驾驶员起步意图识别的P2.5插混单离合起步控制策略

罗 勇，韦永恒，王佳男，赵 爽，崔环宇

(1.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054；2.重庆青山工业有限责任公司， 重庆 400054)

混合动力系统可按多种方式分类，其中用P(Position)代表电气化部件的架构以及电机的位置，不同的位置使用不同的数字代号，将单电机混合动力系统划分为P1、P2、P2.5、P3等构型[1]。基于搭载双离合变速器(dual clutch transmission，DCT)的P2.5构型，将电机集成到DCT某一输入轴，相比驱动电机置于发动机输出端的P1及变速箱输入端的P2构型，P2.5构型具有驻车发电、电机效率不受发动机高温热辐射影响、P2.5驱动电机扭矩可直接经过变速器驱动起步或行驶、离合器控制发动机动力传递，油电衔接更顺畅等优势；相比驱动电机置于变速箱输出端的P3、P4构型，P2.5构型利用电机速比不固定优化驱动电机的工作范围，提高动力输出效率、无需低压电机启动发动机和发电、油电耦合冲击度小，驾驶舒适性更好[2-3]。因此，搭载DCT的P2.5混合动力构型凭借其多方面的优势，具有很大的应用前景和研究意义。

湿式DCT起步控制的核心是对离合器自动结合油压速率快慢的控制。同时整车起步过程作为整车动态运行的重要组成部分，一直是整车开发过程中的重点和难点之一[4-5]。对此，各国学者对搭载DCT的起步过程的改进控制展开了广泛研究。莫崇相等[6]基于双离合器自动变速器起步控制理论，分多个阶段详细分析起步过程，计算出相应的车辆驱动力。高奇峰等[7]以冲击度、滑磨功为目标，根据油门开度将驾驶意图分为爬行起步、正常起步、急起步3种典型模式，并制定相应的起步控制策略。ZHANG J等[8]基于模糊控制策略等多种方法实现了对DCT单离合器的起步控制。ZHAO Z G等[9]考虑驾驶员意图对起步过程的影响，提出了动力源与双离合器扭矩协调优化控制策略。汽车起步由驾驶员操作直接控制，通过加速踏板开度及其变化率来表达。急起步下，驾驶员希望快速起步，需求扭矩变化率较大，因此冲击度明显；缓起步下，驾驶员希望平稳起步，但离合器滑磨时间较长，容易造成滑磨功较大。因此，不考虑驾驶员起步意图易造成冲击度与滑磨功2大指标难以平衡，起步时间、性能等难以满足驾驶员起步需求等问题。有必要研究基于驾驶员起步意图识别的离合器控制与起步控制算法。

本文以某款搭载DCT的P2.5构型下的插电式混合动力汽车(PHEV)为研究对象，提出一种考虑驾驶员起步意图识别的起步控制策略。通过系统结构原理及起步过程分析，分别建立离合器C1/C2结合的单离合器起步动力学方程。基于多层模糊控制策略，根据加速踏板开度及其变化率共同识别驾驶员操作，得到驾驶员起步意图，将起步意图结合主、从动盘转速差等因素推导离合器结合油压，从而达到根据驾驶员起步操作识别起步意图输出不同速率大小的结合油压，控制起步过程离合器的扭矩传递，改变起步需求时长的目的。

1 P2.5插电式混合动力系统结构

本文的研究对象基于搭载DCT的P2.5插电式混合动力系统，主要包括发动机、P2.5驱动电机、湿式双离合变速器、主减速器等子系统，整车系统结构简图如图1。

图1 基于DCT的P2.5混合动力系统结构简图

根据图1所示的系统结构简图可得，DCT有2根同轴心的输入轴，第一输入轴空套在第二输入轴里面。第一输入轴是实心轴，通过花键与离合器C1相连，输入轴1上安装有1、3、5、7档主动齿轮；输入轴2上安装有2、4、6、R档主动齿轮。该系统的动力源由发动机和P2.5电机共同组成。发动机与双离合器C1、C2连接，P2.5电机置于离合器之后，高度集成在双离合变速器内部，并与双离合变速器的第二输入轴(偶数轴)相连，可共用2、4、6档。当离合器C2结合，此时发动机单独驱动车辆，也可与P2.5电机各自通过输入轴输出驱动扭矩。当离合器C1结合，发动机不仅可以单独驱动车辆，也可与P2.5电机共同通过第二输入轴输出扭矩。

