韓云武，羅禹貢，趙 峰，李克強(qiáng)

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實驗室，北京 100084)

前言

混合動力汽車(HEV)電機(jī)制動力矩因有控制精確高和可大功率連續(xù)工作的特點(diǎn)，使陡坡緩降技術(shù)[1]在HEV上得到全新的拓展和應(yīng)用，實現(xiàn)了全工況的下坡輔助控制(DAC)[2]，即車輛下坡滑行過程中，車輛由控制器進(jìn)行制動控制，保持車速不增加的主動安全控制。輔助控制的使用大幅降低了下坡路段駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)，提高了下坡路段車輛滑行時的行駛安全。但由于電機(jī)制動力矩受電機(jī)和電池狀態(tài)影響較大，且電機(jī)最大制動力矩有限，DAC過程中發(fā)動機(jī)輔助制動作為電機(jī)輔助制動力矩不足或電機(jī)制動失效后的備用輔助制動機(jī)構(gòu)具有重要的意義。

發(fā)動機(jī)輔助制動歷來是車輛輔助制動領(lǐng)域研究的一個重點(diǎn)。在傳統(tǒng)車輛輔助制動領(lǐng)域，發(fā)動機(jī)輔助制動目前已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛最為成熟的一種輔助制動方式[3-4]；在HEV聯(lián)合制動的相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]中，有當(dāng)電機(jī)制動力矩不足時要引入發(fā)動機(jī)輔助制動的相關(guān)描述，但未涉及具體的控制方法；在實驗中發(fā)現(xiàn)豐田公司的混合動力汽車普銳斯滑行過程中，在車速高于一定閾值時發(fā)動機(jī)會有負(fù)轉(zhuǎn)矩輸出，但其具體控制策略并不清楚。如上所述，發(fā)動機(jī)輔助制動在傳統(tǒng)車上的研究和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，在混合動力汽車的輔助制動中僅處于起步階段，而在混合動力汽車下坡輔助中相關(guān)思想剛剛提出，目前還沒有具體研究[1]。

基于HEV下坡行駛安全性和舒適性的提高，本文中提出并聯(lián)式HEV_DAC發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法。首先基于車輛下坡路段行駛時的安全性，提出HEV發(fā)動機(jī)輔助制動接入時機(jī)的控制策略。并基于并聯(lián)式HEV的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以減小發(fā)動機(jī)輔助制動接入過程中離合器輸入與輸出端相對速度為目標(biāo)，提出減緩發(fā)動機(jī)輔助制動接入過程沖擊的起動電機(jī)和離合器動態(tài)過程控制策略。其次為保證發(fā)動機(jī)接入前后車輛運(yùn)行的平穩(wěn)，以車速為目標(biāo)，提出發(fā)動機(jī)輔助制動接入過程中的基于PID的驅(qū)動(TM)電機(jī)控制策略。最后利用實車實驗對發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法進(jìn)行驗證。

1 HEV制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HEV發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法是基于本課題組HEV基礎(chǔ)上開發(fā)的，與其相關(guān)的系統(tǒng)包括電機(jī)制動子系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)制動子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中電機(jī)制動系統(tǒng)包括TM電機(jī)、電池及其控制器。發(fā)動機(jī)制動系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)及其控制器(ECU)、離合器及其控制器和起動電機(jī)(BSG)及其控制器。各子系統(tǒng)獨(dú)立工作，子系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過總線傳到上層控制器，上層控制器根據(jù)車輛的運(yùn)行狀態(tài)與制動子系統(tǒng)的信息，對制動子系統(tǒng)進(jìn)行制動力分配和子系統(tǒng)間制動力的動態(tài)協(xié)調(diào)。

2 HEV發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法

為保證HEV滑行過程中行駛安全，進(jìn)一步提高HEV滑行時能量回收效率，基于現(xiàn)有發(fā)動機(jī)輔助制動的相關(guān)研究成果，提出了一種并聯(lián)式HEV_DAC過程中電機(jī)制動力矩不足情況下，基于安全性和舒適性的BSG電機(jī)、離合器、TM電機(jī)協(xié)調(diào)控制的HEV發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法。

2.1 HEV輔助制動控制總體結(jié)構(gòu)

針對并聯(lián)式HEV提出輔助制動的過程總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中包括目標(biāo)制定層、電機(jī)輔助制動控制層、發(fā)動機(jī)輔助制動控制層、部件執(zhí)行系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)。本文中將重點(diǎn)對發(fā)動機(jī)輔助制動層進(jìn)行分析。

