插电式混合动力离合器控制策略与标定

祁克光，李 康，杨俊伟，黄开胜

（1.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究总院动力总成技术中心，安徽 芜湖 241009；2.清华大学汽车工程系，北京 100084）

奇瑞艾瑞泽7e使用CVT无级自动变速器，采用P2架构的混动方式。如图1所示，在发动机和CVT变速器之间，通过EPGS行星齿轮耦合结构连接。耦合结构的外部齿圈连接到电机，轴心的太阳轮连接到发动机，行星齿轮连接到CVT的输入轴。电机和发动机之间通过C1离合器连接，当纯电模式的时候，C1离合器脱开，电机通过变速器输出动力。当需要发动机输出扭矩的时候，C1离合器接合，发动机和电机转速同步共同输出扭矩，或者发动机同时驱动和带动电机发电。

图1 艾瑞泽7ePHEV的EPGS结构示意图

艾瑞泽7e发动机为奇瑞SQRE4G-16型号，技术参数为：1.6L排量，缸径×行程77 mm×85.8 mm，额定功率93 kW@6150 r/min，最大扭矩160 Nm@3900 r/min。变速器采用CVT无极自动变速器，型号为CVT QR019，技术参数为：速比2.67，主减速比5.141，驱动形式为前置前驱FF，最大输入扭矩190 Nm。电机为直流无刷三相同步电机，技术参数为：放电持续功率25 kW，放电峰值功率55 kW，最大转速7440 r/min，最大扭矩160 Nm，持续扭矩80 Nm。由于发动机和电机的总输出扭矩要大于CVT变速器所允许的最大输入扭矩，所以要对总的输出进行限制，以保护变速器。

艾瑞泽7e有如下几种工作模式：纯电驱动、仅发动机驱动（电机空转）、发动机和电机并联驱动、行车充电（发动机同时驱动和驱动电机发电）、再生制动、怠速发电等。由于PHEV车辆的特殊性，经常要频繁地起/停发动机以提升混动模式下的燃油经济性，所以在发动机起/停时，尤其是起动的时候，对C1离合器控制要求较高。既要保证平顺性，又要控制离合器滑摩热量，保证离合器的寿命。在PHEV车辆离合器的可靠性耐久考核专项试验中，要求能够完成10万次的模式切换。

1 滑摩时离合器的热量计算

由于PHEV车辆发动机频繁起停，需要对滑摩时的热量进行控制，以保证C1离合器的寿命要求。在对C1离合器的控制和标定中，需要先对滑摩时的热量计算进行建模，以评估要求。发动机的起动主要有两种方式：①P或者N挡下，C1离合器起动发动机；②行车过程中，通过C1离合器起动发动机（即下文提到的高级起停）。在起动发动机方式①中，C1离合器的负载较小，产生热量少，对离合器的损伤有限。本文将重点研究方式②的离合器起动发动机控制和标定方法。

1.1 负载扭矩传递数学模型

耦合机构起停半黏动状态：Brake状态 = 0，0 ＜ Clutch状态 ＜ 1，PGS模式 →parallel mode。Brake制动器（功能为把发动机与变速器壳体接合，禁止发动机转动）分开，C1离合器处于半黏动的状态（0-1之间，0为完全脱开，1为完全接合），耦合机构运行模式从行星齿轮模式变为并联模式，电机驱动整车同时通过C1离合器传递扭矩到发动机端起动发动机，发动机转速从0开始上升，逐步达到同步，同步后发动机才允许点火输出扭矩（整个过程对于扭矩控制精度较高）。在整个发动机起动过程中，电机扭矩必须受到限制，以便保证过程的平顺性，同时也要考虑有足够的扭矩以克服负载，确保C1离合器的压力，控制滑摩中的热量。图2为行驶中起动发动机扭矩杠杆原理图。

图2 行驶中起动发动机杠杆原理图

太阳轮端发动机输出扭矩TS为发动机的阻力矩，其扭矩数学模型如下

式中：Tc——CVT变速器端的扭矩；Tr——齿圈电机输出扭矩；Tclt——离合器加压扭矩；Zr——齿圈电机输出轴到CVT输出轴之间的距离；Zs——太阳轮发动机输出轴到CVT输出轴之间的距离。

由公式（1）转化，可计算出车辆行驶中起动发动机的电机扭矩Tr，见公式（2）。Tc此时可根据驾驶员轮端需求扭矩求得，且受离合器剩余热容量限制，HCU（Hybrid Control Unit）目前设置当剩余热容量为1 500 J，电机只允许输出最大50 Nm扭矩，剩余热容量为0 J时，不允许电机输出扭矩。Tclt为标定值，通过标定设置目标离合器扭矩，目标离合器扭矩标定需要考虑起动的可靠性（足够的压力保证起动成功，减少滑摩产生的热量），同时要兼顾起动的平顺性。

1.2 目标扭矩转化为目标压力数学模型

利用公式（3）将C1目标扭矩转化成目标压力， TCU（Transmission Control Unit）通过控制电磁阀达成离合器加压所需压力。

式中：S——离合器活塞面积；u——离合器摩擦片摩擦系数；z——离合器总成片数；r——摩擦片有效半径；F——回位弹簧力；J——离合器活塞和回位活塞转动惯量之和。艾瑞泽7e各参数值见表1。

表1 目标压力计算参数值

图3为C1离合器加压控制状态逻辑示意图。Int（初始化）和Inactive（未激活）阶段，此阶段目标压力为0；Active（激活）为离合器充油阶段，该阶段需要控制充油时间和充油压力，其充油时间和压力是根据不同工况和变速器油温标定得到；TQ_Ctrl为离合器扭矩控制阶段，其目标压力是根据需求扭矩计算得出，计算公式见公式（3）；SlipCtrl（滑动控制）阶段基于HCU发送的扭矩，计算得出压力加上TCU计算值。

