王俊華，肖 愷，黎潤(rùn)東，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（廣州汽車集團(tuán)有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

ISG型混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程控制仿真分析

王俊華，肖 愷，黎潤(rùn)東，郭 俊，魏 丹，夏 珩

Wang Junhua，Xiao Kai，Li Rundong，Guo Jun，Wei Dan，Xia Heng

（廣州汽車集團(tuán)有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停是混合動(dòng)力汽車節(jié)能減排的重要手段，對(duì)混合動(dòng)力汽車的起動(dòng)性能提出了更高的要求?；旌蟿?dòng)力汽車的ISG（Integrated Starter Generator）起動(dòng)相比傳統(tǒng)車的起動(dòng)機(jī)起動(dòng)可以獲得更好的油耗、排放、振動(dòng)和噪聲性能。文中結(jié)合所研發(fā)的ISG型混合動(dòng)力汽車，通過(guò)試驗(yàn)分析現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的控制效果。為解決現(xiàn)有控制算法存在的轉(zhuǎn)速超調(diào)量大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制算法，搭建了控制器和被控對(duì)象仿真模型。通過(guò)仿真分析研究了不同控制參數(shù)對(duì)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速控制效果的影響，得出了減少發(fā)動(dòng)機(jī)噴油轉(zhuǎn)矩和提高ISG轉(zhuǎn)矩變化率限制可以改善轉(zhuǎn)速控制效果的結(jié)論，為后續(xù)控制算法的改進(jìn)和實(shí)車控制參數(shù)的標(biāo)定提供了依據(jù)。

混合動(dòng)力汽車；自動(dòng)起停；起動(dòng)；轉(zhuǎn)速控制

0 引 言

當(dāng)前，全球汽車工業(yè)正面臨著能源短缺和環(huán)境污染的巨大挑戰(zhàn)，節(jié)能、減排已經(jīng)成為全球汽車工業(yè)的廣泛共識(shí)。純電動(dòng)汽車由于電池技術(shù)的瓶頸，使其無(wú)法在合理的成本下獲得較高的續(xù)駛里程。燃料電池汽車則由于催化劑的高昂價(jià)格使其成本居高不下。短期內(nèi)，最有市場(chǎng)化前景的新能源汽車依然是混合動(dòng)力汽車[1]。混合動(dòng)力汽車較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能，因而成為國(guó)內(nèi)外各汽車廠商研發(fā)的熱點(diǎn)[2-3]。混合動(dòng)力汽車可通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量、調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停機(jī)以及制動(dòng)能量回收等方式有效降低汽車能耗以及排放[4]。

在混合動(dòng)力汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停是改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的有效措施[1]。有研究表明，在美國(guó)城市工況下，怠速油耗占到整個(gè)循環(huán)工況油耗的17%[5]。據(jù)估算，混合動(dòng)力汽車自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)在城市工況可節(jié)油10%[1，6-7]。

在傳統(tǒng)車上，由于不存在發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停的現(xiàn)象，因而起動(dòng)過(guò)程的油耗、排放、噪聲和振動(dòng)問(wèn)題對(duì)整車性能的影響并不明顯。相反，對(duì)于混合動(dòng)力汽車，由于發(fā)動(dòng)機(jī)起停十分頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能必須引起重視。不同的控制方法和控制參數(shù)對(duì)于車輛的油耗、排放、噪聲和振動(dòng)等起動(dòng)性能有重要影響。目前的研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真[8]、起動(dòng)阻力模型[9]和起停控制策略及其優(yōu)化方面[7]，而對(duì)于ISG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程的控制方法研究則相對(duì)較少。

文中通過(guò)試驗(yàn)研究了自主研發(fā)的ISG型混合動(dòng)力汽車現(xiàn)有的起動(dòng)過(guò)程，分析了其存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的起動(dòng)過(guò)程控制算法，并通過(guò)仿真分析研究了不同控制參數(shù)對(duì)起動(dòng)性能的影響，為后續(xù)控制算法的改進(jìn)和實(shí)車參數(shù)標(biāo)定提供了依據(jù)。