根据对搭载DCT的P2.5插电式混合动力系统的分析与建模，本文研究对象的整车部分基本参数如表1所示。

表1 研究对象部分基本参数

2 湿式DCT单离合器起步过程分析

通过对P2.5插电式混合动力系统的分析，本文将分6个阶段，详细分析湿式DCT单离合器起步过程。图2为起步过程的扭矩、转速分析简图。

图2 起步过程转矩、转速分析简图

1) 阶段1：准备起步，发动机扭矩Te=0，离合器传递扭矩Tc=0。离合器处于分离状态，发动机处于怠速状态，ne=n0；车辆处于静止状态，输出转速nc=0。

2) 阶段2：发动机转速上升，扭矩逐渐增加，离合器仍为分离状态，离合器传递扭矩Tc=0。此时，发动机传递扭矩用于克服整车阻力矩和消除离合器空行程。

3) 阶段3：发动机扭矩保持恒定，转速稳定上升。

4) 阶段4：离合器油压继续上升，离合器传递扭矩增加，发动机转速上升，此阶段车辆行驶阻力也随之增加，在此阶段末，将离合器扭矩调节至发动机扭矩水平，发动机转速开始缓慢增加。可以调节离合器的油压来控制传递的转矩，从而控制离合器的结合速度[10-11]。

5) 阶段5：离合器扭矩和发动机扭矩相等，Tc=Te，因此发动机转速开始保持稳定。

6) 阶段6：此阶段开始时，发动机转速与离合器转速同步，nc=ne，并且离合器处于接合状态。由于此时转动惯量增加，导致离合器传递的扭矩减小，然后保持不变。

3 P2.5插电式混合动力系统动力学分析

3.1 DCT动力学模型

基于系统结构简图，将DCT系统简化为离散化系统，并建立基于P2.5构型的DCT系统动力学简化模型，如图3所示。从工作原理和运动学上讲，DCT相当于采用2套传统的手动变速器，变速器1连接所有奇数挡位齿轮，而变速器2与所有偶数挡位齿轮连接。发动机的输出转矩分别通过2个离合器与不同的输入轴相连，从而将动力源转矩传递给变速器，进而传递至车轮端[10，12]。

如图3所示，将输入、输出轴简化为弹簧阻尼器模型，齿轮等简化为集中质量模型[11]。并对模型做如下假设：① 忽略齿轮及系统间的间隙；② 传动系统各模块体现为集中质量的形式；③ 不考虑离合器热衰退等因素的影响。

图3 基于P2.5构型的DCT系统动力学简化模型

图中部分参数的物理意义如下：Ie为发动机输出轴(包括发动机旋转部件)和离合器C2主动盘转动惯量(kg·m2)；Im为电机输出轴上等效转动惯量，包括电机转子、电机输出轴到变速器2档位齿轮之间所有等效到电机输出轴上的转动惯量(kg·m2)；In1为离合器C2从动盘减振器包括输入轴2(空心轴)及关联偶数齿轮转动惯量(kg·m2)；Im1为中间轴1及其关联齿轮、主减速器 1主动部分转动惯量(kg·m2)；Iw为车轮端及整车等效到输出轴转动惯量(kg·m2)；ig为变速器速比；im为电机到轴3速比；ki、km、k0分别为发动机、电机、车轮减振器的扭转刚度(N·m/rad)；kC2为离合器C2减振器的扭转刚度(N·m/rad)；ci、cm、c0分别为发动机、电机、车轮减振器的旋转黏性阻尼系数(N·m·s/rad)；cC2为离合器C2减振器的旋转黏性阻尼系数(N·m·s/rad)；TC2为离合器C2传递转矩(N·m)；Tf为车辆阻力矩(N·m)。

3.2 发动机模型

通过标定实验，建立了描述发动机加速踏板开度、转速和转矩之间关系的二维插值模型，如图4(a)所示，并获得了不同转矩和转速下的发动机外特性、燃油消耗率等曲线，如图4(b)所示。

图4 发动机转矩模型曲面和特性曲线

3.3 湿式双离合模型

湿式离合器通过控制油压及其变化率实现扭矩传递[13]。按照主、从动盘摩擦片的工作状态可划分成锁止、滑磨和分离所传递扭矩，分别对应静摩擦力矩、滑磨扭矩以及无扭矩3种情况。其函数关系表达式为：

(1)

当离合器滑磨时，传递转矩由油压决定，离合器主、从动盘间转速差为Δωec=ωe-ωc。当离合器滑磨或锁止时，离合器主、从动摩擦片在不同情况下的传递扭矩Tc可表示为：

(2)

