考虑起步意图的P3构型AMT-PHEV双层模糊起步控制策略研究

罗 勇，柳明生，阚英哲，邓云霄，褚清国，张嘉璐

(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)

0 引言

随着石油资源的短缺和大气污染日益加剧，传统燃油汽车发展受到油价上涨和污染环境的双重困境。插电式混合动力汽车具有低能耗、低排放等优点，且驾驶员无里程焦虑问题，具有广阔的市场前景，受到各大汽车厂家重视。

插电式混合动力汽车按照驱动电机安装位置的不同，可分为P0、P1、P2、P3和P4等构型。其中P3构型PHEV电机安装在变速器输出轴端，能够直接驱动汽车行驶，较其他构型在纯电模式和能量回收模式下效率更高[1]。基于AMT的P3构型PHEV结构如图1所示，在AMT的输出轴上耦合P3电机，在起步换挡等动态过程中，P3电机可直接输出扭矩作用在变速器输出端，从而在离合器断开时为汽车提供动力。起步或换挡完成后发动机介入，电机缓缓减少驱动力矩，最后退出，全程没有产生动力中断，能大大增加换档时驾驶体验。该结构可大大减小传统AMT在起步换挡过程中的冲击度和滑摩功，实现近似无动力中断的起步和换挡。

图1 基于AMT的P3构型PHEV结构示意图

车辆起步过程中的离合器自动结合控制是关键，其中结合速度的控制是核心和难点。其控制目标包括：① 车辆起步过程平稳，冲击度小；② 滑摩功尽可能小，以提高离合器使用寿命；③ 满足驾驶员在不同工况下的起步意图。冲击度和滑摩功是一对相互矛盾的指标，需要根据驾驶员的起步意图和当前坡度的情况综合控制结合速度，以协调二者之间的关系。

国内外学者针对上述问题展开了广泛研究，雷雨龙等[2]提出发动机恒转速控制原则，减小了滑摩功，提高了离合器结合寿命；孙冬野等[3]在此基础上提出发动机局部恒转速控制原则，进一步减小了结合时产生的滑摩功；Knut Nomlgard[4]、肖勇明等[5]基于驾驶员经验，采用模糊控制反应驾驶员意图，以实现不同驾驶意图下冲击度和滑摩功的协调控制；秦大同等[6]采用线性二次型最优控制方法，将冲击度转化为约束条件，以滑摩功最小为目标，对起步过程进行优化控制。

从当前的研究可以看出，考虑驾驶意图对冲击度和滑摩功进行协调控制，能够契合驾驶员的需求，增强驾驶舒适性和满意度。常采用模糊控制对驾驶意图进行判断，但单层模糊控制存在输入变量较多，实时性和参数调整较为复杂等问题。本文以基于AMT的P3构型PHEV为研究对象，提出一种考虑起步意图的双层模糊起步控制策略，第一层模糊控制器通过驾驶员操作对驾驶意图进行判断，得出基于驾驶意图的冲击度和滑摩功调节因子。第二层模糊控制根据基于驾驶意图的调节因子对离合器结合速度进行调节。对基于AMT的P3构型PHEV起步动力学过程进行分析，并搭建其仿真模型，将双层模糊控制和局部恒转速控制进行仿真对比，以验证双层模糊起步控制策略的控制效果。

1 AMT-PHEV起步动力学分析

1.1 离合器结合过程分析

离合器起步过程大致可以分为3个阶段，起步结合过程示意图如图2，其中，ne为发动机转速，r/min，nc为离合器转速，r/min，Te为发动机输出转矩，N·m；Tc为离合器传递的转矩，N·m；Tf为地面阻力矩，N·m；L0为空行程，mm，LH为半结合点，mm。

图2 离合器起步结合过程示意图

1) 空行程阶段t0～t1：在此阶段发动机维持怠速阶段，离合器主、从动盘尚未发生接触，对冲击度和滑摩功不产生影响，因此要求离合器此时以最大速度进行结合，缩短起步时间。