1 混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示是某混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)圖。在發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的傳統(tǒng)AMT變速箱汽車的基礎(chǔ)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端裝有ISG，發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG的轉(zhuǎn)矩共同經(jīng)過(guò)離合器與AMT變速器相連，通過(guò)前差減總成傳遞到前軸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛。ISG為可逆電機(jī)，既可以工作在電動(dòng)機(jī)模式為車輛提供驅(qū)動(dòng)力，也可以工作在發(fā)電機(jī)模式產(chǎn)生電能。ISG還可以用作起動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停功能。相比起動(dòng)電機(jī)，ISG可以提供更大的轉(zhuǎn)矩輸出，加快發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)速度，但需要不同的控制方法和參數(shù)以減小超調(diào)。

2 現(xiàn)有起動(dòng)過(guò)程的試驗(yàn)分析

現(xiàn)有的起動(dòng)過(guò)程控制與傳統(tǒng)車十分相似，在需要起動(dòng)時(shí)，ISG模擬傳統(tǒng)車的起動(dòng)機(jī)，將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到較低的轉(zhuǎn)速（如200 r/min）后，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始噴油，后續(xù)由發(fā)動(dòng)機(jī)按照傳統(tǒng)車起動(dòng)過(guò)程的控制方法完成起動(dòng)。該方法不需要重新標(biāo)定EMS起動(dòng)過(guò)程的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單。但是，由于仍采用傳統(tǒng)車的起動(dòng)過(guò)程控制方法，考慮到水溫、油溫較低的情況下汽油霧化情況不佳，為避免失火而采取一定的過(guò)濃混合氣來(lái)保證足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程油耗高、排放差、噪聲和振動(dòng)明顯的問(wèn)題[10-11]。

圖2給出了現(xiàn)有起動(dòng)過(guò)程的實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，起動(dòng)開(kāi)始后，ISG轉(zhuǎn)矩在0.25 s之后達(dá)到最大值，在0.48 s發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速首次達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速，在1.82 s發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定（進(jìn)入900±45 r/min區(qū)間）。從圖中可以看出，起動(dòng)開(kāi)始約0.7 s后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)達(dá)到約50%，轉(zhuǎn)速最大值超過(guò)1 400 r/min?，F(xiàn)有的起動(dòng)過(guò)程控制算法由于仍采用傳統(tǒng)車的起動(dòng)控制算法，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)過(guò)濃混合氣來(lái)保證起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是一種開(kāi)環(huán)控制，不可避免的存在超調(diào)量大，起動(dòng)性能較差的問(wèn)題[12]。

由于傳統(tǒng)車一般每次駕駛循環(huán)僅需起動(dòng)一次，因而起動(dòng)過(guò)程的油耗、排放以及噪聲和振動(dòng)問(wèn)題并不十分顯著。但是，對(duì)于具有自動(dòng)起停功能的混合動(dòng)力汽車，通常在一次駕駛循環(huán)需要起動(dòng)數(shù)次甚至數(shù)十次，這些問(wèn)題對(duì)整車性能的影響十分顯著。因而，有必要對(duì)現(xiàn)有的起動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化。

3 ISG轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的起動(dòng)策略

為改善起動(dòng)過(guò)程的油耗、排放以及振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，文中提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速控制算法。該算法仍采用ISG作為起動(dòng)機(jī)，但由于ISG相比起動(dòng)機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)矩能力，因而利用ISG將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到接近怠速轉(zhuǎn)速再開(kāi)始噴油，從而降低油耗和排放；且由于ISG響應(yīng)迅速，可以在整車起動(dòng)過(guò)程中利用ISG對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速按照預(yù)設(shè)上升率平穩(wěn)上升，減少轉(zhuǎn)速超調(diào)，從而改善起動(dòng)過(guò)程的噪聲和振動(dòng)問(wèn)題。

