达到预设值时向EMS发送喷油指令。

4 仿真模型

为了快速考察不同控制参数的影响并为实车标定提供指导和依据，建立了发动机起动过程转速闭环控制的仿真模型。仿真模型由两部分组成，分别是控制器模型和被控对象模型。其中控制器模型按照前述控制算法搭建。被控对象模型的结构如图4所示。被控对象包括发动机和ISG两部分，发动机转矩和ISG转矩共同作用于发动机和ISG的转动惯量之和，经过积分器得到发动机转速。ISG转矩的动态响应用一阶惯性环节模拟，其时间常数通过电机台架试验测得。

在收到喷油指令前，发动机转矩仅为摩擦转矩，不同水温和转速下对应的摩擦转矩通过台架试验测得。在收到喷油指令后，发动机转矩随发动机水温、转速和喷油持续时间变化，通过对大量实际数据的分析，总结成不同水温下发动机转矩随转速和喷油持续时间变化的多张表格，从而建立起动过程中发动机转矩产生的模型。

5 转速闭环控制的仿真分析

在搭建了仿真模型之后，就可以快速地对发动机起动过程的转速闭环控制进行仿真分析，考察不同参数的控制效果（目标转速上升斜率、发动机喷油转速、ISG转矩变化率、PI控制参数等）。值得说明的是，还可以通过调整被控对象的参数，考察被控对象参数对控制效果的影响，如喷油后的发动机转矩大小对控制效果的影响（用相对于传统车起动转矩的百分比表示）。为突出重点，文中仅考虑暖机起动的情况，暂不考虑不同发动机水温条件下的差异。目标怠速转速设置为900 r/min，发动机喷油转速设置为700 r/min。ISG转矩响应时间常数设置为50 ms。表1给出了5组具有典型意义的仿真参数。

针对第1组参数，较大的Kp参数会使系统失稳，经过不断尝试，控制器选取Kp=0.2，Ki=0.5时可得到较好的控制效果。仿真结果如图5所示。图5（a）给出了发动机期望转速、实际转速以及转速差（目标转速减实际转速）随时间变化的曲线；图5（b）给出了ISG转矩需求、ISG实际转矩、发动机转矩以及总转矩（ISG实际转矩+发动机转矩）随时间变化的关系。从图中可以看出，在发动机喷油前，发动机实际转速可跟随目标转速曲线上升，转速差在0.5 s后小于30 r/min，发动机喷油后，从转矩图可以看到，一方面发动机转矩有一个较大的正向突变（约100 Nm），相当于给系统引入一个较大的扰动；另一方面，ISG的转矩往负向调整，由于变化斜率的限制，导致总转矩调整过程缓慢。以上两个方面导致转速发生超调（转速超过1 200 r/min，超调量345 r/min），稳定时间较长，稳定到怠速转速（900 ±45 r/min）的时间1.51 s。

为了获得更好的转速跟随效果和更小的转速超调，从而改善振动和噪声性能，一是要减小发动机喷油后的转矩输出，二是要提高ISG转矩变化率的限制。第2组仿真参数将发动机喷油后转矩降低为原来的20%，其他参数不变，仿真结果如图6所示。发动机转速超调量明显减小，只有68 r/min。稳定到怠速转速的时间也缩短为1.26 s。从转矩变化曲线可以看出，喷油后发动机转矩突变减小（至约40 N·m），这说明，减小发动机喷油后的转矩输出可以实现更好的转速控制效果。

第3组参数在第2组参数的基础上调整控制器的PI参数，通过反复尝试获得较优的PI控制参数Kp=0.5，Ki=0.4。如图7所示，在Kp从原有的0.2提高到0.5时，转速超调进一步减小到41 r/min，稳定到目标转速的时间也缩短为0.89 s。这说明，在较小的发动机喷油转矩下，可以采用更大的P参数以获得更好的控制效果。

在第3组参数的基础上，第4组参数将目标转速上升率增加到2000 (r/min)/s，PI参数反复尝试调整至Kp=0.35，Ki=0.4，图8给出了这组参数的仿真结果。可以看出，转速跟随效果变差，超调量增加到296 r/min。从转矩曲线可以看出，ISG转矩已经受到变化斜率限制。这说明，在目标转速上升率加快时，系统控制难度增加，对ISG转矩变化率提出更高的要求。

除了减小发动机喷油后的转矩输出，另一种改善转速控制效果的方法是提高ISG转矩变化率限制。第5组参数在第4组参数的基础上将ISG转矩变化率从540 Nm/s增大到2 500 Nm/s后，经反复尝试取Kp=0.5，Ki=1.0。图9给出了仿真结果。可以看到，在较大的ISG转矩变化率限制下，即便目标转速上升率较快，仍能够实现较好的转速跟随，发动机转速超调量仅79 r/min，达到稳定怠速时间也较短，为0.63 s。

以上5组不同参数的仿真结果中，累积转速误差为转速偏差绝对值的积分，用于衡量转速跟随效果，误差越小，表明转速跟随效果越好。显然，第5组参数的仿真结果最好。这说明，为获得较好的转速控制效果，应当减少喷油后发动机输出转矩，增加ISG转矩变化率限制，同时采用合适的PI控制参数。

6 结论和展望

针对某ISG型混合动力汽车，通过试验分析现有的发动机起动过程，其存在转速超调量大，起动油耗、排放、振动和噪声性能差的问题。为解决这些问题，设计了起动过程的转速闭环控制算法，搭建了仿真模型。通过仿真分析了不同控制参数对转速控制效果的影响，得出了减少发动机喷油后转矩和提高ISG转矩变化率限制可以改善转速控制效果的结论，为后续控制算法的改进和实车控制参数的标定提供了依据。

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U464.142.02

A

2014-04-21

1002-4581（2014）04-0018-06