周文太，王 晨，趙治國，王 博,3，于海生，張 彤

(1.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201501) (2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804) (3.上海理工大學(xué)汽車工程研究所,上海 200093)

噴油不良、點(diǎn)火能量不合理等原因造成的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足、不出轉(zhuǎn)矩等發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障是較普遍的故障形式[1]。功率分流式混合動(dòng)力控制系統(tǒng)通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) (engine management system, EMS)根據(jù)轉(zhuǎn)矩模型得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩理論值作為輸入，計(jì)算行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩[2]，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩真實(shí)值往往低于理論值，因而難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩平衡，可能會(huì)造成車輛驅(qū)動(dòng)能力急劇惡化，因此有必要對(duì)其進(jìn)行診斷并做妥善處理。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障，李俊松[3]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法，但該方法計(jì)算量大，不適合在嵌入式電子控制裝置(electronic control unit, ECU)上應(yīng)用。針對(duì)功率分流式混合動(dòng)力汽車EMS報(bào)出的故障，劉龍龍[4]提出了基于規(guī)則的容錯(cuò)控制策略，但EMS很難診斷出噴油不良、點(diǎn)火能量不合理造成的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障。

針對(duì)功率分流式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障，本文提出一種基于行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡數(shù)學(xué)模型的診斷方法，使用數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)估算實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)估算值與理論值之差確定故障等級(jí)；提出分級(jí)容錯(cuò)控制策略，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，不使用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡；當(dāng)診斷結(jié)果為發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，進(jìn)入純電動(dòng)跛行。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

功率分流式混合動(dòng)力變速箱采用雙排行星齒輪結(jié)構(gòu)。如圖1所示，雙排行星齒輪共用齒圈和行星架，齒圈R(ring)連接到輸出軸Ho(hybrid output)，行星架PC(planetary carrier)經(jīng)扭轉(zhuǎn)減振器TSD(torsional spring damper)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)，太陽輪S1(sun1)連接到電機(jī)E1，太陽輪S2(sun2)連接到電機(jī)E2?；旌蟿?dòng)力變速箱還擁有2個(gè)制動(dòng)器，分別是用于鎖止行星架的制動(dòng)器B1，以及用于鎖止太陽輪S1的制動(dòng)器B2。

根據(jù)行星齒輪等效杠桿原理，可得行星齒輪的四軸轉(zhuǎn)速關(guān)系[2]：

NS1=NHo·i1+NPC·(1-i1)

(1)

NS2=NHo·i2+NPC·(1-i2)

(2)

NS1=NE1

(3)

NS2=NE2

(4)

NPC=NENG

(5)

式中：i1，i2分別為前、后行星齒輪傳動(dòng)比；NHo，NPC，NS1，NS2分別為輸出軸Ho、行星架PC、太陽輪S1、太陽輪S2的轉(zhuǎn)速；NENG，NE1，NE2分別為發(fā)動(dòng)機(jī)ENG、電機(jī)E1、電機(jī)E2的轉(zhuǎn)速。

圖1 功率分流式混合動(dòng)力變速箱結(jié)構(gòu)

行星齒輪的四軸轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系為[2]：

TE1-JS1·aS1=TS1

(6)

TE2-JS2·aS2=TS2

(7)

TENG-JPC·aPC=TPC

(8)

TPC+TS1+TS2+THo=0

(9)

THo+TS1·i1+TS2·i2=0

(10)

式中：aS1，aS2，aPC分別為太陽輪S1、太陽輪S2、行星架PC的角加速度；JS1，JS2，JPC分別為太陽輪S1、太陽輪S2、行星架PC的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TS1，TS2，TPC和THo分別為作用在太陽輪S1、太陽輪S2、行星架PC以及輸出軸Ho上的轉(zhuǎn)矩；TENG，TE1，TE2分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)E1、電機(jī)E2的輸出轉(zhuǎn)矩。

2 基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷策略

基于行星齒輪的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，只要知道TENG，TE1，TE2，THo，aS1，aS2中的任意4個(gè)，便可根據(jù)式(6)～(10)計(jì)算得到另外2個(gè)值。因此構(gòu)建如式(11)的數(shù)學(xué)模型，使用TE1，TE2，aS1，aS2作為輸入，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估算值TENG_actl。其中，TE1，TE2由電機(jī)控制器(power control unit，PCU)計(jì)算，精度較高；aS1，aS2通過電機(jī)E1轉(zhuǎn)速、電機(jī)E2轉(zhuǎn)速取微分得到。

