張 弛，汪少華，儲(chǔ) 堃，徐 興，施德華

（江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013）

HEV作為新能源汽車的一種，是現(xiàn)今汽車領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。由于同時(shí)具有發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)兩種動(dòng)力源，HEV能夠?qū)崿F(xiàn)工作模式的切換，從而使車輛工作在相對高效節(jié)能的區(qū)間內(nèi)。然而，受到發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)響應(yīng)差異甚至離合器的非連續(xù)特性影響，不同工作模式的切換常導(dǎo)致動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)矩的不平穩(wěn)，引起模式切換過程車輛的縱向沖擊，使整車的舒適性和穩(wěn)定性下降。

國內(nèi)最早由清華大學(xué)的童毅博士[1]針對HEV工作模式瞬態(tài)切換的過程提出了“動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問題”的概念，并采用了“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法實(shí)現(xiàn)了切換過程多動(dòng)力源的協(xié)調(diào)。同濟(jì)大學(xué)的趙治國等[2]將汽車動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)歸為混雜系統(tǒng)，采用無擾動(dòng)動(dòng)力切換控制策略提高了整車駕駛性能。張娜等[3]針對重度混合動(dòng)力轎車的模式切換過程，提出采用電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率，以實(shí)現(xiàn)模式切換的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制。嚴(yán)運(yùn)兵等[4]提出了“發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”的動(dòng)力切換控制策略，此策略的核心在于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確估計(jì)，因此采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在線估計(jì)算法。豐田在混合動(dòng)力汽車方面的研究走在了世界前列[5]。在解決模式切換協(xié)調(diào)控制的問題上，豐田利用其特定的動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)，保證了模式切換時(shí)的穩(wěn)定性。KIMURA等[6]和BECK等[7]針對HEV行進(jìn)間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的過程提出了“離合器恒壓+電機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制”的控制策略。SU Yanzhao等[8]針對單軸并聯(lián)式HEV離合器提出了基于模型預(yù)測的控制策略以實(shí)現(xiàn)模式切換的平穩(wěn)性。劉洋等[9]針對傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和振動(dòng)問題，提出了一種包含發(fā)動(dòng)機(jī)及基于驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩估計(jì)的主動(dòng)阻尼反饋補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略以提升動(dòng)力傳輸?shù)钠巾樞浴?/p>

上述方法或針對單軸并聯(lián)式的單電機(jī)HEV，或針對特定的行星排式雙電機(jī)HEV而提出相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略。本文研究的是一種新型動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)HEV，針對該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為揭示電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)差異及離合器非連續(xù)性引起的模式切換沖擊，重點(diǎn)研究了由單電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)切換至純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的過程，根據(jù)離合器的工作狀態(tài)將模式切換過程具體劃分為5個(gè)階段，并提出了基于模糊控制算法的優(yōu)化策略。

1 新型耦合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型雙電機(jī)行星耦合混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由行星排實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)1的動(dòng)力耦合。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)通過制動(dòng)器B1與太陽輪相連，電機(jī)1與單行星排的齒圈相連，齒圈與行星架之間設(shè)有離合器C1，電機(jī)2與變速器的輸入軸相連，并通過離合器C2與行星排的行星架相連，行星架又通過離合器C3與變速器齒輪相連。

圖1 新型耦合驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過控制離合器、制動(dòng)器的接合與分離以及同步器位置的切換實(shí)現(xiàn)不同的擋位，同時(shí)通過控制電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力系統(tǒng)的多種工作模式，表1所示為幾種典型的驅(qū)動(dòng)模式下各動(dòng)力源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。為了研究該新型結(jié)構(gòu)中由電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)差異及離合器非連續(xù)性引起的模式切換沖擊作用，選取電機(jī)2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)模式以及發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式為研究對象，在這兩個(gè)模式的切換過程中，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為變化最為明顯。在此模式切換過程中，變速器一直處于3擋狀態(tài)，并未涉及擋位切換。

表1 幾種典型驅(qū)動(dòng)模式下各部件的工作狀態(tài)

2 整車及主要部件建模

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

在基于能量管理策略獲取發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，采用一階傳遞函數(shù)描述發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩為：

式中：Te_act為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩；Te_std為發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩或目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；τe為一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

2.2 電機(jī)模型

電機(jī)1和電機(jī)2既能驅(qū)動(dòng)車輛行駛，又可對多余的能量進(jìn)行回收，均采用永磁同步電機(jī)，可采用相同的建模方法。本文采用一階系統(tǒng)響應(yīng)模擬電機(jī)對目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，電機(jī)1和電機(jī)2的瞬態(tài)響應(yīng)特性如式（2）和式（3）所示：

式中：Tgc為電機(jī)1的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，Nm ；Tmc為電機(jī)2的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，Nm ；Tgc_req為電機(jī)1的需求轉(zhuǎn)矩，Nm ；Tmc_req為電機(jī)2的需求轉(zhuǎn)矩，Nm；Tgc_max為電機(jī)1最大輸出轉(zhuǎn)矩，Nm ；Tmc_max為電機(jī)2最大輸出轉(zhuǎn)矩，Nm ；Tgc_min為電機(jī)1最小輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；Tmc_min為電機(jī)2最小輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；τm為一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

