梁俊毅, 張建龍, 殷承良

(上海交通大學(xué)，汽車電子控制技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

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2015231

某型混合動力汽車協(xié)調(diào)換擋控制策略的研究*

梁俊毅, 張建龍, 殷承良

(上海交通大學(xué)，汽車電子控制技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

本文針對一款裝有機(jī)械式自動變速器和后驅(qū)電機(jī)的混合動力汽車開發(fā)了協(xié)調(diào)換擋控制策略，對車輛沖擊和離合器摩擦損失進(jìn)行優(yōu)化。控制策略將換擋過程分為發(fā)動機(jī)主動調(diào)速、離合器接合和恢復(fù)并聯(lián)驅(qū)動3個階段。采用模糊PID控制器和模糊控制器分別進(jìn)行發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和離合器接合速度調(diào)節(jié)，并用電機(jī)對動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行補(bǔ)償。仿真和臺架試驗(yàn)結(jié)果，采用雖然該協(xié)調(diào)控制策略雖然換擋時間相對延長，但能同時減小車輛沖擊和離合器摩擦損失，將沖擊度控制在±4 m/s3范圍內(nèi)，并只產(chǎn)生很小的離合器摩擦損失，汽車的換擋品質(zhì)得到明顯改善。

混合動力汽車；協(xié)調(diào)換擋控制策略；車輛沖擊度；離合器摩擦損失

前言

隨著環(huán)境污染的逐步加劇和能源問題的日益凸顯，汽車工業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)紛紛加大了對新能源汽車的研發(fā)力度?；旌蟿恿ζ?HEV)由于采用與傳統(tǒng)車輛類似的結(jié)構(gòu)和對基礎(chǔ)設(shè)施的良好適應(yīng)性，因此被認(rèn)為是中短期內(nèi)一個較好的選擇方案[1]。

目前，關(guān)于HEV瞬態(tài)協(xié)調(diào)控制的研究內(nèi)容相對集中于模式切換(如由純電動模式切換至混合驅(qū)動模式)[2-3]，而針對換擋時瞬態(tài)協(xié)調(diào)控制的研究相對較少[4-5]。研究人員在針對HEV換擋進(jìn)行優(yōu)化時通常需要同時兼顧幾個目標(biāo)，包括換擋時間、離合器磨損和車輛沖擊度。這幾個優(yōu)化目標(biāo)常常相互制約：較快的換擋需要加快離合器的接合，以減少動力中斷和離合器磨損，但可能導(dǎo)致較大的車輛沖擊。而要提高駕乘舒適性，需要相對延長換擋時間，可能導(dǎo)致更多的離合器磨損。

之前的研究通常采用加權(quán)目標(biāo)函數(shù)對沖擊度和離合器磨損進(jìn)行折中優(yōu)化[6]，或忽略磨損而集中優(yōu)化HEV車輛沖擊度[7]，很難同時實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)的優(yōu)化。本文中針對一款發(fā)動機(jī)及變速器集成于前驅(qū)動軸，電機(jī)集成于后驅(qū)動軸的HEV進(jìn)行研究，設(shè)計了針對1擋升2擋的換擋協(xié)調(diào)控制策略。由于采用后置電機(jī)結(jié)構(gòu)，在換擋時電機(jī)可持續(xù)提供車輛行駛所需功率。因此，動力中斷問題得以解決，換擋時間可以相對延長以減小車輛沖擊并通過發(fā)動機(jī)主動調(diào)速來減少離合器的磨損。

模糊邏輯控制器為非線性、時變、動態(tài)和延時系統(tǒng)提供有效的控制，因?yàn)樗芊奖愕孬@取人類認(rèn)知中近似和定性概念，并將推理機(jī)制引入控制器中[8]。本文中采用模糊PID控制器和模糊控制器分別控制換擋時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和離合器接合速度調(diào)節(jié)，以期獲得較好的協(xié)調(diào)控制品質(zhì)。

1 HEV混合動力系統(tǒng)架構(gòu)

本文中所研究的并聯(lián)式HEV主要針對中低端市場，其動力性能見表1[9]。

表1 并聯(lián)式HEV動力性能參數(shù)

