P2混合动力发动机启动控制设计

莫崇相 修彩靖 梁万武

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州，511434

0 引言

混合动力车辆在实际应用中越来越普及，目前混合动力主流分别是以丰田双擎混动系统(Toyota hybrid system，THS)为代表的双电机功率耦合和以大众P2构型为代表的单电机扭矩耦合。THS构型[1]的功率耦合特点使THS在动力耦合[2]方式以及发动机经济转速的灵活性调节方面具有很好的优势，但相对于P2双离合器自动变速器(double clutch transmission,DCT)混合动力构型，THS构型在成本[3]和动力响应方面显得弱势。此外，双离合器自动变速器在国内企业具有良好的研发和生产基础，结合以双离合器自动变速器为基础的P2混合动力在成本、动力响应以及企业生产基础的优势等综合考虑，采用P2双离合器自动变速器构型的混合动力在国内企业具有良好的现实意义。发动机的启动控制技术是混合动力动态控制的关键技术之一，也是控制研究的热门领域。本文对P2双离合器自动变速器构型的混合动力发动机启动[4-6]控制进行了设计研究，并验证了发动机启动控制的鲁棒性和平顺性可为混合动力的性能提供有力的保障。

1 P2混合动力车辆模型

为更好地研究启动过程动力传递控制算法，假设P2混合动力车辆的动力传递模型为刚性模型[6]，同时又考虑到车辆动力系统相关弹性变化，本文将车辆传动效率因子η引入刚性模型计算中。该车辆刚性动力模型如图1所示，图中相关模型参数如下：Je为发动机转动惯量；ωe为发动机转动角速度；Te为发动机飞轮端扭矩；Jk为K0离合器转动惯量；ωk为K0离合器转动角速度；Tk为K0离合器扭矩；Tr为K0离合器处等效残余扭矩；Jm为电机转动惯量；ωm为电机转动角速度；Tm为电机实际输出扭矩；Jc为双离合器转动惯量；Jp为车轮至双离合器端等效到输入轴上的转动惯量；ωp为输入轴转动角速度；ωw为车轮转动角速度；Tt为传递到车辆端扭矩；τ为总传动比。

图1 P2动力总成车辆刚性模型Fig.1 Vehicle rigid model of P2 powertrain

在上述模型中，发动机的扭矩包括两部分意义：驱动时表示净输出驱动力，启动开始时表示发动机启动阻力矩[7]。发动机的扭矩和电机的扭矩经由K0离合器[4]进行耦合，然后由双离合器传递到变速器再传递到车轮端从而驱动车轮行驶。在发动机启动过程中，除了耦合驱动力与双离合器之间的传递外，还存在发动机和电机经由K0离合器的动力耦合，因此在计算动态过程启动控制时假设双离合器是闭合的或完全打开的状态(没有换挡或没有滑摩损失)。基于此，依据最复杂的发动机启动过程对该模型进行分析。

K0离合器接合 (稳态驱动) 时

(1)

K0离合器滑摩 (启动) 时

(2)

(3)

2 启动过程设计及控制计算

2.1 发动机启动控制设计

根据P2混合动力构型的特点，发动机启动过程包括3种车辆工况，分别为静置工况发动机启动、起步工况发动机启动、行车工况发动机启动。上述3种工况的发动机启动控制设计分别如图2～图4所示，其中，S、M、E、K分别表示控制转速曲线、电机扭矩曲线、发动机扭矩曲线、K0离合器扭矩曲线，字母后的数字表示曲线上各点的位置。从启动的特点来看，3种工况的发动机启动过程均包括电机拖动提速控制、发动机点火控制、扭矩耦合控制这3个共同的控制阶段。此外，在静置工况发动机启动时，双离合器处于打开状态，没有车辆惯量的介入，为更好地调节启动时的转速变化，在该工况下需要增加转速耦合控制以及耦合至怠速充电控制这两个部分。

图2 静置工况发动机启动过程控制Fig.2 Engine start control in stand operation

图3 起步工况发动机启动过程控制Fig.3 Engine start control in pick up operation

在起步及行车工况发动机启动过程中，其相应阶段的扭矩点标识基本与静置工况发动机启动过程的扭矩点标识保持一致，其控制过程中的计算也与静置工况基本类同，因此本文的动力计算分析只围绕静置工况的启动过程来展开。