并聯(lián)式HEV發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法包括：基于安全性的發(fā)動機(jī)輔助制動接入控制策略；基于舒適性的BSG電機(jī)和離合器控制策略；基于車速閉環(huán)的TM電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略。其中，發(fā)動機(jī)接入控制策略解決發(fā)動機(jī)輔助控制最佳時機(jī)的選擇問題；BSG電機(jī)和離合器控制策略解決發(fā)動機(jī)輔助制動接入過程中的沖擊問題；而TM電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略則解決發(fā)動機(jī)接入過程和接入后目標(biāo)車速保持平穩(wěn)的問題。

2.2 發(fā)動機(jī)輔助接入及退出控制策略

輔助制動轉(zhuǎn)矩不足而導(dǎo)致速度失控是車輛下坡滑行時發(fā)生事故的主要原因，故本文中提出以具有足夠輔助制動轉(zhuǎn)矩作為判斷條件的發(fā)動機(jī)輔助制動控制策略，即車輛滑行過程中，當(dāng)電機(jī)輔助制動轉(zhuǎn)矩即將無法保證車速穩(wěn)定時，接入發(fā)動機(jī)輔助制動，當(dāng)車輛結(jié)束滑行時退出發(fā)動機(jī)輔助制動，具體如下：

(1)

以電機(jī)輔助制動轉(zhuǎn)矩不足作為發(fā)動機(jī)輔助介入的條件與以車速作為發(fā)動機(jī)輔助制動介入的條件相比，不但可使發(fā)動機(jī)輔助制動在車輛下大坡低速滑行時得以接入，保證車輛的行駛安全；而且可充分發(fā)揮電機(jī)的制動能量回收特性，避免發(fā)動機(jī)輔助制動在坡度較小時不必要的介入引起能量損失，提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 發(fā)動機(jī)輔助制動協(xié)調(diào)控制策略

發(fā)動機(jī)輔助制動協(xié)調(diào)控制策略在發(fā)動機(jī)起動和離合器接合兩個過程中，對相關(guān)部件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在保證過程快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，減緩過程中對車輛的沖擊。

2.3.1 發(fā)動機(jī)輔助協(xié)調(diào)控制的必要性

車輛滑行時，發(fā)動機(jī)存在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)和怠速停機(jī)兩種可能的狀態(tài)，首先對這兩種狀態(tài)下直接接合離合器進(jìn)入發(fā)動機(jī)反拖狀態(tài)的結(jié)果進(jìn)行分析。

圖3為發(fā)動機(jī)停機(jī)狀態(tài)下直接接合離合器過程中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、TM電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速圖。

由圖可見：在離合器接合過程中，TM電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為806r/min，最低轉(zhuǎn)速為643.3r/min，轉(zhuǎn)速的最大波動為162.7r/min；車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也有明顯的波動，且接合過程中駕駛員也能感覺到車輛有明顯的抖動。其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的有效值范圍為600～5 000r/min，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速圖不能有效反映其轉(zhuǎn)速由0上升至600r/min的動態(tài)過程。且由于TM電機(jī)與車輪間是機(jī)械連接，其轉(zhuǎn)速可精確反映車速變化，故選用電機(jī)轉(zhuǎn)速變化作為離合器接合過程中所產(chǎn)生的沖擊的主要評價指標(biāo)。

圖4為發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下直接接合離合器過程中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速圖。

由圖可見：在離合器接合過程中，TM電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 165r/min，最低轉(zhuǎn)速為1 079r/min，轉(zhuǎn)速的最大波動只有86r/min，車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無明顯波動，駕駛員也無明顯沖擊感覺。

通過以上結(jié)果可以看出，發(fā)動機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下直接接合離合器所產(chǎn)生的沖擊，不僅對車輛舒適性有較大影響，而且會加速離合器磨損，影響車輛傳動系的壽命。針對并聯(lián)式HEV在此過程中的沖擊，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中進(jìn)行了相關(guān)研究，但其研究多集中于通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)減少換擋過程中的動力中斷，及通過發(fā)動機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制減少離合器接合過程中對整車的沖擊，這種方法雖可以改善離合器結(jié)合過程中車輛乘員的舒適性，但本質(zhì)上并未改變此過程中離合器和傳動系所產(chǎn)生的沖擊。