2.3 離合器模型

離合器是系統(tǒng)模式切換的關(guān)鍵部件，通過接合離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了整車從純電動(dòng)模式到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的切換。離合器的接合過程可分為3個(gè)階段：分離、滑磨和鎖止。其接合過程如圖2所示。圖中Δω為離合器兩端的轉(zhuǎn)速差，P為油泵油壓，Tcl為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，t1為離合器開始工作時(shí)間，t2為離合器開始接合時(shí)間，t3為離合器完全接合時(shí)間。

圖2 離合器工作過程

階段1：完全分離階段。此時(shí)離合器兩端分離，為了實(shí)現(xiàn)離合器接合，需要增大油壓P，使油壓上升到離合器初始接合壓力。此階段的離合器主、從動(dòng)盤片不接觸，傳遞轉(zhuǎn)矩Tcl=0。

階段2：滑動(dòng)摩擦階段。此階段的離合器主、從動(dòng)片開始接觸，離合器油壓逐漸增大至主、從動(dòng)片兩端完全接合，此過程中離合器傳遞轉(zhuǎn)矩Tcl與油泵油壓P的關(guān)系為：

式中：μ為離合器盤的動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)；z為離合器的摩擦面數(shù)；P1為回位彈簧壓力，N；Rm為離合器片的等效摩擦半徑，m；R0、R1分別為摩擦片的外徑和內(nèi)徑，m；A為離合器活塞作用面積，m2。

階段3：離合器鎖止階段。離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩由系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程決定。

2.4 整車縱向動(dòng)力學(xué)模型

車輛在道路上行駛，必須克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力，因此，車輛的行駛阻力TL為：

式中：m為整車總質(zhì)量，kg；f為滾阻系數(shù)；θ為路面坡度；g為重力加速度，m/s2；A為車輛迎風(fēng)面積，m2；CD為空氣阻力系數(shù)；ua為縱向車速，km/h；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；Rwh為車輛輪胎滾動(dòng)半徑，m。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

針對HEV由純電機(jī)（電機(jī)2）驅(qū)動(dòng)切換至由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)作為動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的瞬態(tài)工作過程，其模式切換過程如圖3所示。切換過程分為5個(gè)階段：純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)階段、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段、離合器接合階段、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償階段和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)階段。

圖3 模式切換控制流程圖

3.1 各階段的動(dòng)力學(xué)方程

3.1.1 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)階段

在此階段的NVH一般處于剛起步或者低速運(yùn)行狀態(tài)，整車所需轉(zhuǎn)矩較低，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有啟動(dòng)，整車所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩全由驅(qū)動(dòng)電機(jī)2提供，離合器處于分離狀態(tài)。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程描述為：

式中：Tmc為電機(jī)2的轉(zhuǎn)矩，Nm ；Tout為動(dòng)力總成阻力矩，Nm；Imc和Iout分別為電機(jī)2和整車等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；i2和ig分別為電機(jī)2減速比和變速器傳動(dòng)比；mc˙ω和 out˙ω分別為電機(jī)2和變速器輸出端的角加速度，rad/s2。

3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段

當(dāng)電池SOC較低或電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)由啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)開始啟動(dòng)，整車轉(zhuǎn)入發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段。此時(shí)整車所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩依然全部由驅(qū)動(dòng)電機(jī)2提供，起動(dòng)電機(jī)1提供啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩。離合器狀態(tài)依舊處于分離狀態(tài)。

動(dòng)力學(xué)方程描述為：

式中：Tgc為電機(jī)1的轉(zhuǎn)矩；Igc為電機(jī)1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；˙ωgc、˙ωR和˙ωS分別為電機(jī)1、單行星排齒圈和太陽輪的角加速度；IR和IS分別為齒圈和太陽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3.1.3 離合器接合階段

此階段離合器開始接合，動(dòng)力輸出逐漸由電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)。此時(shí)，電機(jī)2不僅提供驅(qū)動(dòng)汽車所需轉(zhuǎn)矩，而且還要平衡離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩。電機(jī)1在此階段不再工作。此時(shí)，離合器處于滑磨狀態(tài)。

該階段系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：Tcl為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩；Teng為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Ieng為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；˙ωeng和˙ωC分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和單行星排行星架的角加速度；IC為行星架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3.1.4 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償階段

此階段電機(jī)2對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)2共同工作。離合器處于接合狀態(tài)。動(dòng)力學(xué)方程描述為：

3.1.5 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)階段

該階段由發(fā)動(dòng)機(jī)提供全部動(dòng)力，電機(jī)2不工作。此時(shí)，離合器處于接合狀態(tài)。動(dòng)力學(xué)方程描述為：

3.2 離合器模糊控制策略

在模式切換的過程中需要在很短的時(shí)間內(nèi)接合離合器，為了保證此過程不會(huì)對車輛正常行駛造成過大沖擊，需對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和離合器轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。如果離合器接合過快，會(huì)導(dǎo)致整車產(chǎn)生較大的沖擊度；如果延長接合時(shí)間，切換沖擊會(huì)得到很好的抑制，但是較長的接合時(shí)間又會(huì)使離合器產(chǎn)生較大的滑磨功，從而影響離合器的使用壽命。

