机电耦合双离合混合动力系统极低温行驶控制研究

吕俊磊

摘 要：目前，混合动力汽车是新能源汽车的重要发展方向之一。在极低温工况或者电池包故障下，电池包受温度或者自身故障影响不允许充放电，此时车辆怎么才能正常行驶，是研究的重点。我们基于双离合变速箱设计的P2.5混动架构的混合动力系统，能够在没有12V发电机的情况下，保证车辆正常行驶，确保系统低压附件的正常工作，实现车辆起步，加速，减速等行驶工况，并保证该模式与正常模式的平顺切换。

关键词：混合动力;P2.5;极低温行驶;恒压充电

1 引言

DCT+P2.5的混动系统是在DCT基础上最大限度借用批产零件，采用P2.5单电机构型，高度集成高功率密度永磁同步电机，电机动力通过3档从动档位齿和发动机动力实现耦合，同时为了满足纯电动工况下的换挡、润滑、离合器控制，增加低压电子泵系统的一款机电耦合混合动力变速器，DCT+P2.5结构示意图见图1。该变速器搭载在PHEV车辆上，整车为了节省车辆成本，省去了低压发电机，仅通过DCDC给低压电瓶充电以及满足低压附件工作需求[1]。由于该系统为单电机系统且无低压发电机，在极低温（-40℃到-30℃）工况下，高压电池包禁止充放电，造成该系统无法使用高压来进行驱动和给低压附件供电[2]。为了保证车辆能够继续行驶，我们采用电机驱动系统进入恒压充电模式，通过DCDC给低压附件供电，发动机同时提供整车驱动力和电机恒壓充电动力源，双离合器采用一个离合器闭合，一个离合器滑磨来完成蠕行，起步，加速等工况。

2 极低温行驶的恒压充电方案

本论文的方法实现需要混合动力控制单元HCU（Hybrid Control Unit）、驱动电机控制单元MCU（Motor Control Unit）、变速箱控制单元TCU（Transmission Control Unit）控制单元相互密切配合，才能实现完整的机电耦合双离合混合动力系统极低温行驶控制。本论文采用电机驱动系统进入恒压充电模式，通过DCDC给低压附件供电，发动机同时提供整车驱动力和电机恒压充电动力源，变速箱中的双离合器采用一个离合器闭合，一个离合器滑磨的策略来完成蠕行，起步，加速等工况。其中闭合离合器为奇数离合器，其在恒压充电模式下，始终保持闭合，将发动机扭矩传递给电机，电机通过恒压控制来控制电机的输出扭矩，保持输出电压恒定，来保证低压用电设备的需求。另一个离合器（偶数离合器）需要根据不同的驾驶员需求（换挡杆、油门、刹车），进行对应工况（蠕行、起步、高速驾驶、换挡等）离合器控制，满足整车平顺性，动力性的要求。实现恒压充电所需的控制器之间的信号交互如图2所示。

2.1 车辆起步直接进入恒压充电控制方案

车辆从静态起步直接进入恒压充电过程如下：

（1）车辆上电，当HCU识别电池包允许充放电功率为0（极低温或者SOC极低） 时。HCU根据实车状态判断是否需要进入Emergency Mode。当HCU判断需要立即进入Emergency Mode时，如果此时发动机未启动，则HCU控制发动机启机（启机方式根据车速和BMS可用功率来决定），HCU控制奇数轴的档位需求为空，TCU执行脱奇数轴档位指令。当HCU检测到奇数轴档位已经为空，且换挡杆处于D档，则请求TCU进入蠕行控制，同时请求奇数离合器闭合。

（2）HCU请求MCU进入恒压发电模式，同时请求MCU将母线电压恒定在360V。MCU需要进入恒压发电模式，并且保证母线电压控制在360V附近[4]。

MCU为了保证母线电压在360V附近，需要不断的根据需求功率调整扭矩，恒压发电控制模式下，MCU对扭矩的控制方程如下[3]：

（3）当驾驶员不踩油门且不踩刹车时，TCU控制偶数离合器进入蠕行，同时响应HCU对于奇数离合器的闭合请求;当驾驶员踩油门加速时，TCU控制偶数离合器进入起步加速控制，同时保持奇数离合器闭合状态。当车速达到换挡点时，由于电机需要保持恒压充电模式，只能换偶数轴档位，这时HCU请求偶数轴目标档位，TCU打开离合器，退掉当前偶数档位，挂上偶数轴目标档位，再次结合离合器，完成整个换挡过程，车辆以新的档位行驶。

HCU根据动力学平衡方程来控制发动机扭矩输出，平衡方程如下[5]：

其中，TWheel：为轮端需求扭矩，由油门开度查PedalMap获得;

TEng：为HCU对发动机的请求扭矩;