2.3.2 發(fā)動機(jī)接入過程BSG和離合器的協(xié)調(diào)控制

根據(jù)并聯(lián)式HEV的結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)輔助制動動態(tài)過程的特點(diǎn)，制定了并聯(lián)式HEV發(fā)動機(jī)輔助制動的發(fā)動機(jī)接入過程控制策略，即首先利用BSG將發(fā)動機(jī)(不噴油)拖動，當(dāng)發(fā)動機(jī)期望轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之差小于閾值c時，發(fā)出離合器接合命令，當(dāng)離合器完全結(jié)合并達(dá)到一定時間閾值b時，停止拖動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)開始參與輔助制動，直至車輛滑行結(jié)束為止。其計算公式如下：

(2)

(3)

式中：ig為主減速比；i0為變速器減速比；ie_B為發(fā)動機(jī)與BSG電機(jī)間的速比；r為車輪半徑；b為一定的時間閾值；c為一定轉(zhuǎn)速差閾值；ωBSG為BSG電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

式(2)為發(fā)動機(jī)輔助接入過程BSG電機(jī)的控制策略，式(3)為發(fā)動機(jī)輔助接入過程離合器的控制策略。發(fā)動機(jī)輔助制動接入的具體過程見圖5。

本文中所述并聯(lián)式HEV發(fā)動機(jī)輔助制動時接入過程控制策略，以BSG電機(jī)轉(zhuǎn)速精確可調(diào)為基礎(chǔ)，以減小離合器輸入與輸出軸轉(zhuǎn)速差為目標(biāo)，從根本上解決了發(fā)動機(jī)接入過程中由于離合器輸入與輸出軸不同步引起的沖擊過大的問題。

2.3.3 發(fā)動機(jī)輔助接入過程的TM電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略

對發(fā)動機(jī)輔助接入過程進(jìn)行受力分析，可得發(fā)動機(jī)輔助接入過程中的電機(jī)輔助制動轉(zhuǎn)矩方程為

BTM=(Ff+Fw+Fi+Fj)r-Beng

(3)

式中：Ft為車輛行駛阻力之和；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

車輛下坡輔助制動以維持車速穩(wěn)定為目標(biāo)，故在發(fā)動機(jī)輔助接入過程中可設(shè)：

g=(Ff+Fw+Fj)r

(4)

式中g(shù)為常數(shù)。式(3)整理可得：

BTM=Fir-Beng+g

(5)

從式(5)中可以看出，發(fā)動機(jī)接入過程中的電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩與兩個動態(tài)的變量相關(guān)，其中Beng與離合器接合的速率、車速和發(fā)動機(jī)本身的慣量相關(guān)，目前無法直接獲得。而測量精確的動態(tài)坡度值所需設(shè)備成本較高，為此本文中提出了基于PID的HEV發(fā)動機(jī)輔助接入過程的TM電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略。

圖6為基于車速閉環(huán)的TM電機(jī)轉(zhuǎn)矩PID控制策略，該策略可實現(xiàn)BTM在發(fā)動機(jī)輔助接入過程中的動態(tài)求解，保證發(fā)動機(jī)接入過程中車速的平穩(wěn)。

3 實驗驗證

為驗證所提出的并聯(lián)式HEV發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法，利用本課題組的HEV實驗平臺，通過不同坡度在不同速度下對相關(guān)策略進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明，控制效果僅受相關(guān)閾值和擋位影響，擋位越低，沖擊越大。這里僅以2擋、標(biāo)準(zhǔn)8%下坡路段的實驗數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

實驗條件：由于實驗中坡長和坡度的有限，為達(dá)到發(fā)動機(jī)輔助接入的實驗條件，實驗中設(shè)滑行時TM電機(jī)轉(zhuǎn)矩為5N·m，當(dāng)TM電機(jī)輔助制動轉(zhuǎn)矩大于6N·m時起動發(fā)動機(jī)輔助制動。