图3和图4所示均为车辆非静置工况下的发动机启动工况，其电机拖动提速、发动机点火以及扭矩耦合这3个阶段的控制计算公式可参照静置工况发动机启动过程中相应的控制目标。本文以静态工况下的发动机启动控制为例进行说明。静置工况启动过程可划分为5个阶段，下面将对各阶段控制节点进行动力计算分析并给出相应的控制需求说明。

(1)电机拖动提速阶段。这一阶段包括电机快速启动(A阶段)、电机峰值扭矩(B阶段)、电机转速提升(C阶段)。

图4 行车工况发动机启动过程控制Fig.4 Engine start control in driving operation

(2)发动机点火阶段。这一阶段包括拖动发动机(D阶段)、发动机点火喷油(E阶段)、发动机转速提升(F阶段)。

(3)转速耦合阶段。这一阶段包括发动机停止喷油(G阶段)、电机快速降扭(H阶段)、电机扭矩过零控制(I阶段)、电机调速(J阶段)、发动机恢复喷油(K阶段)。

(4)扭矩耦合阶段。此过程主要是将前面由电机主导的耦合控制转变为由发动机主导的耦合控制(L阶段)。

(5)耦合至怠速充电阶段。该阶段是将发动机和电机已经耦合的扭矩提高至充电目标的耦合扭矩(M阶段)。若怠速充电目标转速发生变化时，则需先对转速进行耦合至目标转速，如图2中右上方在此阶段的3条同转速虚线(从上到下)分别代表电机、K0离合器和发动机的转速在高怠速转速工况下充电可能的情形。

此外，为进行相关扭矩计算及控制过程时间的估算，需要引入K0离合器、发动机、电机扭矩及转速响应能力的基本边界参数，这也是后面分析启动过程动力学目标计算的基础和边界，具体定义如下：Im,Mx为电机扭矩响应能力；Ik，Mx为K0离合器扭矩响应能力；Ie,Mx为发动机扭矩响应能力；Im,Mx，0为电机过零扭矩响应能力；Im，Jk为电机转速响应能力；Ie,Jk为发动机转速响应能力；Ik,Jk为K0离合器转速响应能力。

2.2 电机拖动提速控制

图2中的电机拖动提速控制阶段又可分为A、B、C 3个控制子阶段，下面将分别从这3个阶段进行介绍。

(1)A阶段：电机快速启动。M1处扭矩为电机初始扭矩，可通过标定选择一个比较固定的初始值，通常电机初始扭矩取20 N·m，以便于整个过程控制。M2处扭矩为电机拖动峰值扭矩，该值受到发动机启动阻力的大小、启动环境工况、离合器扭矩从K1至K2的最短响应时间以及发动机转速从S3上升到S6的最短响应时间等因素影响。电机在S1处的转速和A阶段的控制时间分别由下式求得：

(4)

(5)

(2)B阶段：电机峰值扭矩。M2′处扭矩值与M2处扭矩值可保持一致,该过程受到电机启动峰值扭矩响应稳定控制性能以及该阶段控制时间的影响。该阶段的控制时间tB通过标定进行确定。考虑到K0离合器存在拖拽，则S2处电机转速可由下式求得：

(6)

(3)C阶段：电机转速提升。M3处扭矩是保证K0离合器能够稳定拖动发动机转速达到喷油转速S6(S6处发动机转速值与S5处电机转速值相同)所需的扭矩，其表达式如下：

(7)

C阶段的控制时间可由下式确定：

(8)

2.3 发动机点火控制

当电机的拖动扭矩和转速达到相应的控制要求后，K0离合器开始快速接合以拖动发动机转速快速上升至喷油转速(即S6处转速),此后发动机开始喷油并输出扭矩，然后与K0离合器扭矩进行耦合，该耦合扭矩用来进一步推高发动机转速至怠速转速。此阶段可具体分为如下3个子阶段进行计算分析。

(9)

D阶段的控制时间可由下式求得：

(10)

