混合动力大客车起步AMT离合器控制研究

秦琳琳，李守成，孙成全，张洪生

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210194；2.75134部队 保障处，广西 崇左 532200)

混合动力大客车起步AMT离合器控制研究

秦琳琳1，李守成1，孙成全2，张洪生1

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210194；2.75134部队 保障处，广西 崇左 532200)

起步离合器控制一直是AMT系统的重点和难点，单轴并联式混合动力大客车由于多个动力源的存在，起步方式也变得多样化，对离合器控制提出了新的要求。在传统PID控制方法的基础上增加了分段控制，建立了混合动力大客车AMT离合器的起步控制模型并进行仿真。结果表明：该离合器控制模型能够满足不同起步意图的要求，其性能得到很大改善。

起步；离合器； 混合动力； AMT

0 引言

将电控机械式自动变速器(AMT)技术应用在单轴并联式混合动力大客车上，使原来的变速箱控制单元(TCU)与整车控制单元(HCU)集成在一起，控制发动机、电机、离合器、变速箱的协调工作。动力源的增加一方面使得离合器控制变得更加复杂多样化，另一方面可以在特定情况下改善离合器的控制效果，传统的PID控制算法已经不能适应这种变化，为了达到离合器控制的要求，很多专家已经研究出新的控制方法。

李冬冬[1]建立的模糊控制器，可以根据专家经验推理出合理的接合速度去控制离合器的接合；罗文俊[2]研究的仿人智能控制理论可以利用计算机模拟人的控制行为功能从而实现离合器的自学习控制；唐娜娜等人[3]提出的优化控制方法可以在兼顾冲击度和滑磨功的前题下实现车辆的快速平顺起步；倪成群等人[4]提出的离合器接合过程中的动态转矩控制策略有效改善了整车的纵向冲击度，提高了整车驾驶性能。以上控制方法都具有一定的可行性，但是计算量都比较大，会给离合器控制的及时性造成一定影响。本文研究对象是某单轴并联式混合动力大客车AMT系统的离合器，在已经成熟的增量式PID控制离合器的基础上，增加分段控制，计算简单，可以实现混合动力大客车的快速平稳起步。

1 起步方式分析

单轴并联式混合动力大客车AMT系统的结构如图1所示。该车采用永磁同步电机辅助发动机工作，并将其置于离合器与自动变速箱AMT之间，通过控制发动机和电机之间的离合器，使得该混合动力大客车的起步方式变得多样化。

混合动力大客车主要有3种起步方式：电机起步、发动机起步和坡道起步。

图1 单轴并联式混合动力大客车AMT系统结构图

(1) 电机起步。在高压电就绪之后，若SOC电池电量显示正常(30%～80%)，则采用电机起步，此时发动机处于怠速状态，离合器分离。在切换到发动机工作之前，离合器将一直处于分离状态。离合器采用电机驱动气助力式执行机构，在气助力作用下将离合器分离到位之后电机不需要再进行工作，HCU只需控制电磁阀始终处于开启状态，离合器便在气缸压力的作用下保持分离，避免了离合器电机持续工作会产生过多热量的弊端，也提高了离合器执行机构的使用寿命。

(2) 发动机起步。在电池电量不足或电机扭矩不足以克服整车阻力矩时，采用纯发动机起步方式，此时电机不参与工作。起步之前首先要启动发动机，发动机的启动有两种方式，一种是由发动机自带的起动机启动发动机，另一种是利用动力电机启动发动机。发动机起步时与传统AMT车起步情况类似，只是从动部分多了一个电机的自由转动惯量，根据油门踏板开度，又可分为慢起步、正常起步和快起步。

(3) 坡道起步。在坡道上起步时，由于阻力较大，通常需要发动机和电机同时工作以提供更大的驱动力。此时对离合器的控制不再是单体控制，还要控制发动机和电机的扭矩平衡。传统车辆坡道起步时，为了防止车辆溜车，离合器的半联动点控制就非常重要，在本文研究的混合动力大客车上，需要根据坡度的不同确定半联动点的不同位置，使离合器接合控制更准确，坡道起步更加平顺。

2 起步控制方法

2.1 传统PID控制

根据控制量的不同，将离散化的PID控制分为位置式PID控制和增量式PID控制两种算法。位置式PID控制输出控制量的绝对值，它决定了控制机构的位置，其表达式如下：

KD[e(k)-e(k-1)]}.

(1)

其中：u(k)为第k次采样时刻的输出值；KP、KI、KD分别为比例系数、积分系数、微分系数；e(k)、e(k-1)分别为第k次、第k-1次采样时刻输入的偏差值。该控制方法的控制量输出值与过去所有状态都有关，一旦输入信号受到干扰，u(k)就会出现较大偏差，导致控制机构位置的大幅度变化，这种变化有可能会对动力系统造成巨大的冲击。

增量式PID控制是相对位置式PID控制定义的，它的执行机构接收的是控制量的增量，增量式PID控制可根据位置式PID控制递推得出其控制规律：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+

KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)].