2) 滑摩阶段t1～t2：当离合器走完空行程L0时，以较小速度进行结合，此时由于作用在从动盘阻力矩的存在，需要在t3时刻到达半结合点LH，Tc=Tf时从动盘才开始转动，因此，在此阶段从动盘不转动。

3) 滑摩阶段t2～t3：从动盘开始转动，摩擦转矩Tc小于发动机转矩Te，因此主动盘在此阶段转速一直在增加，直到t3时刻两者转矩相等，主动盘转速不再增加。由于主、从动盘转速差较大，所以此段需要以较小的结合速度维持结合。

4) 滑摩阶段t3～t4：发动机转矩Te小于摩擦转矩Tc，主动盘转速开始下降，主、从动盘转速差开始降低，此阶段会以较大的结合速度结合直到完成同步为止。

5) 同步阶段t4～tn：当主、从动盘转速达到一致时便进入同步阶段，车辆成功起步，由于主、从动盘转速已经同步，不会再产生冲击度，剩下的行程以最大结合速度完成结合。

1.2 AMT-PHEV离合器起步过程动力学分析

车辆传动系统十分复杂，为了简化模型，忽略传动轴的刚度和阻尼，AMT-PHEV起步过程动力学模型如图3所示。

图3 AMT-PHEV起步过程动力学模型示意图

图3中，Te为发动机输出转矩，N·m；Tc为离合器传递的转矩，N·m；Tf为地面阻力矩，N·m；ωe为离合器主动盘转动角速度，rad/s；ωc为离合器从动盘转动角速度，rad/s；Ie为发动机曲轴、连杆、飞轮等部件等效至飞轮中心线的转动惯量，kg·m2；I0为汽车质量等效至变速器输入轴上的转动惯量，kg·m2；i0为传动系的速比。

根据起步时离合器工作状态的不同，将其分为3个阶段：

1) 消除空行程阶段

此时主、从动盘没有发生接触，主动盘转速与发动机转速相同。

(1)

离合器不传递力矩，转矩为零。

Tc=0

(2)

2) 滑摩阶段

主动盘端受力：

(3)

从动盘端受力：

(4)

此时离合器传递的摩擦转矩：

Tc=2rckcfcLx

(5)

式中：kc为波形弹簧的刚度系数，取1 399 N/mm，fc为摩擦片的摩擦因数，取0.25;Lx为离合器的结合位移；rc为离合器摩擦片有效工作半径，通过下式计算得到：

(6)

式中：r0为摩擦片外径，m；r1为摩擦片的内径,m。

3) 离合器同步阶段

此时主、从动盘转速相同，离合器传递的转矩为静摩擦转矩：

(7)

因为相较于整车转动惯量，发动机转动惯量较小，因此可以近似认为离合器传递的转矩等于发动机转矩，因此有下式：

ωe=ωc

(8)

(9)

2 AMT-PHEV双层模糊起步控制策略

2.1 起步过程的评价指标

由于汽车起步过程复杂，影响因素众多，通常以起步过程的冲击度和滑摩功衡量汽车起步的品质[7]。

1) 冲击度

汽车起步冲击度定义为起步过程中汽车纵向加速的变化率，能定量地评价驾驶员的冲击感受，反映起步的平稳性。冲击度表达式为：

(10)

式中：δ为汽车的旋转转换系数，取1.02；J为冲击度，m/s3，德国推荐值[J]≤10 m/s3，我国推荐值[J]≤17.64 m/s3。

2) 滑摩功

滑摩功的定义为离合器结合过程中机械能转换为热能的值[8-9]。滑摩功是由于离合器在主从动部分之间在摩擦力矩作用下相互滑动的结果，滑摩功由两部分组成：

(11)

式中：t1是离合器走完空行程所经历的时间；t2是离合器达到半结合点所经历的时间；t1～t2产生的滑摩功为静态滑摩功，一般值都较小；t4是汽车开始起步到离合器完全同步所经历的时间，这段时间产生的滑摩功称为动态滑摩功，占总滑摩功的大部分。

