基于P2架构混动系统EV至HEV模式切换控制研究

郝美刚，于忠贵，方立辉，辛海霞，贾林娜



基于P2架构混动系统EV至HEV模式切换控制研究

郝美刚，于忠贵，方立辉，辛海霞，贾林娜

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

文章针对单电机P2系统行进间起动发动机及参与至传动链过程控制进行了研究分析，提出了“发动机拖起阶段、发动机初期燃烧上冲阶段、转速同步阶段、K0离合器结合阶段以及扭矩交接控制阶段”分段优化/整体均衡的控制策略。实车测试结果表明，所提出的控制策略可将系统冲击及响应性控制在合理水平。

P2系统；发动机拖起；系统冲击

1 引言

能源危机、环境问题、法规要求等，促使汽车由传统动力车型逐渐向新能源车型发展。从相关行业发展、政策导向及各大车厂宣传等来看，混合动力车型将是未来数年的发展趋势。业内曾有一种观点“世界上只有两种混动，一种丰田，一种是其他”。

从当前各大厂商推出的混动车型架构配置看，主流的混动构型可以归纳为三类：①以丰田为代表的PS(Power Split)动力分流构型；②以欧系和韩系为代表的P2构型；③以本田i-MMD为代表的串联式变种（在串联的基础上增加了发动机直驱模式）。这三种混动构型在技术上各有优劣，发展轨迹也各有千秋，其主要原因来源于三个方面：①企业自身的技术积累过程；②专利壁垒；③市场需求及政策导向。

关于P2架构混动，业界公认的难点之一：“行进间起动发动机及参与至传动链过程（EV模式切换至HEV模式），系统对车辆行驶平顺性的冲击”。本文基于单电机P2系统，针对EV至HEV模式切换过程系统控制进行了研究分析，提出了“发动机拖起阶段、发动机初期燃烧上冲阶段、转速同步阶段、K0离合器结合阶段以及扭矩交接控制阶段”分段优化/整体均衡的控制策略。

2 P2混合动力系统架构

关于P2架构混动系统，目前业界主要有如下图1所示的单电机P2系统、单电机P2+起动机系统、单电机P2+双离合器系统，以及P0+P2系统四种主要配置形式；各系统主要特点等，本文不再赘述（业内相关文献资料较多）。由于各系统主体配置的不同，其在成本、控制难度，以及驾驶舒适性上存在一定差异。

图1 基于P2系统配置简图

3 单电机P2系统EV至HEV模式切换过程系统控制

3.1 控制原理提出

对于单电机P2系统的发动机拖起及介入传动链，是通过VCU协调控制MCU、EMS、TCU等，使得ISG电机、发动机、K0及变速器等去合理执行，予以满足系统响应性、舒适性、排放、油耗等设计指标。

单电机P2系统由EV模式切换至HEV模式的控制原理如下图2所示，此过程控制可分为6个阶段（第①至⑥）。第①阶段ISG拖动发动机阶段；第②阶段发动机燃烧上冲阶段；第③阶段和第④可合称为转速同步阶段；第⑤阶段K0离合器快速结合阶段；第⑥阶段动力源扭矩交接阶段。

图2 单电机P2系统EV切至HEV控制原理图

3.2 发动机拖起阶段控制

根据变速器输入轴扭矩T_input=T_k0+T_isg，因此在EV模式下拖起发动机过程中，ISG电机加载扭矩应包含“变速器输入轴需求扭矩以及K0拖起发动机的负载扭矩”两部分。发动机起动时，一般驾驶员能感觉到的振动主要分为“拖动阶段”和“初始燃烧阶段”[1]两个阶段。

拖起阶段K0离合器压力以及ISG扭矩补偿的协调控制，应尽量满足K0离合器产生的负载（发动机损失）扭矩能通过ISG补偿扭矩“抵消掉”。通过合理的KO压力、ISG扭矩补偿曲线形状及标定参数（与具体的发动机、变速器、ISG硬件及使用“环境”等有关），去合理优化“发动机拖起响应、车辆拖/拽感”。不难发现，系统硬件匹配、策略设计时，应充分考虑ISG电机拖起预留扭矩裕度（ISG电机拖起扭矩的大小与发动机本体、机油温、拖动响应时间等有关，初始值可设为50-70Nm去进一步迭代优化[2]）。

3.3 发动机初期燃烧上冲阶段

传统车型发动机起动，一般由起动机拖动发动机、EMS检测到同步信号后即进行喷油、点火等控制、EMS根据发动机上冲转速阈值判断发动机是否起动成功，完成发动机的起动控制。

对于P2混动系统，EV行车间可利用ISG电机在0.1-0.2s将发动机拖至喷油转速（发动机首次喷油时的转速，例如800rpm）然后完成发动机的起动控制[3]。发动机喷油转速应根据具体硬件、排放、油耗、起动可靠性等综合标定优化选择。需要注意的是EMS软件起动控制策略应相对传统车型升级，例如：进气、喷油及点火控制；起动成功判断方式等。由于发动机高度非线性，发动机起动过程EMS一般采取开环控制，初期燃烧及上冲阶段很难精确控制。