該并聯(lián)式HEV的動力系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)與自動機(jī)械變速器(AMT)置于前驅(qū)以及電機(jī)置于后驅(qū)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。HEV的系統(tǒng)參數(shù)見表2。

2 換擋過程動力學(xué)方程

混合動力汽車動力系統(tǒng)是復(fù)雜的非連續(xù)系統(tǒng)。為了簡化分析，將動力系統(tǒng)各部件假設(shè)為集中慣量部件。本文中著重分析與換擋過程相關(guān)的動力學(xué)方程。

如圖1所示，由于發(fā)動機(jī)通過離合器與變速器輸入軸相連，故換擋過程中(在離合器完全接合前)前驅(qū)動的動力學(xué)方程可表達(dá)為

(1)

式中：Jeng為發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的慣量；ωeng為發(fā)動機(jī)的角

表2 并聯(lián)式HEV動力性能參數(shù)

速度，rad/s；Teng為發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，其值等于發(fā)動機(jī)的指示轉(zhuǎn)矩Teng_i減去發(fā)動機(jī)阻力轉(zhuǎn)矩Tres；Tclt為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩。Tres可表示為[10]

(2)

式中：Vd為發(fā)動機(jī)的排量，m3;neng為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min; vp為發(fā)動機(jī)活塞的平均速度，m/s。

在AMT系統(tǒng)中通常使用干式離合器。換擋過程中干式離合器有分離、滑摩和完全接合3種狀態(tài)。對應(yīng)不同狀態(tài)離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的方程為

(3)式中：Tclt_out和ωclt_out為離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和角速度；Tclt_in和ωclt_in為離合器的輸入轉(zhuǎn)矩和角速度；μst和μsl為離合器摩擦盤的靜態(tài)和滑動摩擦因數(shù)；Rcl為等效摩擦半徑，m;Fn為作用在摩擦盤上的法向力；N為摩擦面數(shù)。

考慮到變速器軸存在剛度和阻尼特性，故其動力學(xué)方程為

(4)

3 協(xié)調(diào)換擋控制策略

本文中針對目標(biāo)HEV車型1擋至2擋的升檔過程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制優(yōu)化。由于換擋過程中離合器的狀態(tài)改變，該換擋過程可分為3個連續(xù)的階段。每個階段都有設(shè)計針對性的控制策略來實(shí)現(xiàn)最終車輛沖擊度和離合器磨損的優(yōu)化。在換擋指令發(fā)出前，HEV工作在并聯(lián)混合驅(qū)動模式，此時前軸的發(fā)動機(jī)和后軸的電機(jī)共同驅(qū)動車輛。在換擋指令發(fā)出后，離合器開始分離而發(fā)動機(jī)到變速器輸入軸的動力鏈斷開。此時，位于后軸的電機(jī)可持續(xù)提供車輛所需的功率，從而避免了動力完全中斷。在此情況下，離合器的分離時間可以相對延長，發(fā)動機(jī)可以進(jìn)行主動調(diào)速而減少離合器磨損。

換擋的3個階段和切換條件如圖2所示。為方便，本節(jié)中發(fā)動機(jī)和離合器的旋轉(zhuǎn)速度改用轉(zhuǎn)速n(r/min)表示；與第2節(jié)中的角速度ω(rad/s)的關(guān)系為n=30/π(對所有下標(biāo)有效)。當(dāng)離合器輸入端和輸出端的相對轉(zhuǎn)速nclt_dif降低至門限值nII_entry時，換擋過程進(jìn)入第二階段，離合器開始接合并產(chǎn)生滑摩。當(dāng)nclt_dif降低至某一較小的門限值nIII_entry時，換擋過程進(jìn)入第三階段，離合器完全接合，HEV重新進(jìn)入混合驅(qū)動狀態(tài)。

由于換擋過程中不同階段的車輛部件動力學(xué)狀態(tài)會發(fā)生變化，因此本文中針對不同階段分別設(shè)計了對應(yīng)的控制方法，具體詳述如下。

