混合動力汽車起動發動機過程變速箱控制研究

桂鵬程，尹良杰，戴冬華,辛航

(安徽江淮汽車集團股份有限公司變速箱研究院，安徽合肥 230601)

0 引言

隨著汽車油耗要求越來越嚴，越來越多的汽車制造企業開始研發混合動力汽車。與輕度混合動力汽車不能實現純電行駛不同，重度混合動力汽車具有純電驅動模式，低速情況下車輛由純電機驅動行駛，中高速由發動機驅動行駛，急加速由發動機和電機聯合驅動行駛，因此不但可以減少發動機在低速和低負荷非經濟區域工作，提高車輛燃油經濟性，而且通過電機助力可以提升整車動力性。

目前市場上已量產的重度混合動力汽車主要分為兩種：一種是以日系豐田為代表的Prius混合動力系統，如普銳斯、卡羅拉雙擎等；另一種是以歐洲大眾為代表的P2方案混合動力系統，如Jetta混動、索納塔混動等。在中國，P0/P1/P2/P3/P4等技術方案均有廠家涉及，其中P2方案技術發展較為成熟,如比亞迪的秦Pro、長安的逸動新能源等。

對于混合動力汽車，尤其是P2方案的混合動力汽車，行駛過程中電機起動發動機的平順性直接影響顧客的使用體驗，因此也成為混合動力汽車控制的核心。

本文作者所研究的基于P2方案的單電機重度混合動力系統簡圖如圖1所示。該系統主要由發動機、C0離合器、電機、雙離合自動變速箱組成。其主要的工作模式包括：純電驅動模式下，C0離合器打開，發動機不工作，扭矩通過雙離合自動變速箱傳遞給車輪；發動機驅動模式下，C0離合器閉合，發動機工作，電機不工作，發動機扭矩通過雙離合自動變速箱傳遞給車輪；混合驅動模式下，電機和發動機工作，C0離合器閉合，電機和發動機扭矩通過雙離合自動變速箱傳遞給車輪。純電驅動模式切換到發動機驅動模式由電機起動發動機實現，本文作者將通過分析此過程中發動機、電機、變速箱的控制關系，提出變速箱的控制邏輯，最后通過試驗進行確認。

圖1 基于P2方案單電機重度混合動力系統

1 電機起動發動機過程分析

針對混合動力車輛起動發動機過程中電機和發動機的控制有大量研究，文獻[1-2]中研究了混合動力汽車發動機和電動機工作模式切換過程中，對發動機、電動機、電池的控制；文獻[3]中介紹了起動發動機過程中，對發動機的控制；文獻[4]中針對插電式混合動力車輛發動機起?？刂频倪M入條件進行了研究，提出電池荷電狀態(SOC)可以作為發動機起停的判斷條件。文獻[5]中通過對發動機起動過程中阻力特性的建模和仿真，提出電機的控制策略。以上文獻較少提到此過程中對變速箱離合器的詳細控制。但通過圖1可知，此過程不光涉及到發動機、電機、電池等而且還需要對變速箱進行精確的控制，以確保行駛過程中發動機和電機的扭矩能夠平順地輸出到車輪。

正常駕駛過程中，變速箱離合器的控制扭矩參考動力源凈扭矩，也就是傳遞到變速箱雙離合器主動盤上的扭矩。但是混合動力汽車在起動發動機過程中，電機需要提升扭矩以起動發動機，此時凈扭矩較大，如果按照正常駕駛過程控制變速箱，將導致電機無過多的扭矩起動發動機，而且車輛會急加速有沖擊，此時變速箱控制器需要變換參考源為當前油門踏板對應的駕駛員期望扭矩，以確保電機增加的扭矩僅用于起動發動機，同時傳遞到車輪端的扭矩與駕駛員期望保持一致。

為此，本文作者針對此過程，增加變速箱的控制分析如下，分為3個階段：

(1)起動靜止階段。此階段變速箱接收到整車控制器起動發動機指令后，控制變速箱離合器扭矩，使雙離合器處于滑摩狀態，然后電機提升轉速，增加扭矩，確保傳遞到車輪的扭矩沒有突增。

(2)起動加速階段。即電機的輸出轉矩超過發動機的靜摩擦阻力矩，C0離合器滑摩，電機驅動發動機旋轉并快速上升到設定的轉速，然后發動機點火。

(3)起動終止階段。C0離合器完全結合，電機和發動機轉速同步，發動機和電機扭矩完成交替，電機退出工作，變速箱離合器鎖止。詳細過程如圖2所示。

圖2 電機起動發動機過程時序

2 起動發動機過程中變速箱離合器的控制策略

通過對電機起動發動機過程的詳細分析，針對變速箱的控制，主要分兩階段：第一階段為準備階段，通過對變速箱的控制，使電機扭矩上升不會對整車駕駛產生沖擊；第二階段為電機起動發動機實施及恢復階段，通過電機升扭、C0離合器結合、發動機點火和變速箱的協調控制實現，保證起動發動機過程與正常駕駛過程的平順銜接。

第一階段，電機起動發動機前，通過控制雙離合器壓力，使離合器主、從動盤的轉速差達到某一個值ω1，而且對應的離合器扭矩不高于此時的駕駛員期望扭矩，以便電機提轉速，為精確控制，離合器扭矩采用PI控制器進行控制，如圖3所示；第二階段參考駕駛員期望扭矩，在確保離合器主、從動盤的轉速差不低于ω1前提下，按一定的差值，對雙離合器的扭矩進行控制，在傳遞駕駛員需求扭矩的同時，滿足電機升扭并起動發動機的需要；在電機和發動機轉速同步后，離合器扭矩將以跟隨駕駛員期望扭矩上升到凈扭矩。

圖3 準備階段變速箱離合器扭矩控制

3 實車試驗

此策略用在江淮某款車輛上，如圖4所示。

圖4 電機起動發動機過程測試數據

由圖4可知：駕駛員踩下油門后，觸發電機起動發動機命令，第一階段174.6～174.8 s，變速箱加載扭矩下降并低于駕駛員期望扭矩，電機扭矩上升，由于變速箱的控制，車速在整個過程未有明顯加速，由于變速箱轉速差的控制，電機上升的轉速并未傳遞給車輪；第二階段174.8～175.2 s，通過變速箱的控制，確保電機有足夠的扭矩成功地起動發動機，且傳遞了相應的扭矩， 整個過程車速變化平穩，無明顯抖動。

試驗結果表明：文中的行駛過程中起動發動機的變速箱控制策略是正確、有效的。

4 結論

混合動力汽車行駛過程中電機起動發動機的控制是一個系統復雜的問題，需綜合考慮發動機、電機、變速箱、整車及駕駛員意圖等多方面的因素。試驗結果表明：本文作者提出的變速箱控制策略能夠傳遞合適的駕駛員扭矩，既確保電機成功起動發動機，又保持了整車駕駛舒適性，證明了控制策略的有效性。