2.2 最大结合速度的计算

通过式(5)和式(10)可知，冲击度的大小主要由摩擦转矩Tc决定，Tc的大小与离合器的结合位移有关，将两式结合有[10]：

(12)

式中：m为汽车的质量，kg；Vc为离合器的结合速度，mm/s；rv为汽车的车轮滚动半径，m。

如果以最大冲击度Jmax代入计算即可得到离合器在结合过程中的最大结合速度Vcmax。

2.3 离合器空行程的修正

离合器空行程的判断对于起步至关重要，在空行程阶段离合器以最大结合速度结合，之后再以较慢的速度结合至主、从动盘同步完成。如果空行程判断错误，离合器主动盘会以最大结合速度与从动盘接触，造成较大冲击度，如图4所示，是离合器空行程判断超过实际量的0.1 mm而造成较大冲击。

图4 起步过程冲击度曲线

影响空行程的因素3个：摩擦片的磨损、汽车负载和道路摩擦因数的变化。摩擦片的磨损过程较为复杂，很难定性分析，因此忽略摩擦片的磨损[11]。

以汽车前一次控制器储存的半结合点位置为基准，得到本次起步的空行程预估值[12]：

(13)

式中：x0为本次起步的空行程预估量，mm；x1为上次起步离合器的半结合点，mm；M1为上次起步汽车的总质量，kg；f为本次汽车起步道路的摩擦因数。通过计算得到在不同道路摩擦因数和载重下汽车空行程如表1所示。

表1 修正后的空行程

2.4 双层模糊控制起步策略

双层模糊控制在汽车起步过程中发动机转速不再保持恒定，呈先上升后下降的趋势，对比局部恒转速起步可以有效地减少起步时间和冲击度。双层模糊控制结构如图5所示[13]。

图5 双层模糊控制结构框图

第一层模糊控制为驾驶意图模糊控制器，通过加速踏板开度和开度变化率来推测驾驶员的起步意图[14]。加速踏板开度越慢，则需要平稳起步，开度越大，则需要快速起步。开度变化率也是说明驾驶员意图的一个参数，变化率越大则越趋向急起步，反之相同。

第二层模糊控制为结合速度的模糊控制器，通过起步意图和主、从动盘转速之比，得到修正前的结合速度[15]。

1) 起步意图模糊控制器

将加速踏板开度α语言变量定义为{很小、小、中、大、很大}，相应的模糊子集为{VS、S、M、B、VB}，加速踏板的论域为{0 0.125 0.25 0.375 0.5}。

输出的驾驶员I意图语言变量为{很小、小、中、大、很大}，对应的相应的模糊子集为{VS、S、M、B、VB}，驾驶意图的论域为{0 1.2 2.4 3.6 4.8 6}。

驾驶意图模糊控制器输入和输出隶属函数如图6所示。

图6 驾驶意图模糊控制器输入和输出隶属函数曲线

根据输入和输出函数的隶属函数，制定驾驶意图模糊控制规则，如表2所示。

表2 驾驶意图模糊控制规则

根据模糊控制规则，得到起步意图模糊控制规则曲面，如图7所示。

图7 起步意图模糊控制规则曲面

2) 结合速度模糊控制器

第二层模糊控制以驾驶员起步意图I和主、从动盘转速比作为输入量，输出量为离合器结合速度V。主、从动盘转速比语言集为{很小、小、较小、中、较大、大、很大}，相应的模糊子集为{VS、LS、S、M、B、LB、VB}，结合速度的论域{0 1 2 3 4 5 6}，主、从动盘转速比的论域为{0 0.167 0.333 0.5 0.667 0.833 1}。

结合速度的语言集为{很小、小、较小、中、较大、大、很大}，相应的模糊子集为{VS、LS、S、M、B、LB、VB}，结合速度的论域为{0 1 2 3 4 5 6}。