3.1 第一階段：發(fā)動機(jī)主動調(diào)速

當(dāng)換擋命令發(fā)出后，離合器開始分離以完成擋位切換。在傳統(tǒng)車輛中，為避免長時間的動力中斷，離合器分離時間較短并很快開始重新接合。本文中所研究的HEV結(jié)構(gòu)中，置于后軸的電機(jī)可以持續(xù)提供驅(qū)動功率。因此，離合器的分離時間可以相對延長。此時，式(1)中的離合器轉(zhuǎn)矩Tclt為0，發(fā)動機(jī)可以通過調(diào)整節(jié)氣門開度來進(jìn)行主動調(diào)速。由于1擋與2擋速比不同，在主動調(diào)速的最初階段，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速neng要遠(yuǎn)高于下一擋位對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速neng_t。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由調(diào)整節(jié)氣門位置αtht來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典的PID控制器被用于實(shí)現(xiàn)αtht的調(diào)節(jié)。因?yàn)楣?jié)氣門的位置不會發(fā)生突變，因此在設(shè)計PID控制器時，將節(jié)氣門開度的變化量Δαtht作為PID控制器的輸出，其表達(dá)式為

(5)

式中：e=neng_t-neng為發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值；Kp，KI和KD分別是比例、積分和微分系數(shù)。由于發(fā)動機(jī)和離合器的強(qiáng)非線性動態(tài)過程，普通的PID控制器有可能不能滿足追蹤精度和相應(yīng)速度的要求。因此，本文中采用模糊控制器對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)來增強(qiáng)控制器的性能。模糊控制器的設(shè)計方法與文獻(xiàn)[7]類似，本文中不再詳述。

3.2 第二階段：離合器結(jié)合

當(dāng)nclt_dif小于門限值nII_entry時，換擋過程進(jìn)入第二階段而此時離合器開始接合。在這個階段，離合器的接合須要仔細(xì)控制以減小車輛沖擊和離合器的摩擦損失。離合器的摩擦損失由離合器滑摩過程中耗散的能量來表征：

(6)

式中：tsilp為離合器滑摩的時間。在這個階段，離合器轉(zhuǎn)矩Tclt的增加與離合器的接合速度有關(guān)。另一方面，實(shí)驗(yàn)表明離合器的摩擦損失與滑摩時間呈正相關(guān)[6]。因此，離合器過快的接合會引起傳動系較大的轉(zhuǎn)矩波動而影響駕乘舒適性，而太慢的離合器接合速度則會造成較多的離合器磨損。

表3 離合器接合速度模糊邏輯規(guī)則表

3.3 第三階段：恢復(fù)并聯(lián)驅(qū)動

當(dāng)nclt_dif降低至一很小的值nIII_entry時，換擋過程進(jìn)入第三階段而離合器完全接合。發(fā)動機(jī)重新接入傳動系與電機(jī)一同驅(qū)動車輛。由于發(fā)動機(jī)動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢，則控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩Teng逐漸增加至其高效率轉(zhuǎn)矩曲線，而電機(jī)同時提供輔助功率保證駕駛員的駕駛需求。

4 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真平臺上建立了混合動力汽車的動力學(xué)仿真模型和換擋協(xié)調(diào)控制策略，并根據(jù)ECE工況選取一段典型加速曲線，如圖4所示。采用設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略和未進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的策略進(jìn)行仿真。需要說明的是，考慮到換擋過程中電機(jī)的功率有可能不能滿足此時駕駛員的需求，因而根據(jù)換擋時電機(jī)功率是否滿足當(dāng)前駕駛需求而設(shè)置兩個不同的離合器接合階段門限值nII_entry。若電機(jī)功率可以滿足當(dāng)前駕駛需求，則設(shè)置較小的nII_entry值，使發(fā)動機(jī)主動調(diào)速階段相對較長；若電機(jī)功率不能滿足當(dāng)前駕駛需求，則設(shè)置較大的nII_entry值，使發(fā)動機(jī)主動調(diào)速階段較短而縮短整個換擋過程，但此時可能產(chǎn)生一定的換擋沖擊和離合器磨損。表4中是有協(xié)調(diào)控制策略在兩種情況下和無協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)入不同階段所對應(yīng)的門限值。仿真對比結(jié)果如圖5所示。