(2)

其中：Δu(k)为第k次的输出增量；u(k-1)为第k-1次采样时刻的输出值；e(k-2)为第k-2次采样时刻输入的偏差值。增量式PID控制的优势在于错误值不累加，输出值只是和最近k次取样有关，具有更好的控制效果，故本文采用增量式PID控制。

2.2 分段PID控制

分段PID控制是在增量式PID控制的基础上增加分段控制区间而来的。离合器接合过程的控制系统是一个非线性时变系统，式(2)中的增量式PID控制采用一组固定的PID参数，难以保证离合器在各种状态下均能获得最佳控制效果。针对这种情况，本文增加分段控制区间，即根据误差的大小及其变化规律将离合器位置机构分为不同的区间，每个区间标定相应的控制参数。与传统的增量式PID控制方法相比，增加分段控制区间的增量式PID控制具有不同的参数组合，能适应各个阶段离合器的工作状态，从而可以达到更好的控制效果。

图2为典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线。其中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ所表示的区域误差绝对值在减小，此时可采取保持等待控制；Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ所代表的区域误差绝对值在增加，此时可以根据误差大小采用不同的控制强度，误差越大，控制力度越大，从而抑制动态误差的存在[5]。

图2 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线

离合器的分段式PID控制模块如图3所示。位置误差e(k)和位置误差增量Δe(k)反馈到阈值判断模块，根据e(k)和Δe(k)所在的区间来确定PID参数的值。基本思路如下：

图3 离合器的分段式PID控制模块

(1) 比例系数KP可以加快系统的响应，同时提高系统的调节精度，所以当|e(k)|>M1或当|e(k)|>M2且e(k)Δe(k)>0时(M1、M2为设定的误差限值，且M1>M2)，要增加KP的值，使用控制器的最强修正作用。此时误差已经很大或者误差正在增加，需要用最大的控制量来减小误差。当e(k)Δe(k)<0、Δe(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0时，说明误差值在趋于减小或者已经达到平衡，此时不需要对控制器进行修正。

(2) 积分系数KI主要用于消除系统的稳态误差，也影响到系统的调节精度。当|e(k)|≤ε时(ε为任意小的正实数)，说明误差绝对值很小，此时加入积分项，便可消除稳态误差。

(3) 微分系数KD的作用是对偏差变化进行提前预报，以改善系统的动态性能。当e(e)Δe(k)<0且Δe(k)Δ(k-1)<0时，说明误差处在极值，如果此时误差绝对值较大(即|e(k)|>M2)，则考虑较强控制作用，增大微分系数KD的值；如果此时误差绝对值较小(即|e(k)|≤M2)时，则考虑较弱控制作用，减小微分系数KD的值。

3 仿真验证

利用MATLAB/Simulink仿真平台建立离合器的起步控制模型，以电机起步和发动机起步为例，对混合动力大客车起步时离合器的分离和接合过程进行分析，得到的相关参数变化曲线如图4和图5所示。

图4 电机起步时相关参数变化曲线

从图4和图5中可以看出：电机起步时离合器分离速度快，发动机输出扭矩为零，车速变化平稳，冲击度较小；发动机起步时离合器总体上按照“快-慢-快”的规律接合，滑磨时间大约为1.9 s，电机不输出扭矩，在发动机扭矩和离合器接合的作用下，电机转速增加，最终与发动机同步，车辆起步成功，冲击度也满足极限值要求。两种起步方式相比较，电机起步时冲击度更小，故舒适性较好；发动机起步时的动力性更好，能在较短时间内加速。

4 结论

以某单轴并联式混合动力大客车为依托，对其起步过程中AMT离合器的控制进行了研究，分析了混合动力大客车的不同起步方式。将本文所提出的分段PID控制方法应用于离合器系统，对起步时离合器的分离与接合过程进行了仿真。仿真结果表明，该控制方法可以实现对离合器的有效控制，满足车辆的动力性与平顺性要求，具有很好的可行性。

图5 发动机起步时相关参数变化曲线

[1] 李冬冬.汽车起步阶段AMT离合器模糊控制方法研究[D].秦皇岛:燕山大学,2013:31-32.

[2] 罗文俊.AMT系统离合器自学习算法的应用研究[D].合肥:合肥工业大学,2010:24-27.

[3] 唐娜娜,陈勇,高阳,等.6-AMT微型乘用车起步优化控制[J].汽车技术,2014(4):21-24.

[4] 倪成群,张幽彤,赵强,等.混合动力离合器结合过程的动态转矩控制策略[J].机械工程学报,2013(4):114-121.

[5] 马涛.AMT离合器控制系统的研究[D].南京:南京理工大学,2014:41-42.

Study on AMT Clutch Control of Starting Hybrid Electric Bus

QIN Lin-lin1, LI Shou-cheng1, SUN Cheng-quan2, ZHANG Hong-sheng1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210194,China; 2.75134 Troop of PLA, Chongzuo 532200, China)

Starting clutch control is always the key point in AMT system. Single axle parallel hybrid electric bus has different starting ways due to the existence of multiple power sources, which puts forward new requirements for clutch control. This paper increases sectional control on the basis of traditional PID control method. The AMT clutch starting control model of hybrid electric bus is established and simulated. The simulation results show this clutch control model can meet the different requirements of starting intention. Its performance is greatly improved.

starting; clutch; hybrid power; AMT

1672- 6413(2015)06- 0167- 03

2015- 01- 13；

2015- 08- 20

秦琳琳(1991-)，女，山东泰安人，在读硕士研究生，研究方向：汽车自动变速器技术研究。

TP391.7∶U469.1

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