3.4 转速同步阶段

转速同步阶段是指K0结合前将发动机与ISG电机转速控制在较小速差内，从而减小K0结合时由于发动机惯性对车辆产生的冲击。转速同步阶段，由于发动机转速响应时间及控制精度问题，实际中可采取发动机转速响应的同时、利用K0压力控制将速差控制在可接受的范围（一般速差35rpm以下属于良好水平，实际中各工况很难均达到此水平）。

3.5 K0离合器结合阶段

K0离合器结合阶段是指转速同步达到要求后，快速压紧K0离合器的过程。关于此阶段的开始时机，控制策略中可采取“基于速差及时长阈值”判断决策；在制定控制策略时，基于系统响应性、舒适性的同时，也应充分考虑某些情况下出现的“由于速差同步控制而长时等待”的处理机制（应避免出现由于转速同步控制失败时，K0结合可能被无限期延迟的情况），此情况下可能会出现明显的系统冲击。

3.6 扭矩交接控制阶段

扭矩交接控制阶段是指在K0离合器结合完成后，通过ISG电机扭矩和发动机扭矩的移交完成模式切换。扭矩交接可以采用如下图3所示的控制方法，总体思路是变速器输入轴目标扭矩是驾驶需求扭矩或者外围部件限制扭矩；T_input req = T_eng req + T_isg req；由于发动机实际响应速度及精度，发动目标扭矩可以采取既定的扭矩分配策略、ISG目标扭矩可采取变速器输入轴目标扭矩与发动机实际扭矩差值自适应调整；扭矩移交过程，发动机目标扭矩可采取如下图3所示的“一定斜率直线”的方式。

图3 扭矩交接控制原理图

4 EV至HEV模式切换过程实车标定优化

单电机P2系统EV至HEV模式切换控制过程中，系统对车辆的冲击多出现在发动机拖动阶段以及发动机初始燃烧阶段，如下图4及5中标注的①②③处所示。其中图4中的①处出现ISG电机转速下跌、实际驾驶车辆“后拽感”，其主要原因是随着K0实际压力增加、KO负载扭矩增加，而未对ISG电机进行适当的扭矩补偿；图4中的②处出现ISG电机转速上冲、实际驾驶车辆“前推感”，其主要原是初期燃烧阶段发动机的燃烧稳定性及可控性相对较差、而K0压力未及时释放，扰动传至车轮所致。

图4 无ISG补偿扭矩测试曲线

如图5所示的①及②处出现ISG电机转速上冲/下跌、实际驾驶车辆“前推感/后拽感”，其主要原因是ISG补偿扭矩与K0压力控制的负载扭矩未合理“抵消”引起。

如上文图2所示的实车测试曲线，其是我们基于一个固定工况、通过反复优化相关标定参数的一个测试结果。通过拖动阶段ISG补偿扭矩和K0压力控制负载扭矩的合理抵消，可减小此阶段系统控制对车辆驾驶造成的“拖拽感”；发动机拖起成功后，及时将K0压力降低至kisspoint点以下附近、可减小“发动机初始燃烧不稳定”对系统造成的冲击；转速同步阶段，利用发动机转速自调节、同时控制K0离合器压力将速差控制在小于40rpm的水平。

图5 典型拖/拽测试曲线

由于系统硬件的实际特性（电磁阀特性、油压特性、油泵特性、发动机高度非线性、制造精度、控制器及相关信号的延迟，以及使用环境等边界特性），系统的实际响应及控制精度会随着“相关磨损/衰减”及使用环境的变化出现一定的变化；单电机P2系统控制很难做到完全兼顾。相比上文提到的“P0+P2系统”及“单电机P2+双离合器系统”,单电机P2系统的控制实现性相对较难（同等指标要求下）。

5 结束语

本文针对单电机P2系统由EV至HEV模式切换过程的系统控制进行了研究分析。实车测试结果表明，采取文中所提的“发动机拖起阶段、发动机初期燃烧上冲阶段、转速同步阶段、K0离合器结合阶段以及扭矩交接控制阶段”分段优化/整体均衡的控制策略，可将系统冲击及响应性控制在合理水平。

[1] Ming L.Kuang,An Investigation of Engine Start-Stop NVH in A Power Split Powertrain Hybrid Electric Vehicle,SAE Paper,No.2006 -01-1500.

[2] 刘永刚,秦大同,等.单电机重度混合动力系统行进间发动机起动控制策略研究[J].汽车工程,2015年01期.

[3] 周健豪.混合动力汽车起/停工况瞬态排放特性与优化控制策略（硕士论文）[D].江苏:江苏大学,2011.

Research On EV To Hev Mode Switching Control Of Hybrid System Based On P2 Architecture

Hao Meigang, Yu Zhonggui, Fang Lihui, Xin Haixia, Jia Linna

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjing Harbin 150060）

In this paper, in view of the single motor P2 system moving starting engines and participate in process control are analyzed to transmission chain, put forward the "engine drag up the stage, the engine combustion on the early stage, the speed synchronization phase, K0 clutch combination of phase transition and torque control stage" section optimization/balanced control strategy as a whole. The test results show that the proposed control strategy can control the system impact and response at a reasonable level.

P2 system; Engine towed; System shock

A

1671-7988(2019)05-11-03

U463

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1671-7988(2019)05-11-03

U463

郝美刚（1983-），男，工程师，研究生学历，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司，从事发动机匹配标定、混合动力控制策略开发工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.003