式中：μ为摩擦因数，包括锁止时的静摩擦因数μs和滑磨时的动摩擦因数μc；Pn为离合器摩擦片上的正压力(N·m)；S为离合器摩擦片上的作用面积(m2)；Z为摩擦副的数量；P1和P2分别为摩擦片的外、内径(m)；sgn(Δωec)为符号函数。

3.4 整车动力学模型

车辆在起步过程中，动力源传递的扭矩通过离合器、变速器、主减速器等传递至车轮处。由于车速较慢，则只需考虑整车轮胎滚动阻力、空气阻力、坡度阻力。具体整车动力学表达式为：

(3)

式中：m为整车载荷(kg)；g为重力加速度(9.8 m/s2)；f为滚动阻力系数；θ为爬坡度(°)；r为车轮半径(m)；CD为风阻系数；A为迎风面积(m2)；v为车速(km/h)；ηt为变速器效率。

3.5 起步动力学方程

基于对相关动力学模型的分析，本构型下的单离合器起步可采用DCT一档、二档起步2种方式。不同起步档位的起步动力学方程如下：

3.5.1单离合器C1起步

(4)

式中：Te为发动机输出转矩(N·m)；ω4为离合器C2从动盘(轴2端)角速度(rad/s)；ωe为发动机角速度(rad/s)；θ4、θe分别为ω4、ωe对应的角位移(rad)；ω2为轴3输入端角速度(rad/s)；ωcz为离合器C2主动盘(轴3端)角速度(rad/s)；θ2、θC2分别为ω2、ωC2对应的角位移(rad)；ω2为轴3输入端角速度(rad/s)；Tin2s为输入轴1传递到中间轴1(轴3)的扭矩(N·m)。

3.5.2单离合器C2起步

(5)

其中：ω3为离合器C1从动盘角速度(rad/s)；θ3、θe分别为ω3、ωe对应的角位移(rad)；ω4为轴3输入端角速度(rad/s)；θ4、θC1分别为ω4、ωC1对应的角位移(rad)；Tin2s为输入轴1传递到中间轴1的扭矩(N·m)。

3.6 起步评价指标

起步过程中，动力源输出机械能大部分转化为动能和离合器主、从动盘滑磨阶段的滑磨功。滑磨功过大会影响离合器的工作效率和使用寿命，冲击度过大也会影响驾乘舒适性[14]。综上，采用冲击度、滑磨功评价汽车的起步品质。

1) 冲击度j表示车辆纵向加速度的变化率。以离合器C1起步过程为例，冲击度的大小可表示为：

(6)

式中：ηv为传动系统总效率；δ为旋转质量换算系数。冲击度标准：德国推荐值10 m/s3。

2) 滑磨功L表示离合器主、从动盘摩擦片间摩擦力做功的大小。以离合器C1起步过程为例，滑磨功的大小可表示为：

(7)

式中：tc为起步开始到离合器消除空行程时间；ts为离合器开始滑磨到转速同步时间。

4 基于驾驶员意图识别的起步控制策略

离合器起步的关键与难点在于如何在较短的起步时间内处理驾驶员起步意图的辨别、离合器油压的变化速率、结合过程多变、影响因素多等问题。传统的驾驶员模型难以满足要求，因此准确的驾驶员模型对起步品质重要明显。本文采用多层模糊控制策略，模拟驾驶员起步经验，将其转化成模糊控制逻辑规则，实现离合器的平稳结合和车辆的平稳起步[15]。

图5为起步过程控制逻辑简图，主要分为3部分：① 驾驶员起步意图识别部分，通过加速踏板开度及其变化率识别驾驶员操作，得到驾驶员起步意图，并将驾驶员起步意图分为缓起步、正常起步、急起步，分别对应驾驶员不同起步扭矩需求；② 离合器状态变量部分，主要通过动力学方程计算得到离合器主、从动盘的转速等；③ 结合驾驶员起步意图和离合器状态量的结合控制，将得到的起步意图结合离合器主、从动盘转速差等因素得到离合器的结合油压，进而控制离合器的扭矩传递。同时，以冲击度为目标，离合器传递扭矩的大小受扭矩变化率的控制，保证起步过程品质。

图5 起步过程控制逻辑简图

根据起步过程控制逻辑简图，本文设计的2个起步模糊控制器分别为：驾驶员起步意图控制器、离合器结合油压控制器。

离合器结合油压控制器：离合器的控制较为复杂，考虑起步意图及起步工况，采用双层模糊控制策略。把起步意图(I)作为第二层模糊控制器的输入变量，第二层以驾驶意图(I)、发动机转速(ωe)、离合器主、发动机转速差(Δωe)为输入，离合器结合油压为输出。

