混合动力汽车起动发动机过程变速箱控制研究

桂鹏程，尹良杰，戴冬华,辛航

(安徽江淮汽车集团股份有限公司变速箱研究院，安徽合肥 230601)

0 引言

随着汽车油耗要求越来越严，越来越多的汽车制造企业开始研发混合动力汽车。与轻度混合动力汽车不能实现纯电行驶不同，重度混合动力汽车具有纯电驱动模式，低速情况下车辆由纯电机驱动行驶，中高速由发动机驱动行驶，急加速由发动机和电机联合驱动行驶，因此不但可以减少发动机在低速和低负荷非经济区域工作，提高车辆燃油经济性，而且通过电机助力可以提升整车动力性。

目前市场上已量产的重度混合动力汽车主要分为两种：一种是以日系丰田为代表的Prius混合动力系统，如普锐斯、卡罗拉双擎等；另一种是以欧洲大众为代表的P2方案混合动力系统，如Jetta混动、索纳塔混动等。在中国，P0/P1/P2/P3/P4等技术方案均有厂家涉及，其中P2方案技术发展较为成熟,如比亚迪的秦Pro、长安的逸动新能源等。

对于混合动力汽车，尤其是P2方案的混合动力汽车，行驶过程中电机起动发动机的平顺性直接影响顾客的使用体验，因此也成为混合动力汽车控制的核心。

本文作者所研究的基于P2方案的单电机重度混合动力系统简图如图1所示。该系统主要由发动机、C0离合器、电机、双离合自动变速箱组成。其主要的工作模式包括：纯电驱动模式下，C0离合器打开，发动机不工作，扭矩通过双离合自动变速箱传递给车轮；发动机驱动模式下，C0离合器闭合，发动机工作，电机不工作，发动机扭矩通过双离合自动变速箱传递给车轮；混合驱动模式下，电机和发动机工作，C0离合器闭合，电机和发动机扭矩通过双离合自动变速箱传递给车轮。纯电驱动模式切换到发动机驱动模式由电机起动发动机实现，本文作者将通过分析此过程中发动机、电机、变速箱的控制关系，提出变速箱的控制逻辑，最后通过试验进行确认。

图1 基于P2方案单电机重度混合动力系统

1 电机起动发动机过程分析

针对混合动力车辆起动发动机过程中电机和发动机的控制有大量研究，文献[1-2]中研究了混合动力汽车发动机和电动机工作模式切换过程中，对发动机、电动机、电池的控制；文献[3]中介绍了起动发动机过程中，对发动机的控制；文献[4]中针对插电式混合动力车辆发动机起停控制的进入条件进行了研究，提出电池荷电状态(SOC)可以作为发动机起停的判断条件。文献[5]中通过对发动机起动过程中阻力特性的建模和仿真，提出电机的控制策略。以上文献较少提到此过程中对变速箱离合器的详细控制。但通过图1可知，此过程不光涉及到发动机、电机、电池等而且还需要对变速箱进行精确的控制，以确保行驶过程中发动机和电机的扭矩能够平顺地输出到车轮。

正常驾驶过程中，变速箱离合器的控制扭矩参考动力源净扭矩，也就是传递到变速箱双离合器主动盘上的扭矩。但是混合动力汽车在起动发动机过程中，电机需要提升扭矩以起动发动机，此时净扭矩较大，如果按照正常驾驶过程控制变速箱，将导致电机无过多的扭矩起动发动机，而且车辆会急加速有冲击，此时变速箱控制器需要变换参考源为当前油门踏板对应的驾驶员期望扭矩，以确保电机增加的扭矩仅用于起动发动机，同时传递到车轮端的扭矩与驾驶员期望保持一致。

为此，本文作者针对此过程，增加变速箱的控制分析如下，分为3个阶段：

(1)起动静止阶段。此阶段变速箱接收到整车控制器起动发动机指令后，控制变速箱离合器扭矩，使双离合器处于滑摩状态，然后电机提升转速，增加扭矩，确保传递到车轮的扭矩没有突增。

(2)起动加速阶段。即电机的输出转矩超过发动机的静摩擦阻力矩，C0离合器滑摩，电机驱动发动机旋转并快速上升到设定的转速，然后发动机点火。

(3)起动终止阶段。C0离合器完全结合，电机和发动机转速同步，发动机和电机扭矩完成交替，电机退出工作，变速箱离合器锁止。详细过程如图2所示。

图2 电机起动发动机过程时序

2 起动发动机过程中变速箱离合器的控制策略

通过对电机起动发动机过程的详细分析，针对变速箱的控制，主要分两阶段：第一阶段为准备阶段，通过对变速箱的控制，使电机扭矩上升不会对整车驾驶产生冲击；第二阶段为电机起动发动机实施及恢复阶段，通过电机升扭、C0离合器结合、发动机点火和变速箱的协调控制实现，保证起动发动机过程与正常驾驶过程的平顺衔接。

第一阶段，电机起动发动机前，通过控制双离合器压力，使离合器主、从动盘的转速差达到某一个值ω1，而且对应的离合器扭矩不高于此时的驾驶员期望扭矩，以便电机提转速，为精确控制，离合器扭矩采用PI控制器进行控制，如图3所示；第二阶段参考驾驶员期望扭矩，在确保离合器主、从动盘的转速差不低于ω1前提下，按一定的差值，对双离合器的扭矩进行控制，在传递驾驶员需求扭矩的同时，满足电机升扭并起动发动机的需要；在电机和发动机转速同步后，离合器扭矩将以跟随驾驶员期望扭矩上升到净扭矩。

图3 准备阶段变速箱离合器扭矩控制

3 实车试验

此策略用在江淮某款车辆上，如图4所示。

图4 电机起动发动机过程测试数据

由图4可知：驾驶员踩下油门后，触发电机起动发动机命令，第一阶段174.6～174.8 s，变速箱加载扭矩下降并低于驾驶员期望扭矩，电机扭矩上升，由于变速箱的控制，车速在整个过程未有明显加速，由于变速箱转速差的控制，电机上升的转速并未传递给车轮；第二阶段174.8～175.2 s，通过变速箱的控制，确保电机有足够的扭矩成功地起动发动机，且传递了相应的扭矩， 整个过程车速变化平稳，无明显抖动。

试验结果表明：文中的行驶过程中起动发动机的变速箱控制策略是正确、有效的。

4 结论

混合动力汽车行驶过程中电机起动发动机的控制是一个系统复杂的问题，需综合考虑发动机、电机、变速箱、整车及驾驶员意图等多方面的因素。试验结果表明：本文作者提出的变速箱控制策略能够传递合适的驾驶员扭矩，既确保电机成功起动发动机，又保持了整车驾驶舒适性，证明了控制策略的有效性。