門限值有協(xié)調(diào)控制無協(xié)調(diào)控制nII_entry電機(jī)功率充足50電機(jī)功率不足19001900nIII_entry0.2

如圖5(a)所示，當(dāng)采用協(xié)調(diào)控制方法時，車速曲線能較好地跟蹤目標(biāo)曲線，此時電機(jī)功率充足，選用的離合器接合門限值nII_entry=50r/min，發(fā)動機(jī)主動調(diào)速過程相對較長，如圖5(c)所示。而未采用協(xié)調(diào)控制方法時，車速在換擋過程中出現(xiàn)了波動。如圖5(b)所示，1擋升2擋的換擋過程被分為3個階段，分別由縱軸的1，2，3數(shù)字所表征。未采用協(xié)調(diào)控制時，第一階段(離合器分離)時間相對較短而很快進(jìn)入第二階段(離合器接合)。在離合器接合過程中，由于滑摩轉(zhuǎn)矩的作用，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速快速趨近于第二擋的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，如圖5(c)所示，因而換擋時間相對較短。采用協(xié)調(diào)控制時，第一階段發(fā)動機(jī)主動調(diào)速的時間相對較長，而當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低至nII_entry=50r/min時，換擋進(jìn)入第二階段，此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速已經(jīng)相差不大，因而換擋第二階段很快結(jié)束并進(jìn)入第三階段。兩種控制方法的換擋時間如表5所示。無協(xié)調(diào)控制換擋時間與傳統(tǒng)換擋時間類似，而有協(xié)調(diào)控制時間相對較長。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和離合器輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線如圖5(d)～圖5(f)所示。在換擋發(fā)生后，控制策略對發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)而使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，此時離合器處于分離狀態(tài)而沒有轉(zhuǎn)矩輸出。有協(xié)調(diào)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速補(bǔ)償由于離合器中斷造成的轉(zhuǎn)矩波動(如圖5(e)中實(shí)線表示)，而無協(xié)調(diào)控制的電機(jī)響應(yīng)則很慢，在車速發(fā)生變化后才有一定的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩輸出(如圖5(e)中虛線表示)。對比圖5(e)和圖5(f)可見，有協(xié)調(diào)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩能較好地補(bǔ)償離合器的轉(zhuǎn)矩輸出，從而減小動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動；而無協(xié)調(diào)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩則補(bǔ)償原定的發(fā)動機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩，因此無法很好地補(bǔ)償離合器的轉(zhuǎn)矩波動，造成動力系統(tǒng)的沖擊。

兩種控制方法造成的離合器摩擦損失和車輛沖擊如圖5(g)和圖5(h)所示。由于無協(xié)調(diào)控制方法的換擋過程很早就進(jìn)入離合器接合滑摩階段，因此離合器的摩擦損失較高；而有協(xié)調(diào)控制的離合器滑摩時間很短，此時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速差也很小，因此產(chǎn)生的離合器摩擦損失也很小。無協(xié)調(diào)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩沒有實(shí)現(xiàn)對離合器轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償，因此車輛產(chǎn)生了較大的沖擊；而有協(xié)調(diào)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩對離合器轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償較好，因而將沖擊度控制在很小的一個范圍內(nèi)(±2.5 m/s3)，符合德國的沖擊度推薦標(biāo)準(zhǔn)(<10 m/s3)。離合器摩擦損失和車輛沖擊度的具體數(shù)值如表6所示。采用協(xié)調(diào)控制后，離合器摩擦損失和車輛沖擊度比無協(xié)調(diào)控制分別降低了99.98%和92.07%。

表6 仿真換擋沖擊度和離合器摩擦損失對比

5 臺架試驗(yàn)分析

5.1 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計控制策略的有效性，搭建了如圖6所示的混合動力系統(tǒng)臺架。試驗(yàn)臺架中，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集及工況加載等，實(shí)時仿真平臺用于下載仿真模型及控制策略并對外發(fā)出控制信號。本臺架共采用了5個測功機(jī)：0號測功機(jī)用于模擬發(fā)動機(jī)；1，2號測功機(jī)模擬前輪；3，4號測功機(jī)模擬后輪。后置電機(jī)與3，4號測功機(jī)相連組成后輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制由控制系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，而控制系統(tǒng)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號送入變速器完成變速器的實(shí)時控制。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在搭建的混合動力試驗(yàn)臺架上對設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，采用圖4中加速曲線，用有協(xié)調(diào)控制和無協(xié)調(diào)控制方法分別進(jìn)行了1擋升2擋的試驗(yàn)。