該控制算法在VCU（整車控制器）中實(shí)現(xiàn)，圖3給出包含VCU、ISG、EMS以及CAN總線在內(nèi)的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、VCU發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制模塊的原理框圖。該控制算法主要包括目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊、ISG轉(zhuǎn)矩限制模塊和噴油控制模塊。目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊根據(jù)起動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間查表得到當(dāng)前期望的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為目標(biāo)轉(zhuǎn)速。為了得到一個(gè)較為平滑的起動(dòng)過(guò)程，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為隨時(shí)間變化的斜坡函數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速按固定斜率上升，直至達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速（900 r/min）。目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差輸入PI控制器從而計(jì)算出合適的ISG轉(zhuǎn)矩需求，經(jīng)過(guò)ISG限制模塊后作為ISG轉(zhuǎn)矩指令發(fā)送給ISG執(zhí)行。ISG轉(zhuǎn)矩限制模塊主要對(duì)ISG的轉(zhuǎn)矩變化率和轉(zhuǎn)矩峰值進(jìn)行限制，以起到對(duì)ISG部件的保護(hù)作用。噴油控制模塊通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與噴油轉(zhuǎn)速閾值進(jìn)行比較，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)向EMS發(fā)送噴油指令。

4 仿真模型

為了快速考察不同控制參數(shù)的影響并為實(shí)車標(biāo)定提供指導(dǎo)和依據(jù)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的仿真模型。仿真模型由兩部分組成，分別是控制器模型和被控對(duì)象模型。其中控制器模型按照前述控制算法搭建。被控對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示。被控對(duì)象包括發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG兩部分，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和ISG轉(zhuǎn)矩共同作用于發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，經(jīng)過(guò)積分器得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。ISG轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)用一階慣性環(huán)節(jié)模擬，其時(shí)間常數(shù)通過(guò)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得。

在收到噴油指令前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩僅為摩擦轉(zhuǎn)矩，不同水溫和轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的摩擦轉(zhuǎn)矩通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得。在收到噴油指令后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、轉(zhuǎn)速和噴油持續(xù)時(shí)間變化，通過(guò)對(duì)大量實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)成不同水溫下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速和噴油持續(xù)時(shí)間變化的多張表格，從而建立起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的模型。

5 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的仿真分析

在搭建了仿真模型之后，就可以快速地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制進(jìn)行仿真分析，考察不同參數(shù)的控制效果（目標(biāo)轉(zhuǎn)速上升斜率、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油轉(zhuǎn)速、ISG轉(zhuǎn)矩變化率、PI控制參數(shù)等）。值得說(shuō)明的是，還可以通過(guò)調(diào)整被控對(duì)象的參數(shù)，考察被控對(duì)象參數(shù)對(duì)控制效果的影響，如噴油后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大小對(duì)控制效果的影響（用相對(duì)于傳統(tǒng)車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的百分比表示）。為突出重點(diǎn)，文中僅考慮暖機(jī)起動(dòng)的情況，暫不考慮不同發(fā)動(dòng)機(jī)水溫條件下的差異。目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速設(shè)置為900 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油轉(zhuǎn)速設(shè)置為700 r/min。ISG轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間常數(shù)設(shè)置為50 ms。表1給出了5組具有典型意義的仿真參數(shù)。

針對(duì)第1組參數(shù)，較大的Kp參數(shù)會(huì)使系統(tǒng)失穩(wěn)，經(jīng)過(guò)不斷嘗試，控制器選取Kp=0.2，Ki=0.5時(shí)可得到較好的控制效果。仿真結(jié)果如圖5所示。圖5（a）給出了發(fā)動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速差（目標(biāo)轉(zhuǎn)速減實(shí)際轉(zhuǎn)速）隨時(shí)間變化的曲線；圖5（b）給出了ISG轉(zhuǎn)矩需求、ISG實(shí)際轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩以及總轉(zhuǎn)矩（ISG實(shí)際轉(zhuǎn)矩+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩）隨時(shí)間變化的關(guān)系。從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)噴油前，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速可跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速曲線上升，轉(zhuǎn)速差在0.5 s后小于30 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油后，從轉(zhuǎn)矩圖可以看到，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩有一個(gè)較大的正向突變（約100 Nm），相當(dāng)于給系統(tǒng)引入一個(gè)較大的擾動(dòng)；另一方面，ISG的轉(zhuǎn)矩往負(fù)向調(diào)整，由于變化斜率的限制，導(dǎo)致總轉(zhuǎn)矩調(diào)整過(guò)程緩慢。以上兩個(gè)方面導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生超調(diào)（轉(zhuǎn)速超過(guò)1 200 r/min，超調(diào)量345 r/min），穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定到怠速轉(zhuǎn)速（900 ±45 r/min）的時(shí)間1.51 s。

