无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法及系统
阅读说明：本技术 无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法及系统 (Hybrid power mode switching coordination control method and system without clutch sliding mill ) 是由 徐兴 梁聪 王峰 江昕炜 李勇 盘朝奉 解炬 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法及系统,该方法为：当混合动力汽车从纯电动模式向混合动力模式切换时,控制辅助电机带动发动机启动；在发动机的转速达到怠速时发动点火完成启动,在此过程中离合器保持分离状态,主电机提供车辆驱动力矩；进一步控制辅助电机转矩,实现离合器的从动盘转速平稳接近离合器的驱动盘转速,发动机在此期间不输出转矩,辅助电机转矩在加速阶段末端逐渐趋近于零；在两者转速差小于预设阈值后瞬间加大离合器油压实现离合器接合,从而实现在混合动力汽车从纯电动模式切换至混合动力模式时,避免了离合器滑磨,减少了能量损耗；且离合器接合前后传递转矩保持为零,实现无冲击的接合。(The invention provides a method and a system for hybrid power mode switching coordination control without clutch sliding, wherein the method comprises the following steps: when the hybrid electric vehicle is switched from the pure electric mode to the hybrid power mode, the auxiliary motor is controlled to drive the engine to start; when the rotating speed of the engine reaches the idling speed, the ignition is started to finish the starting, in the process, the clutch is kept in a separation state, and the main motor provides the driving torque of the vehicle; the torque of the auxiliary motor is further controlled, the rotating speed of a driven disc of the clutch is stably close to the rotating speed of a driving disc of the clutch, the engine does not output the torque in the period, and the torque of the auxiliary motor gradually approaches zero at the tail end of an acceleration stage; when the difference of the rotating speed of the clutch and the rotating speed of the engine is smaller than a preset threshold value, the clutch is instantly compressed by increasing the oil pressure of the clutch to realize the engagement of the clutch, so that the slipping of the clutch is avoided and the energy loss is reduced when the hybrid electric vehicle is switched from a pure electric mode to a hybrid power mode; and the transmission torque before and after the clutch is engaged is kept to be zero, so that the engagement without impact is realized.)
技术领域
本发明属于混合动力车辆控制技术领域，具体涉及一种无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法及系统。
背景技术
近年来，纯电驱动的新能源汽车迅猛发展。但是电池容量限制导致电动汽车的行驶里程较短，因此兼备燃油车的长行驶里程与新能源汽车节能特性的混合动力汽车成为新的发展趋势。混合动力车型，主要由电机、发动机、离合器、动力耦合机构组成，整车控制器与各执行器的控制器通过CAN网络通讯。混合动力汽车的多动力源结构决定了需要设计能量管理策略来动态分配发动机和电机的输出功率，切换工作模式来提升燃油经济。但是工作模式的切换包括了动力源的介入或者是退出，从而极有可能造成输出转矩的波动甚至是动力中断。因此需要设计协调控制策略来实现平稳且迅速的模式切换过程。