图3 C1离合器加压控制状态示意图

1.3 TCU热容量计算数学模型

行驶中起动发动机，离合器热容量计算公式如下，本项目最大允许的热容量为18 kJ。

式中：Qclt——离合器当前产生的热容量；Ti——计算起始时间，为扭矩控制阶段起始开始计时；Te——计算结束时间，为转速同步后计时结束；Ne——电机转速；Nc——行星架转速；Tclt——离合器扭矩；Qo——油冷热交换带走的热量。

2 车辆行驶中发动机起动C1离合器标定与验证

C1离合器的目标扭矩值标定方法是：①HCU按照公式（1）计算出起动发动机所需的C1离合器扭矩需求，将此需求传递给TCU，TCU根据公式（3），将扭矩需求转换为压力需求，根据压力需求控制电磁阀得到C1离合器所需的实际压力，再根据实际压力通过公式（3）转化为实际的C1离合器扭矩，传递给HCU，HCU根据实际的离合器扭矩按照公式（2）计算出电机扭矩需求；②TCU根据公式（4）计算出C1离合器剩余的热容量，传递给HCU，HCU根据剩余热容量对电机实际扭矩进行限制，以确保离合器有足够的热能余量；③通过整车纵向加速度传感器的客观测量或者主观评价的方式选择驾驶性、平顺性可接受的C1离合器扭矩斜率以及公式（1）计算出的最小离合器扭矩（只允许往大的方向调整），同时按照公式（4）评估起动时的热容量，限制在允许的范围内，以保证离合器的耐久性能要求［1］。

图4为行车中C1离合器加压控制数据采集图示。黄线为齿圈电机转速，黑线为太阳轮发动机转速，红线为行星齿轮CVT变速器端的转速，绿线为EPGS的C1离合器加压扭矩。随着加压扭矩的增加，发动机转速由0快速上升，最终三者转速同步，同步后进行转速PI闭环控制（扭矩调节）［2］，以保证转速偏差在±30 r/min。从图4中可以看到，在C1离合器加压前，有个短暂的小幅扭矩增加，这是预加压阶段。预加压时，扭矩不能太大，太大会导致不期望的发动机转速出现。在整个加压过程中，可能会出现两种特殊状况。

图4 行车中C1离合器加压控制

1）一定时间内发动机未能起动成功，则需要强制请求离合器扭矩到最大值。

2）上述提到，加压的过程中，TCU会依据公式（4）计算出当前的热容量，依据允许的最大热容量，计算出储备热容量发送给HCU。若储备热容量达到0，则HCU限制电机扭矩到0，以保护离合器。

考虑到高级起停，扭矩需求发动机起动的车速在40 km/h，所以标定工况为40 km/h的纯电模式，分为加速、匀速、减速3种情况，通过手动关闭ECO（经济模式）键起动发动机去标定C1离合器。

综合以上标定方法，需要对标定的结果进行确认验证。选择低车速（＜10 km/h）、20 km/h、30 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h，分为加速、匀速、减速3种情况，关闭ECO起动发动机去验证C1离合器的标定结果。可以通过加速度传感器客观或者主观感受的驾驶平顺性评价方法，同时测量C1离合器的储备热容量。低车速下重点是起动可靠性和起动冲击的评估，高车速下重点是储备热容量的评估。

图5为艾瑞泽7e车速40 km/h时C1离合器起动发动机的测量结果，起动瞬间最大加压扭矩达到250 Nm，起动的滑摩过程中，储备热容量到达低谷，最小值为21 000 J，但距离限值7 000 J仍旧有较大余量，满足耐久性目标标定要求。起动过程中，C1离合器完全接合的瞬间，振动加速度到达峰值，最大值为0.125 g，无连续性多次波动，主观感受较好。转速同步后，转速偏差范围在±30 r/min内，符合标定要求。

图5 车速40 km/h时C1离合器起动发动机验证结果

图6 是一个因为C1离合器压力不够（加压扭矩偏小）导致发动机起动失败和起动同步后转速波动的范例。在297～297.5 s之间，发动机转速拖动到约500 r/min后停机，C1离合器起动发动机失败，原因为预控压力异常（不希望的发动机起动）。298 s时，C1离合器起动发动机，出现转速未完全同步，有约150 r/min的偏差，此时实际的加压扭矩约为80 Nm（偏低），而后通过转速PI闭环控制，把扭矩增加到160 Nm，转速能够很好地实现同步。这种情况是因为刻意追求起动的平顺性，过小的加压扭矩，C1施加压力不足，从而导致转速不同步，严重可能导致起动失败。转速不同步时间过长，即滑摩时间过长，会产生较大热量，进而影响C1离合器的寿命。

3 结 论

行车C1离合器起动发动机的控制和标定原则：高车速（大于等于60 km/h），对平顺性的振动冲击不是重点，要有足够的加压扭矩请求，确保起动成功，要重点关注转速同步问题，防止过长的滑摩时间，导致离合器热容量储备不足，影响离合器的使用寿命。当然，过大的加压扭矩请求不利于能量管理。低车速（小于60 km/h），起动平顺性是关注重点，在确保起动成功且转速同步（转速偏差在±30 r/min内）的前提下，尽可能地降低加压扭矩需求以及增加的加压扭矩斜率，以保证C1离合器起动发动机的平顺性。

图6 车速30 km/h时C1离合器起动发动机不可接受结果范例

标定之后，要按照测试标准进行验证，包括热容量储备测试和主观驾驶性感受。同时，要保证标定数据对生产一致性差异的覆盖性，最好抽取下线车辆至少10台进行标定数据覆盖性的评估。