圖7為有發(fā)動機(jī)參與的HEV_DAC過程圖。

由圖可見：41s時車輛處于滑行制動狀態(tài)，電機(jī)處于模擬發(fā)動機(jī)制動轉(zhuǎn)矩(-5N·m)狀態(tài)，而后車速因坡度較大而不斷增加，當(dāng)車速增加超過一定閾值d(此處設(shè)d=1km/h)時，起動發(fā)動機(jī)輔助制動，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化率被限制，不能馬上達(dá)到使車速穩(wěn)定的制動轉(zhuǎn)矩，此時車速將繼續(xù)增加，因此在車輛速度達(dá)到穩(wěn)定之前，輔助制動轉(zhuǎn)矩和車速均會出現(xiàn)短暫的超調(diào)；電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于-6N·m時進(jìn)入發(fā)動機(jī)輔助制動模式，隨著BSG電機(jī)的起動，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)的期望轉(zhuǎn)速之差小于一定的閾值c(此處設(shè)c=50r/min)時，下達(dá)離合器接合命令，當(dāng)離合器完全接合并達(dá)到一定的時間閾值b(此處設(shè)b=0.5s)后，停止BSG電機(jī)拖動。在發(fā)動機(jī)接入的過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩受以車速為目標(biāo)的PID控制器控制緩慢減小，當(dāng)發(fā)動機(jī)完全接入后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。此過程在保證車速基本穩(wěn)定，車輛無明顯沖擊的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)的輔助制動的接入，為車輛下坡過程的制動安全提供了更加可靠的保障。

為充分驗證發(fā)動機(jī)輔助接入過程BSG電機(jī)與離合器動態(tài)協(xié)調(diào)的結(jié)果，分別對發(fā)動機(jī)由靜止接入輔助制動和發(fā)動機(jī)由怠速接入輔助制動的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 發(fā)動機(jī)由靜止接入發(fā)動機(jī)輔助制動結(jié)果對比

圖8為動態(tài)協(xié)調(diào)下發(fā)動機(jī)由靜止進(jìn)入輔助制動過程的車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速圖。

由圖可見：離合器接合過程中TM電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1 192.9r/min，最低轉(zhuǎn)速為1 152.3r/min，轉(zhuǎn)速的最大波動只有40.6r/min。駕駛員感覺不到此過程中的沖擊。

與圖3結(jié)果比較，有動態(tài)過程控制的發(fā)動機(jī)輔助制動較直接接入的發(fā)動機(jī)輔助制動，電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動減小75%。顯然有動態(tài)過程控制的發(fā)動機(jī)輔助制動可明顯改善接入過程中的沖擊，有利于延長傳動系部件的壽命。

3.2 發(fā)動機(jī)由怠速接入輔助制動結(jié)果對比

圖9為動態(tài)協(xié)調(diào)下發(fā)動機(jī)由怠速進(jìn)入輔助制動過程的車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速圖。

由圖可見：TM電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為943.8r/min，最低轉(zhuǎn)速為883.9r/min，轉(zhuǎn)速的最大波動只有59.9r/min。駕駛員感覺不到此過程中的沖擊。

與圖4結(jié)果比較，有動態(tài)過程控制的發(fā)動機(jī)輔助制動比直接接入的發(fā)動機(jī)輔助制動的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動減小30.3%。雖然車輛乘員主觀上對發(fā)動機(jī)起動狀態(tài)下接入傳動系的兩種過程所引起的沖擊感覺差別不大，但電機(jī)轉(zhuǎn)速波動減小30.3%，對于提高車輛的舒適性，減緩因沖擊對車輛傳動系部件使用壽命的影響也將產(chǎn)生積極的作用。

4 結(jié)論

為提高HEV下坡路段行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性、和舒適性，本文中通過對HEV電機(jī)和發(fā)動機(jī)輔助制動系統(tǒng)制動能力和特點(diǎn)的分析，提出了HEV發(fā)動機(jī)輔助制動控制方法，制定了發(fā)動機(jī)輔助制動接入過程中TM電機(jī)、BSG電機(jī)與離合器的協(xié)調(diào)控制策略，通過實驗驗證，得到如下結(jié)論：

(1) 車輛滑行時，以電機(jī)制動力矩不足為條件適時接入發(fā)動機(jī)輔助制動，可以充分發(fā)揮HEV汽車滑行過程中無摩擦制動的制動能力，提高車輛運(yùn)行的安全性；

(2) 提出發(fā)動機(jī)接入過程控制策略，通過對BSG電機(jī)與離合器的協(xié)調(diào)控制，減小了發(fā)動機(jī)輔助制動接入傳動系統(tǒng)時引起的沖擊，提升了車輛的舒適性，并有利于延長傳動系及其相關(guān)部件的使用壽命。

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