TEM：为电机的实际扭矩;

iEVen：为发动机到轮端的速比;

iEM2Eng：为电机端到发动机的速比。

（4）HCU根据电机反馈的实际扭矩和驾驶员需求扭矩对发动机进行扭矩控制，使其既能满足驾驶需求又能满足整车高低压附件的供电需求，保证整车能够行驶。

车辆起步直接进入恒压充电流程图见图3。

恒压发电模式，HCU对发动机和电机的扭矩分配示意图如下：

实车测试效果如图5，当实际SOC较低时，起步进入恒压发电，从图中看出，电机的发电扭矩基本维持恒定，两个离合器也都处于工作状态，其中一个离合器闭合用于发电，另一个离合器驱动，总的驾驶员需求（即轮端需求扭矩）也能够被满足。

2.2 车辆由恒压充电模式回到正常驾驶模式控制方案

车辆由恒压充电模式回到正常驾驶模式过程如下：

（1）当车辆正在进行恒压充电模式时，此时电池包由于PTC或者发动机外循环加热或者故障恢复，电池包能够正常充放电， HCU判断可进入正常驾驶模式。

（2）HCU请求电机控制器MCU退出恒压模式，以正常模式运行，满足HCU的模式，扭矩及转速请求。

（3）HCU控制奇数离合器打开，并根据当前的换档图判断目标档位，如果目标档位为奇数档，则HCU请求挂奇数轴档位，TCU执行挂奇数轴档位指令。当奇数档位在档后，TCU控制离合器由偶数离合器切换到奇数离合器。如果目标档位为偶数档，且目标档位等于当前档位，TCU控制当前离合器继续按照驾驶需求进行工作;如果目标档位为偶数档，且目标档位不等于当前档位，则TCU将偶数离合器切换到奇数离合器，TCU执行脱掉当前档位指令，再挂偶数轴档位指令，当偶数档位在档后，TCU控制离合器由奇数离合器切换到偶数离合器，完成对目标档位的响应，进入正常驾驶模式。

（4）HCU按照正常的扭矩分配策略，控制两大动力源电机及和发动机，使他们的输出扭矩满足驾驶员需求，保证整车经济性、动力性达到最优。

车辆由恒压充电模式回到正常驾驶模式流程图见图3。

正常驾驶模式，HCU对发动机和电机的扭矩分配示意图如下：

2.3 行进中由正常驾驶模式进入恒压充电模式

车辆行进中由正常驾驶模式进入恒压充电模式过程如下：

（1）当车辆正在正常驾驶模式时，此时电池包由于某种原因无法充放电，此时，HCU判断需要进入恒压充电模式。

（2）如果当前TCU工作在奇数轴，则HCU请求TCU打开奇数离合器，HCU根據当前的换档图判断目标档位（在恒压充电模式，目标档位均为偶数档），则请求偶数轴档位为目标档位。当奇数离合器打开后，TCU执行脱奇数轴档位指令，闭合奇数离合器，然后，判断偶数轴档位是否等于目标档位，如果偶数轴档位等于目标档位，则TCU控制偶数离合器继续工作，MCU进入恒压充电模式。如果偶数轴档位不等于目标档位，则TCU脱掉当前偶数轴档位，挂上目标档位，则TCU控制偶数离合器工作，MCU进入恒压充电模式。

如果当前TCU工作在偶数轴，且奇数离合处于打开状态，则如果奇数轴上有档位，脱掉奇数轴上的档位，TCU控制奇数离合器闭合。TCU判断偶数轴档位是否等于目标档位，如果偶数轴档位等于目标档位，则TCU控制偶数离合器工作，MCU进入恒压充电模式。如果偶数轴档位不等于目标档位，则TCU脱掉当前偶数轴档位，挂上目标档位，则TCU控制偶数离合器工作，MCU进入恒压充电模式。

（3）电机控制器MCU进入恒压模式，实时控制输出电压保持恒定。

（4）HCU根据电机反馈的实际扭矩和驾驶员需求扭矩对发动机进行扭矩控制，使其既能满足驾驶需求又能满足整车高低压附件的供电需求，保证整车能够行驶。

行进中由正常驾驶模式进入恒压充电模式流程图见图8。

3 结论

本文通过研究详细介绍了极低温工况或者电池包充放电功率为0的工况下，HCU、MCU、TCU、EMS相互密切配合，实现完整的机电耦合双离合混合动力系统极低温行驶控制。采用电机驱动系统进入恒压充电模式，通过DCDC给低压附件供电，发动机同时提供整车驱动力和电机恒压充电动力源，变速箱中的双离合器采用一个离合器闭合，一个离合器滑磨的策略来完成蠕行，起步，加速等工况。本文研究的方法，能够为整车节省成本提供依据，具有可实施性。

参考文献：

[1]王保华，王伟明，张建武等.并联混合动力汽车控制策略比较研究[系统仿真学报.2006.

[2]赵子亮，刘冬秦，刘明辉等.并联式混合动力汽车控制策略与仿真分析研究[J].机械工程学报.2005.

[3]袁庆强，徐达.新型混合动力驱动系统与控制策略的设计[J].上海汽车，2007.

[4]浦金欢.混合动力汽车能量优化管理与控制策略研究.博士学位论文，上海交通大学.2004.

[5]李兴虎.混合动力汽车结构与原理[M].北京.人民交通出版社.2009.