基于干式离合器的混合动力汽车发动机启动策略优化

秦鑫，曹宇，侯财辉，秦健璇，黄祖朋

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州，545007）

0 引言

混合动力汽车是一种装配至少两种不同动力源的汽车类型。一个混合动力系统会结合两种驱动力以获得单一动力传动系统所无法达到的动力性。混合电动汽车(HEV)作为混合动力汽车的一种，它同时拥有两种动力且其中一种为电能，对于减少空气污染和能源消耗具有更大的贡献。[1]

通常，HEV的传动部件主要有连续变速箱以及离合器。通过控制离合器开闭来连接或断开动力系统部件，HEV可以实现选择任意一种或同时选择两种动力源进行驱动。[2]在不同的驾驶模式下，通过离合器的滑膜，可以实现对车辆从静止开始加速，或者实现发动机的启动。[3]

为了确保动力系统拥有良好的性能，干式离合器闭合的过程需要进行精确的控制。控制过程中必须同时满足一些指标：结合面磨损量小，结合过程短，驾驶感平稳。为了满足上述需求，作用于离合器正向压力必须是经过精确的计算且适合于当前工况。为了达到上述目标，人们研究了大量的控制策略[4-8]。本文通过设计一个发动机启动过程的离合器状态的自学习模型，通过计算每一次发动机启动的时间，以及施加在离合器端的扭矩，确认启动过程是否需要优化，从而调整每次闭合离合器所需扭矩，确保每次闭合过程能够用最小的热量损和最短的闭合时间完成发动机启动，在获得较优的驾驶性能的同时，可以极大的延长干式离合器的使用寿命。

1 动态模型描述

1.1 发动机启动时间优化模型

通过计数器计算当前发动机启动过程的持续时间(Tfac)并与预设的发动机启动优化的时间阈值（Tthd）比较，当Tfac＞Tthdup时，则认为此次发动机启动时间有过长的风险，可能需要启用发动机启动优化过程；或当Tfac＞Tthdup时，则认为此次发动机启动时间有过短的风险，可能需要启用发动机启动优化过程。

通过定义时间常数Tc，确认本次启动时间与理想启动时间的时间差异率（Fori），所用公式如下：

其中Fori控制在既定的区域（MAXFori，MINFori）中。

将获得的Fori与上一次启动储存的时间差异率（Fini）相加从而获得本次启动的更新时间差异率（F）：

将获得的F与既定的允许差异率窗口进行比较：当Fmin＜F＜Fmax时，则将F储存到RAM中，替换当前的Fini作为下一次启动中使用的Fini。当F＞Fmax时，将Fmax与F的差值作为新的Fini并储存下来；同理，当F＜Fmin时，将F与Fmin的差值的作为新的Fini并储存下来。其中，Fmax为既定的允许差异率最大值，Fmin为既定的允许差异率最小值。

发动机启动扭矩优化次数计算模型如下：

通过比较发动机水温(Tmp)与选定的发动机水温数组(Taxis)，得到当前发动机水温状况下，需要修正扭矩的次数(i)，计算方法如下：

其 中length(Taxis)为Taxis的 长 度，Taxis[MaxLen]为Taxis的最后一个元素，Taxis[i]为Taxis中第i个元素。

每获得一个i，就会运行一次启动时间优化的模型，直到i不再更新或F更新判断条件不满足。

1.2 发动机启动离合器闭合扭矩优化模型

根据发动机水温以及启动时间优化修正发动机启动过程离合器闭合请求扭矩获得离合器闭合扭矩修正值（M），具体过程如下：

其中，TIni为初始设置的离合器扭矩请求数组，则TIni[0]为TIni的第0个元素，TIni[MaxLen]为TIni的第MaxLen个元素，其中TIni与i正相关，与F相关；当Fmin＜F＜Fmax时，TIni不变；当F＞Fmax时，TIni=TIni+DeltaT；同理，当F＜Fmin时，TIni=TIni-DeltaT；其中DeltaT为每次减少的T值。Taxis[j]为Taxis 的第j个元素；j为3）过程的循环计数值，且0 ≤j＜MaxLen。

通过比较当前车辆水温与设定的发动机水温数组，确定当前启动过程需要优化的次数。参考优化次数，按照一定比例修正发动机启动过程离合器闭合请求扭矩。

2 测试数据分析

通过将程序生成嵌入式软件更新到车辆控制器硬件中对车辆在不同状态下进行发动机启动测试得到程序运行实际数据。以Tfac为分界点，测试两组数据。测试时限制M的最大值为20 Nm，最小值为0 Nm确保每次启动过程离合器需求扭矩需求修正不会太大导致驾驶体验不佳。为了使试验过程中，确保尽可能使每一次试验数据都有参考性，设置Tthdup为0.37s, Tthddwn为 0.29 s，设置 Tc为 0.03 s。

图1(a)为Tfac＞Tthdup时测试的M及Tmp，图中显示，Tmp与M整体成反比关系，随着温度的周期性变化，M跟随着周期性变化，确保每次启动时间变化波动较小。图1（b）为Tfac＜Tthddwn时测试的M及Tmp，测试结果显示，随着温度周期性变化，M跟随Tmp周期性变化，在0-350 s测试过程中，由于Tfac一直居高不下，导致M一直增加，当Tmp上升后，Tfac下降，M也随之下降。出现这个现象的主要是由于实际环境下，如果环境气温较低，发动机运行时间较短的情况下，会导致Tmp上升速度慢，从而延长了启动时长。

图1

图2为记录的连续多个发动机启动过程中，每一次启动所有时间（Tfac）以及启动修正的启动扭矩（M）。图2（a）为Tfac＞Tthdup时测试的Tfac与M的数据，图中显示，当Tfac增加，M也随之增加，但有大约一次启动次数的延迟。这是由于设计模型中，下次启动M的值与上一次启动Tfac值直接相关，所以M值的变化规律与Tfac值的变化规律有一次启动的差距。图2（b）为Tfac＜Tthdup时测试的Tfac与M的数据，数据显示当Tfac减少，M值随之减少；但是，图2（a）（b）中Tfac与M值的变化并不是线性的，而是一定程度上呈周期性变化，这是由于当前的Tfac计算的F值处于Fmin＜F＜Fmax（Fmin=-4, Fmax=4）范围时，计算M值公式中的Tini值并不会变化，当F＞Fmin或F＜Fmin时，模型会通过加减DeltaT来修饰Tini。

图2

为了进一步观察Tmp与M的变化关系，绘制了每次启动过程中Tmp与M的变化关系如图3。其中图3(a)为Tfac＞Tthdup时测试的M及Tmp，其中图3(b)为Tfac＜Tthddown时测试的M及Tmp。图中显示，当温度上升， M值随着温度周期性变化。但是由于Tini的存在，Tfac的变化率也直接影响了M值的变化，导致图中有未严格按照温度变化规律来变化的点，如图3（b）中Count(39)的点。此时温度下降，而M值也随之下降。这是由于当前启动的F值小于-4，导致Tini值被修正，从而M值下降。

图3

3 结语

干式离合器由于其零件特性，无法支持长时间的滑摩。对于离合器能量的精确使用和精确的启动控制是延长离合器使用寿命的重要手段。本文通过对输入的发动机水温、上一次启动过程的消耗时间以及本次启动的消耗时间进行分析，自动调节每一次启动时离合器需求扭矩，控制离合器启动能量损耗在一定的范围内，同时也能够辅助提高启动过程的一致性。同时，通过软件逻辑多次自学习调节的方法，获得更加智能的启动控制过程，也为智能车辆控制的方法提供了参考。