由于試驗(yàn)過程中的離合器滑摩功難以獲得，故采用滑摩角表示離合器的摩擦損失。滑摩角是指離合器從動摩擦片和主從動摩擦片在滑摩過程中二者相對轉(zhuǎn)過的角度。圖7(a)中所示的有協(xié)調(diào)控制過程中，當(dāng)離合器分離后，電機(jī)可迅速補(bǔ)償車輛需求轉(zhuǎn)矩，因而車輛的動力性得到保證，車輛的沖擊度控制在[-4,+2]m/s3范圍內(nèi)。而圖8(a)所示的無協(xié)調(diào)控制過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩沒有迅速補(bǔ)償車輛需求轉(zhuǎn)矩，結(jié)果車輛出現(xiàn)沖擊，沖擊度約為[-20,+15]m/s3，超出了德國沖擊度的推薦標(biāo)準(zhǔn)，會引起駕乘人員的不適感。沖擊度和滑摩角的具體數(shù)值列在表7中，由于無協(xié)調(diào)控制很早就進(jìn)入離合器滑摩過程，所以其產(chǎn)生的滑摩角也比有協(xié)調(diào)控制大很多。有協(xié)調(diào)控制時的滑摩角和沖擊度比無協(xié)調(diào)控制時分別降低了74.67%和85.34%。

控制方法離合器滑摩角/rad車輛沖擊度/(m/s3)無協(xié)調(diào)控制72.51[-20.14,14.99]有協(xié)調(diào)控制18.37[-3.32,1.83]降低比例74.67%85.34%

6 結(jié)論

本文中針對一款裝備了AMT和后置電機(jī)的混合動力汽車設(shè)計了協(xié)調(diào)換擋控制策略?？刂撇呗詫Q擋過程分為發(fā)動機(jī)主動調(diào)速、離合器接合和恢復(fù)并聯(lián)驅(qū)動3個階段。采用電機(jī)實(shí)時補(bǔ)償動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動的方式，可以相對延長換擋時間。采用模糊PID控制器和模糊控制器對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器接合速度進(jìn)行調(diào)節(jié),用于降低前驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩波動。仿真和臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，與無協(xié)調(diào)控制策略的換擋策略相比，該換擋協(xié)調(diào)控制策略可以顯著減小車輛沖擊和離合器的磨損，能有效提高該型混合動力汽車的換擋品質(zhì)。

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A Study on the Coordinated Shift Control Strategy fora Hybrid Electric Vehicle

Liang Junyi, Zhang Jianlong & Yin Chengliang

ShanghaiJiaoTongUniversity,NationalEngineeringLaboratoryforAutomotiveElectronicControlTechnology，Shanghai200240

A coordinated gear shifting control strategy for a hybrid electric vehicle equipped with automated mechanical transmission and a rear drive motor is developed to optimize vehicle jerk and clutch friction loss. With the control strategy, the shifting process is divided into engine speed active regulation, clutch engagement and engine speed recovery three phases. Fuzzy PID and fuzzy controllers are adopted to regulate engine speed and clutch engaging speed respectively with the torque fluctuation of powertrain compensated by electric motor. Simulation and bench test results indicate that the adoption of coordinated control strategy, though relatively extending shift time, can concurrently reduce the vehicle jerk and clutch friction loss, with a shift jerk limited within ±4 m/s3and only a little clutch friction loss, apparently improving the shift quality of vehicle.

HEV; coordinated shift control strategy；vehicle jerk；clutch friction loss

*面向中美清潔能源合作的電動汽車前沿技術(shù)研究項(xiàng)目(2010DFA72760)資助。

原稿收到日期為2014年5月29日，修改稿收到日期為2014年8月21日。