離合器滑磨過程中的傳遞轉(zhuǎn)矩如式（4）所示，離合器接合壓力決定其傳遞轉(zhuǎn)矩大小，因此，對離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的控制可以轉(zhuǎn)化為對其油壓的控制，本文采用模糊控制器對離合器接合過程的油壓進(jìn)行控制。以加速踏板行程變化率˙α和離合器接主、從動(dòng)片的轉(zhuǎn)速差為輸入量，離合器控制壓力變化率˙P為輸出量。加速踏板行程變化率˙α的論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7}，所對應(yīng)的的模糊子集為，分別表示為很小、小、中、大。離合器接主、從動(dòng)片的轉(zhuǎn)速差的論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7}，所對應(yīng)的的模糊子集為，分別表示為很小、小、中、大、很大。離合器控制壓力變化率的論域?yàn)閧,,,,,,,}01234567，所對應(yīng)的模糊子集為，分別表示為很小、小、中等、大、很大。離合器的接合壓力為：

模糊控制規(guī)則見如表2。

表2 模糊控制規(guī)則表

4 仿真結(jié)果及分析

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，對提出的模式切換協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行仿真分析。車輛結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表3。

表3 車輛結(jié)構(gòu)主要參

將一般情況下的模式切換結(jié)果與本文所提動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行對比。一般情況下的模式切換過程，是指當(dāng)控制單元接收到從純電動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式的指令時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在其到達(dá)怠速狀態(tài)時(shí)接合離合器并關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此模式切換過程只有3個(gè)階段，即啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、接合離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作電機(jī)退出。

整車沖擊度如圖4所示。由圖可知，在控制器發(fā)出切換指令后的1.1 s時(shí)，整車開始由純電動(dòng)狀態(tài)瞬間切換到發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作狀態(tài)，一般情況下，由于離合器的突然接合會(huì)給整車造成很明顯的沖擊，最大可達(dá)到26.4 m/s3。在離合器接合后電機(jī)2立刻退出，發(fā)動(dòng)機(jī)介入工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不能滿足整車的需求轉(zhuǎn)矩，因此又會(huì)產(chǎn)生一次較大的沖擊。采用協(xié)調(diào)控制策略，系統(tǒng)模式切換過程先通過電機(jī)1帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后且離合器兩端轉(zhuǎn)速差縮小后電機(jī)1退出工作，電機(jī)2采取緩慢退出工作的方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)之前，補(bǔ)充了發(fā)動(dòng)機(jī)在此過程中的不足轉(zhuǎn)矩，因此，在切換過程中沖擊度大幅減小，最大沖擊度只有7 m/s3左右，與一般情況相比沖擊度減小了73.5%。由于采用模糊控制器控制離合器的接合，使其接合時(shí)間控制在盡可能短的合理范圍內(nèi)，所以產(chǎn)生的滑磨功也控制在合理范圍內(nèi)。

圖4 沖擊度

圖5為動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩。一般情況下電機(jī)2沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后便直接退出了工作，如圖5a所示。當(dāng)采用轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，電機(jī)2延緩了退出時(shí)間，并且彌補(bǔ)了在模式切換過程中整車需求轉(zhuǎn)矩的不足，從而降低了整車的沖擊度，如圖5b所示。

圖5 動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩

圖6給出了HEV由純電動(dòng)狀態(tài)切換至純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中所經(jīng)歷的具體模式。整個(gè)切換過程共經(jīng)歷了5個(gè)階段，圖中模式1-5分別代表純電動(dòng)狀態(tài)、電機(jī)1啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程、離合器開始接合、離合器完全接合以及發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作、電機(jī)2退出這5個(gè)階段。

圖6 切換模式圖

離合器狀態(tài)切換過程產(chǎn)生的滑磨功如圖7所示。如果此過程產(chǎn)生較大的滑磨功，則會(huì)導(dǎo)致離合器摩擦片溫度過高而失效。而圖7所示為采用本文的協(xié)調(diào)控制方法得到的滑磨功，此數(shù)值小于文獻(xiàn)[15]所述的基準(zhǔn)滑磨功4.2 kJ，能夠保證離合器的使用壽命和摩擦片的使用效果。

圖7 滑磨功

5 結(jié)論

（1）基于一種采用新型動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車，針對其從純電動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式的切換過程，以離合器的工作狀態(tài)將系統(tǒng)模式切換具體劃分為純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段、離合器接合階段、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償階段、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式5個(gè)階段。

（2）對模式切換的不同階段進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，并針對離合器的接合過程提出了基于模糊控制算法的優(yōu)化控制策略。相較于無協(xié)調(diào)切換，采用本文協(xié)調(diào)控制策略的HEV模式切換過程使整車縱向沖擊度減小了73.5%，有效改善了整車平順性，驗(yàn)證了控制策略的有效性。