结合速度模糊控制器输入和输出隶属函数如图8所示。

根据输入和输出函数的隶属函数，制定结合速度模糊控制规则，如表3所示。

表3 结合速度模糊控制规则

根据模糊控制规则，得到结合速度模糊控制规则曲面，如图9所示。

图9 结合速度模糊控制规则曲面

3) 结合速度的修正

传统模糊双层控制策略将结合速度模糊控制器输出的值作为最终值，这种方法控制得到的滑摩功过大，缓起步时不能满足驾驶员对舒适性起步的需求[16]。因此，经过模糊控制器得到的速度需要进一步地修正才可作为最终的结合速度值，根据模糊值器输出的值和当前驾驶意图得到修正后的结合速度，如图10所示。

图10 结合速度修正过程框图

在急起步时，驾驶员需要缩短起步时间，此时加快结合速度，冲击度会略微增大，但仍然在限制范围内。缓起步时，为提高起步时的舒适性，在滑摩功限制范围内减小结合速度，进一步地减小起步冲击度。而在上坡起步时，因为阻力矩过大，从动盘转速上升速度减缓，会造成滑摩功过大的问题，因此需要进一步加快结合速度。

3 AMT-PHEV建模及仿真分析

为了验证控制器的效果，在Matlab/Simulink中搭建起步过程的控制仿真模型，并对所建立的双层模糊控制策略进行验证，具体如图11所示。

图11 AMT-PHEV起步过程的控制仿真模型示意图

经过速度修正以后，在缓起步的最大冲击度由9.5 m/s3减少到6 m/s3、急起步的同步时间由1.6 s减少到1.1 s，20%的坡道起步的滑摩功由9.5 kJ减少到6.5 kJ，同步时间和滑摩功都有了明显的改善，如图12所示。

图12 结合速度修正后的各参数变化曲线

搭建模型后得到加速踏板开度在30%和60%的仿真结果与使用相同车辆参数的局部恒转速控制策略得到的结果，如图13所示。

图13 起步踏板开度在30%～60%时的仿真结果曲线

当汽车以30%踏板开度起步时，双层模糊控制对比局部恒转速起步没有优势，除冲击度略有减少外，滑摩功和同步时间都有增加。在60%开度起步时，双层模糊控制的优势开始体现，因为结合速度修正的原因，对比局部恒转速控制，双层模糊控制的滑摩功由4.25 kJ减小到3.75 kJ，同步时间由1.2 s减少到1.1 s，两者都得到了减小，但是最大冲击度却无太大变化。此外，还需要对在100%踏板开度和最大驻车坡度10%时起步的仿真结果(如图14所示)进行分析。

图14 加速踏板开度100%，坡度在0%和10%时的仿真结果曲线

当加速踏板在100%开度下，由于经过修正加快了结合速度，如果是在坡道上时，则进一步加快结合速度，因此二者的最大冲击度和滑摩功都有所减少。由图14可以看出，双层模糊控制的冲击度几乎一直小于局部恒转矩的冲击度，局部恒转矩的滑摩功为6 kJ，而双层模糊控制的滑摩功为5 kJ左右。对比在此状况下局部恒转速起步控制，可以看出优化后双层模糊控制更优。

4 结论

1) 以P3构型PHEV为研究对象，针对AMT起步结合时间长，且结合效果依赖于发动机目标转速设定等问题，提出考虑起步意图的双层模糊起步控制策略。

2) 分析道路坡度、驾驶员意图和主、从动盘转速对结合速度的影响规律，对结合速度进行修正，更能体现出不同起步意图下驾驶员对于起步时间和冲击度的需求，改善了在大负荷起步时的滑摩功。

3) 对影响空行程的因素进行分析，并根据不同车况对离合器空行程进行修正，保证了汽车在不同外在条件下起步时的冲击度保持稳定。

4) 通过与局部恒转速起步控制策略进行仿真分析，考虑起步意图的双层模糊起步控制策略降低了AMT起步过程的换挡冲击度和同步时间。对比于局部恒转矩控制，踏板开度为100%下的同步时间由1.1 s减小到0.4 s，在踏板开度为100%的10%坡度下，最大冲击度由10 m/s3减小到9 m/s3，均能充分体现驾驶员的意图。