為了獲得更好的轉(zhuǎn)速跟隨效果和更小的轉(zhuǎn)速超調(diào)，從而改善振動(dòng)和噪聲性能，一是要減小發(fā)動(dòng)機(jī)噴油后的轉(zhuǎn)矩輸出，二是要提高ISG轉(zhuǎn)矩變化率的限制。第2組仿真參數(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)噴油后轉(zhuǎn)矩降低為原來(lái)的20%，其他參數(shù)不變，仿真結(jié)果如圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量明顯減小，只有68 r/min。穩(wěn)定到怠速轉(zhuǎn)速的時(shí)間也縮短為1.26 s。從轉(zhuǎn)矩變化曲線可以看出，噴油后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突變減?。ㄖ良s40 N·m），這說(shuō)明，減小發(fā)動(dòng)機(jī)噴油后的轉(zhuǎn)矩輸出可以實(shí)現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)速控制效果。

第3組參數(shù)在第2組參數(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)整控制器的PI參數(shù)，通過(guò)反復(fù)嘗試獲得較優(yōu)的PI控制參數(shù)Kp=0.5，Ki=0.4。如圖7所示，在Kp從原有的0.2提高到0.5時(shí)，轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)一步減小到41 r/min，穩(wěn)定到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間也縮短為0.89 s。這說(shuō)明，在較小的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油轉(zhuǎn)矩下，可以采用更大的P參數(shù)以獲得更好的控制效果。

在第3組參數(shù)的基礎(chǔ)上，第4組參數(shù)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速上升率增加到2000 (r/min)/s，PI參數(shù)反復(fù)嘗試調(diào)整至Kp=0.35，Ki=0.4，圖8給出了這組參數(shù)的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速跟隨效果變差，超調(diào)量增加到296 r/min。從轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，ISG轉(zhuǎn)矩已經(jīng)受到變化斜率限制。這說(shuō)明，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速上升率加快時(shí)，系統(tǒng)控制難度增加，對(duì)ISG轉(zhuǎn)矩變化率提出更高的要求。

除了減小發(fā)動(dòng)機(jī)噴油后的轉(zhuǎn)矩輸出，另一種改善轉(zhuǎn)速控制效果的方法是提高ISG轉(zhuǎn)矩變化率限制。第5組參數(shù)在第4組參數(shù)的基礎(chǔ)上將ISG轉(zhuǎn)矩變化率從540 Nm/s增大到2 500 Nm/s后，經(jīng)反復(fù)嘗試取Kp=0.5，Ki=1.0。圖9給出了仿真結(jié)果?？梢钥吹剑谳^大的ISG轉(zhuǎn)矩變化率限制下，即便目標(biāo)轉(zhuǎn)速上升率較快，仍能夠?qū)崿F(xiàn)較好的轉(zhuǎn)速跟隨，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量?jī)H79 r/min，達(dá)到穩(wěn)定怠速時(shí)間也較短，為0.63 s。

以上5組不同參數(shù)的仿真結(jié)果中，累積轉(zhuǎn)速誤差為轉(zhuǎn)速偏差絕對(duì)值的積分，用于衡量轉(zhuǎn)速跟隨效果，誤差越小，表明轉(zhuǎn)速跟隨效果越好。顯然，第5組參數(shù)的仿真結(jié)果最好。這說(shuō)明，為獲得較好的轉(zhuǎn)速控制效果，應(yīng)當(dāng)減少噴油后發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，增加ISG轉(zhuǎn)矩變化率限制，同時(shí)采用合適的PI控制參數(shù)。

6 結(jié)論和展望

針對(duì)某ISG型混合動(dòng)力汽車，通過(guò)試驗(yàn)分析現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，其存在轉(zhuǎn)速超調(diào)量大，起動(dòng)油耗、排放、振動(dòng)和噪聲性能差的問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制算法，搭建了仿真模型。通過(guò)仿真分析了不同控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速控制效果的影響，得出了減少發(fā)動(dòng)機(jī)噴油后轉(zhuǎn)矩和提高ISG轉(zhuǎn)矩變化率限制可以改善轉(zhuǎn)速控制效果的結(jié)論，為后續(xù)控制算法的改進(jìn)和實(shí)車控制參數(shù)的標(biāo)定提供了依據(jù)。

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U464.142.02

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2014-04-21

1002-4581（2014）04-0018-06