根据驾驶员起步意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数，结合制定模糊控制规则，得到驾驶员起步意图模糊控制曲面，如图6所示。

图6 驾驶员起步意图识别模糊控制器图

5 建模与仿真分析

根据对构型及起步过程的分析，结合制定的相应控制策略，建模并仿真。为保证驾驶员在不同操作下的离合器结合油压等控制算法的准确性，首先需要对驾驶员起步意图识别进行仿真验证。

分别给定0～15%、0～45%、0～80%的加速踏板开度阶跃信号，得到不同阶跃信号下的加速踏板开度变化率和驾驶员起步意图量化值曲线，如图7～9所示。

图7 不同开度的加速踏板开度阶跃信号曲线

图8 不同加速踏板开度下的加速踏板开度变化率曲线

图9 不同加速踏板开度下的起步意图量化值曲线

由图7～9可得，当加速踏板开度梯度正向阶跃变化时，加速踏板开度变化率和驾驶员起步意图量化值依次增大。综上，结果表明，本文的起步意图策略能有效跟踪加速踏板开度及其变化率的变化趋势，为离合器结合油压等内容的准确性奠定了基础。

为对比分析驾驶员不同起步意图及起步工况下的起步性能与控制策略的有效性，分别对多种驾驶员操作下的起步过程控制进行仿真验证。

1) 设置节气门开度15%，最大加速踏板开度变化率0.19，离合器C1/C2结合起步仿真结果如图10～12所示。观察可得，离合器C1/C2结合起步的起步时间分别为1.13 s和1.26 s；当离合器主、从动盘结合锁止时，离合器最大油压分别为0.284 MPa和0.304 MPa。起步过程离合器的滑磨功分别约为4.54 kJ和5.76 kJ，最大冲击度分别为7.9 m/s3和3.5 m/s3，均满足相关评价指标。起步过程离合器传递扭矩能有效跟随离合器油压变化趋势，验证了离合器油压控制策略的有效性。

图10 15%节气门开度下离合器C1/C2转速曲线

图11 15%节气门开度下离合器油压/传递转矩曲线

图12 15%节气门开度下滑磨功/冲击度曲线

2) 设置节气门开度45%，最大加速踏板开度变化率0.21，离合器C1/C2结合起步仿真结果如图13～15所示。离合器C1/C2结合起步的起步时间分别为0.94 s和0.99 s；当离合器主、从动盘结合锁止时，离合器最大油压分别为0.386 MPa和0.365 MPa。起步过程离合器的滑磨功分别为5.27 kJ和6.89 kJ，最大冲击度分别为7.9 m/s3和3.8 m/s3，均满足起步相关评价指标。

图13 45%节气门开度下离合器C1/C2转速曲线

图14 45%节气门开度下离合器油压/传递转矩曲线

图15 45%节气门开度下滑磨功/冲击度曲线

3) 设置节气门开度80%，最大加速踏板开度变化率0.22，离合器C1/C2结合起步仿真结果如图16～18所示。离合器C1/C2结合起步的起步时间分别为0.88 s和0.97 s，相比15%和45%的加速踏板开度，不同程度地缩短了起步时间；当离合器主、从动盘结合锁止时，离合器最大油压分别为0.391 MPa和0.368 MPa。起步过程离合器的滑磨功为5.13 kJ和7.04 kJ，最大冲击度分别为8.1 m/s3和4.2 m/s3，均满足相关评价指标。

图16 80%节气门开度下离合器C1/C2转速曲线

图17 80%节气门开度下离合器油压/传递转矩曲线

图18 80%节气门开度下滑磨功/冲击度曲线

6 结论

为解决起步过程中车辆状态无法有效跟随驾驶员起步需求的问题，提出考虑驾驶员起步意图识别的起步控制策略。以搭载DCT的P2.5插电式混合动力系统为研究对象，在对结构与起步过程分析的基础上，分别建立不同离合器起步下的动力学方程；考虑驾驶员起步操作及起步工况，建立了多层模糊控制的起步策略。仿真结果表明：建立的起步意图策略能有效识别驾驶员操作，双层模糊控制策略下的离合器传递转矩能较好地跟踪离合器油压变化。多种仿真工况下的冲击度与滑磨功均满足相关性能指标，验证了本文起步控制策略的有效性。P2、P3等其他构型的混合动力系统也可开展基于某搭载DCT的P2.5插电式混合动力系统研究，探索对不同类型混合动力汽车的适应性。