(2)E阶段：发动机点火喷油。E2处扭矩为发动机空怠速稳定扭矩，一般根据实际各工况进行标定。

(3)F阶段：发动机转速提升。在此过程中发动机转速继续提高，取S6至S7转速差的0.5倍(具体可标)，将提升该转速值所需的扭矩作为控制目标，并考虑电机扭矩降低带来的影响，则可以计算出此时发动机需要达到的目标扭矩：

(11)

F阶段的控制时间可由下式确定：

(12)

2.4 转速耦合控制

传统车辆的发动机启动喷油后，发动机的转速调节一般通过发动机自身去控制调节。而P2混合动力因为电机的存在，可为发动机启动时的转速调节提供另一条有效的途径，即通过电机的扭矩对发动机转速进行调节，由于电机具有控制精度高和响应快等特点，故可以较为精确地控制整个动力链耦合的转速波动。此阶段可具体分为如下5个子阶段进行计算分析。

(1)G阶段：发动机停止喷油。在静置启动工况，此时的发动机停止喷油，这代表净输出扭矩为0(即图2中E5处发动机扭矩为0)。而在起步工况和行车工况则不存在通过发动机断油(停止喷油)来快速降低扭矩的需求，而是直接由E2处扭矩切换到E6处扭矩。M4处电机扭矩根据实际情况进行标定，一般情况取K2处K0离合器扭矩与E4处发动机扭矩之间的扭矩值以使得转速不至于回落过快。G阶段的控制时间需要同时考虑到发动机断油控制所需的最短时间te,min以及发动机扭矩响应能力，其表达式如下：

(13)

(2)H阶段：电机快速降扭。在此过程中，电机扭矩快速下降至电机过零控制前的M5处扭矩，具体数值视过零控制扭矩需求来标定，一般情况下标定为2 N·m。H阶段控制的最短时间由电机扭矩响应能力决定，其表达式如下：

(14)

(3)I阶段：电机扭矩过零控制。电机扭矩过零控制过程即为电机正负扭矩切换过渡过程，该过程需要考虑传动齿轮间隙和响应冲击等具体参数来进行标定优化，M6处扭矩为过零控制结束时的负扭矩，一般情况下标定为-7 N·m。I阶段的最短控制时间可由下式求得：

(15)

(4)J阶段：电机调速。M7处扭矩的作用是快速将发动机与电机的转速拖拽下来，它与M6处扭矩的变化差值可取S7转速值下降到S8转速值所需负扭矩的1倍。在该控制过程中,M7、M8处电机扭矩可分别按下式进行估算：

(16)

(17)

式中，Δt为扭矩变化控制动态响应的时间差。

J阶段的最短控制时间可由下式得到：

(18)

(5)K阶段：发动机恢复喷油。在此过程中，发动机开始恢复喷油并使扭矩恢复到怠速转速所需的扭矩，该扭矩也可为下一阶段的扭矩耦合做准备。将S8处转速标定为在达到空怠速稳定转速前的提速起始转速，该值可标定为与S9处转速存在100 r/min左右的转速差以便扭矩能够完全耦合。E7处发动机扭矩为E2处扭矩减去用于扭矩耦合提升的偏移量。K4处K0离合器扭矩为E7处发动机扭矩与离合器传递拖拽扭矩值之和。M9处电机扭矩为E7处发动机扭矩与考虑S8处转速波动所需的附加负扭矩之间的偏差扭矩，其表达式如下：

(19)

2.5 扭矩耦合控制

在起步工况及行车工况发动机启动控制过程中，由于此时电机和发动机的扭矩均为正值且车辆处于移动过程，因此可以进行直接的扭矩耦合叠加且不会造成动力链的振荡。而在静置工况发动机启动过程中，与发动机扭矩耦合的电机扭矩为负扭矩，两者在耦合至怠速充电时会产生因效率估算不准而造成扭矩链的振荡，因此先需将扭矩耦合至非充电状态，这样可以较好地完成扭矩耦合而不至于出现转速大幅波动的情形。

M10处电机扭矩与M6处电机扭矩相同，这样设计的好处是可以有效避免再次进行过零控制。E8处发动机的耦合扭矩和此阶段的控制时间分别由下式求得：

(20)