TENG_actl=(TE1-JS1·aS1)·(i1-1)+(TE2-JS2·aS2)·(i2-1)+[(aS1·i2-aS2·i1)/(i2-i1)]·JPC

(11)

將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估算值TENG_actl與理論值TENG相減得到二者之差eT。

eT=TENG-TENG_actl

(12)

根據(jù)eT與TENG的比例關(guān)系決策發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障等級(jí)，見表1。為防止因信號(hào)噪聲導(dǎo)致誤判，在同一故障持續(xù)存在4 s后設(shè)定故障等級(jí)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障等級(jí)決策

3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障時(shí)的容錯(cuò)控制

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障實(shí)施的分級(jí)容錯(cuò)控制見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障分級(jí)容錯(cuò)控制

圖2所示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障診斷及容錯(cuò)控制策略架構(gòu)包含3個(gè)模塊，分別是混合動(dòng)力帶故障運(yùn)行、混合動(dòng)力降功率運(yùn)行、純電動(dòng)跛行。

3.1 混合動(dòng)力帶故障運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生輕微轉(zhuǎn)矩故障時(shí)，采用混合動(dòng)力帶故障運(yùn)行的容錯(cuò)控制方案。此時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)通常工作在如圖3所示的功率分流混合動(dòng)力模式。

在混合動(dòng)力帶故障運(yùn)行模式，通過式(13)、(14)將輸出軸轉(zhuǎn)矩THo解耦為電機(jī)E1的轉(zhuǎn)矩TE1以及電機(jī)E2的轉(zhuǎn)矩TE2，并發(fā)給PCU。

TE1=[THo·(i2-1)+(TENG-JPC·aPC)·i2]/(i1-i2)+JS2·aPC·(1-i2)

(13)

TE2=[THo·(i1-1)+(TENG-JPC·aPC)·i1]/(i2-i1)+JS1·aPC·(1-i1)

(14)

式中：aPC根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差eN基于PI控制算法計(jì)算得到。

eN=NENG_req-NENG_actl

(15)

(16)

式中：NENG_actl為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速;NENG_req為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；KP，TI為PI控制器參數(shù)；t為時(shí)間。

使用TENG與aPC的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法可對(duì)aPC精確控制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率控制精度較高，因而可以獲得較好的平順性及較低的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。但這種控制方法對(duì)TENG的精度要求較高。

3.2 混合動(dòng)力降功率運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，采用混合動(dòng)力降功率運(yùn)行的容錯(cuò)控制方案。此時(shí)如果依舊使用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩理論值TENG計(jì)算TE1，TE2，則難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，舍棄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率的控制精度，如圖2的混合動(dòng)力降功率運(yùn)行模塊所示，不再使用TENG，aPC做轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障診斷及容錯(cuò)控制策略架構(gòu)

圖3 功率分流混合動(dòng)力模式杠桿圖

此時(shí)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制算法如式(17)、(18)。電機(jī)E1的主要功能是控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，因此以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差eN=0為控制目標(biāo)，以TE1為控制對(duì)象，基于PI控制算法計(jì)算TE1。

(17)

基于行星齒輪的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，根據(jù)式(10)推導(dǎo)出式(18)，由式(18)計(jì)算TE2。

TE2=-(THo+TE1·i2)/i2

(18)

3.3 純電動(dòng)跛行

發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩的原因通常是油路、氣路、火路發(fā)生了重大故障或者燃油已耗盡，此時(shí)不宜讓發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作并進(jìn)入純電動(dòng)跛行模式。由于電機(jī)E2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)能滿足跛行時(shí)的轉(zhuǎn)矩需求，且單電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒有電功率回環(huán)、經(jīng)濟(jì)性更佳，因此純電動(dòng)跛行采用電機(jī)E2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)的杠桿圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)E2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)跛行杠桿圖