(21)

2.6 耦合至怠速充电控制

当发动机启动完成并与电机形成扭矩有效耦合后，在绝大多数怠速工况下都是发动机在给电池充电，因此相较于其他两种工况，静置工况发动机启动完成后会存在一个耦合至怠速充电控制的阶段，且这一阶段必须和发动机启动过程放在一起进行控制讨论。下面给出了此阶段相应的控制目标要求。

M11处扭矩为稳定怠速充电时的电机扭矩，该扭矩是在考虑充电功率、充电转速以及充电效率等相应控制的综合计算中得出来的目标值。对应此阶段的发动机扭矩(即E9处发动机扭矩)及最短控制时间可分别由下式求得：

(22)

(23)

3 仿真分析

本文以静置工况发动机启动为例来进行基于控制设计的仿真分析。根据上述设计的控制策略及其控制计算公式，设置表1中仿真基础定义参数作为模型控制仿真计算的输入并进行仿真分析。

表1 仿真参数

考虑到简化仿真过程的需要，定义发动机摩擦扭矩Tef和K0离合器残余扭矩Tr为常值。根据上述控制计算公式可以计算出相应的扭矩和转速，然后根据这些计算值估算出整个控制过程细分阶段的控制时间值并与仿真结果进行对比，具体计算结果如表2所示。

表2 控制时间计算结果

(a)转速

(b)扭矩

(c)启动控制阶段图5 静置工况发动机启动仿真结果Fig.5 Engine start simulation in stand operation

通过上述的参数值可以仿真出发动机启动过程中电机、K0离合器以及发动机的转速、扭矩的过程数据，如图5所示。其中，阶段1～阶段6依次为启动完成控制、电机拖动提速控制、发动机点火控制、转速耦合控制、扭矩耦合控制、耦合至怠速充电控制。由图5可知，通过仿真得到的控制时间与估算出的控制时间近似相等，这证明了该启动控制设计的动力计算方法能够很好地实现发动机的启动控制。

4 实车验证

将上述启动控制设计策略应用到某P2项目车辆的实际控制过程中。车辆通过联合测试和标定，分别采集3种不同工况下发动机启动过程的CAN信号数据，具体测试参数见表3，其中双离合状态包括：关闭(close)、滑动(slip)、静置(stand)。

表3 测试参数

该启动过程在变速箱控制单元(transmission control unit，TCU)控制双离合器的配合下，全程由整车功能控制主动向发动机管理系统(engine management system，EMS)、电机控制单元(motor control unit,MCU)发出控制目标需求，该控制策略可较为精确地实现发动机的启动控制。

图6～图8所示为不同工况下的发动机启动实测数据，图中竖线①、②处的具体数值参见右边表格中Cursor1和Cursor2列所对应的数值，图中数字1、2、…、12对应右边表格中相应行的参数信号曲线，图中左侧坐标轴代表不同信号类的坐标值范围(如转速、扭矩等)。由图6～图8中3种工况的发动机启动实测数据可知，该控制策略成功地实现了发动机动力源的有效切入。此外，由实测车辆纵向加速度和曲线波形可知，该控制策略可保证车辆很好的平顺性。

图6 静置工况发动机启动实测数据Fig.6 Engine start test data in stand operation

图7 起步工况发动机启动实测数据Fig.7 Engine start test data in pick up operation

图8 行车工况发动机启动实测数据Fig.8 Engine start test data in driving operation

5 结语

本文从P2混合动力结构的刚性车辆动力模型出发，结合发动机实际启动的需求设计了启动过程控制策略，给出了相应过程控制动力计算公式并进行了仿真分析。然后结合实际项目的开发情况，将P2混合动力发动机启动策略应用到具体的整车项目上，通过对启动过程控制理论的探讨、控制计算、实例仿真以及实车测试可知，该控制策略有效地实现了发动机在各工况下的启动功能，同时由实车测试车辆纵向加速度曲线的变化可知，所提控制策略保证了车辆非常优异的平顺性性能。目前该控制策略已成功应用于新车辆且已得到了良好的评价。