電機(jī)E2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)模式下，發(fā)給EMS的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩需求及發(fā)給PCU的電機(jī)E1轉(zhuǎn)矩需求均為0。此時(shí)電機(jī)E2到輸出軸為固定速比傳動(dòng)，根據(jù)速比關(guān)系計(jì)算TE2：

TE2=-THo/i2

(19)

4 仿真驗(yàn)證

由于發(fā)動(dòng)機(jī)輕微故障時(shí)采用的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)正常時(shí)一致，因此本文僅針對(duì)轉(zhuǎn)矩不足、不出轉(zhuǎn)矩兩個(gè)等級(jí)的故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生時(shí)，需及早診斷出故障，因此選擇起步工況作為驗(yàn)證工況，期望在4 s內(nèi)檢測出故障并進(jìn)行處理。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)的容錯(cuò)控制驗(yàn)證

圖5～圖7為驗(yàn)證結(jié)果。圖5中，TENG為85 N·m，根據(jù)數(shù)學(xué)模型估算的TENG_actl為60 N·m，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足故障的診斷條件。圖5、圖6中，0～4 s故障已發(fā)生，但處于計(jì)時(shí)階段，未進(jìn)入容錯(cuò)控制，此時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)矩需求值THo為-150 N·m，輸出軸轉(zhuǎn)矩實(shí)際值THo_actl為-120 N·m；發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min。可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足故障發(fā)生后，無容錯(cuò)控制時(shí)既不能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，也不能充分響應(yīng)輸出軸轉(zhuǎn)矩需求。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足故障時(shí)的4軸轉(zhuǎn)矩

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足故障時(shí)的4軸轉(zhuǎn)速

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足故障時(shí)的故障等級(jí)信號(hào)

如圖7所示，在故障持續(xù)4 s后混合動(dòng)力控制系統(tǒng)將故障等級(jí)置為3級(jí)，并調(diào)用降功率運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩平衡模型。由圖5～圖6可知，從第4 s開始，THo_actl開始逼近需求值，1 s后達(dá)到了目標(biāo)；由圖6可知，從第4 s開始，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速開始逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)速，1 s后達(dá)到了目標(biāo)。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩時(shí)的容錯(cuò)控制驗(yàn)證

圖8～圖10為驗(yàn)證結(jié)果。圖8中，TENG為85 N·m，根據(jù)數(shù)學(xué)模型估算的TENG_actl為8 N·m，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩故障的診斷條件。圖8、圖9中，0～4 s故障已發(fā)生，但處于計(jì)時(shí)階段，未進(jìn)入容錯(cuò)控制，此時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)矩需求THo為-150 N·m，輸出軸轉(zhuǎn)矩實(shí)際值THo_actl為-100 N·m；發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速為1 200 r/min左右?？梢娫诎l(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生后，無容錯(cuò)控制時(shí)既不能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，也不能充分響應(yīng)輸出軸轉(zhuǎn)矩需求。

如圖10所示，在故障持續(xù)4 s后混合動(dòng)力控制系統(tǒng)將故障等級(jí)置為4級(jí)，并調(diào)用降功率運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩平衡模型。由圖從第4 s開始，THo_actl開始逼近THo，1 s后達(dá)到THo；由圖8可知，第4 s發(fā)動(dòng)機(jī)熄火?？梢姡腥蒎e(cuò)控制之后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)矩均能達(dá)到目標(biāo)值。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩故障時(shí)的4軸轉(zhuǎn)矩

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩故障時(shí)的4軸轉(zhuǎn)速

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)不出轉(zhuǎn)矩故障時(shí)的故障等級(jí)信號(hào)

5 結(jié)束語

本文針對(duì)功率分流式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障，提出了基于行星齒輪轉(zhuǎn)矩平衡數(shù)學(xué)模型的診斷方法，設(shè)計(jì)了分級(jí)容錯(cuò)控制策略并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的控制策略能夠在預(yù)期的時(shí)序診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障，并且經(jīng)過容錯(cuò)控制后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)矩均達(dá)到了目標(biāo)，判斷控制策略實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。本文的研究內(nèi)容可避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩故障發(fā)生時(shí)車輛驅(qū)動(dòng)能力惡化，有助于提升功率分流式混合動(dòng)力汽車的安全性及可靠性。