现有技术采用离合器的滑磨来启动发动机并接合离合器，虽然实现了平稳的模式切换过程，但是离合器滑磨过程带来了额外的能量浪费，且降低了离合器的使用寿命。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法及系统，在纯电动工作模式切换到混合动力工作模式时，取消离合器的滑磨过程，利用辅助电机来调节离合器两端转速至一定阈值，并控制辅助电机与发动机的转矩之和在两端转速同步时为0，随后直接接合离合器，确保离合器无冲击接合。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法，具体为：
发动机启动阶段：第二离合器保持分离状态，辅助电机拖动发动机启动，当发动机的转速高于怠速转速时，发动机启动阶段结束；
离合器加速接合阶段：发动机启动完成且暂不输出转矩，第二离合器保持分离状态，辅助电机输出转矩，实现第二离合器的从动盘转速平稳接近第二离合器的驱动盘转速至小于阈值a，离合器加速接合阶段结束；此阶段后期辅助电机(14)输出转矩接近于0；
离合器接合阶段：第二离合器左右两端转速差小于阈值a，辅助电机输出转矩维持第二离合器的从动盘跟踪主动盘转速，且从动盘与主动盘的加速度保持一致，此时变速箱控制器控制第二离合器接合。
进一步地，离合器在加速接合阶段传递至车辆传动系统的转矩为0，在接合时传递至车辆传动系统的是发动机与辅助电机的合力。
进一步地，在加速接合过程中第二离合器的从动盘加速度逐渐减小，辅助电机与发动机的合力接近于0；在接合瞬间第二离合器传递至车辆传动系统的转矩保持为0，转矩不会发生突变。
进一步地，所述阈值a是：第二离合器接合时，第二离合器的从动盘转速与第二离合器的主动盘转速之差的最大值。
进一步地，所述辅助电机输出转矩是由电子控制单元基于多目标优化算法确定的，所述多目标优化算法的控制目标为模式切换过程的快速性和舒适性，获得模式切换过程的辅助电机和驱动电机的转矩。
进一步地，所述模式切换过程是：驱动电机单独驱动的纯电动模式向发动机和驱动电机混合驱动模式的切换过程。
一种无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制系统，包括能量管理控制器、转速传感器、协调控制器和执行器控制单元，所述能量管理控制器、转速传感器与协调控制器连接，所述协调控制器与执行器控制单元连接；所述执行器控制单元包括发动机控制器、变速箱控制器、辅助电机控制器和驱动电机控制器，发动机控制器、变速箱控制器、辅助电机控制器和驱动电机控制器分别控制发动机、离合器、辅助电机和驱动电机；所述能量管理控制器根据驾驶员转矩需求决定车辆的行驶模式。
上述技术方案中，所述离合器包括第一离合器、第二离合器及第三离合器，所述第一离合器与辅助电机相连，所述辅助电机与第二离合器及第三离合器相连，第二离合器分别与挡位齿轮对Ⅱ、挡位齿轮对Ⅲ及驱动电机减速齿轮对相连；所述第三离合器与挡位齿轮对Ⅰ相连；驱动电机通过驱动电机减速齿轮对与挡位齿轮对Ⅱ及挡位齿轮对Ⅲ相连。
上述技术方案中，纯电动模式时，第一离合器处于接合状态，第二离合器、第三离合器均处于分离状态，辅助电机与发动机均处于静止状态；混合驱动模式时，协调控制器根据转速、电机转矩和离合器转矩确定控制转矩，并传递给执行器控制单元。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过辅助电机、驱动电机和离合器的协调控制，实现纯电动工作模式切换到混合动力工作模式平稳且无冲击；
(2)本发明在离合器加速接合阶段、离合器接合阶段取消了离合器的滑磨过程，减少了离合器滑磨功的消耗，节能环保的同时延长了离合器的使用寿命；
(3)本发明无需对离合器转矩进行精确的控制，降低了下层控制器设计的难度。
附图说明
图1为本发明所述双电机混合动力车辆系统结构示意图；
图2为本发明所述无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制系统示意图；
图3为本发明所述双电机混合动力车辆在模式切换过程中能量流向示意图；
图4为本发明无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法流程图；
图5为本发明各阶段辅助电机的转矩、第二离合器传递的转矩、第二离合器的从动盘转速与第二离合器的驱动盘转速变化情况；
图中，1、车轮；2、第一离合器；3、第二离合器；4、第三离合器；5、双离合变速箱； 6、驱动电机减速齿轮对；7、驱动电机；8、驱动电机控制器；9、主减速器；10、差速器齿轮对；11、挡位齿轮对I；12、变速箱控制器；13、辅助电机控制器；14、辅助电机；15、制动器；16、发动机控制器；17、发动机；18、电子控制单元；19、挡位齿轮对II；20、挡位齿轮对III。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种双电机混合动力车辆，包括发动机17、发动机控制器(ECU)16、辅助电机14、辅助电机控制器(MCUI)13、驱动电机控制器(MCUII)8、驱动电机7、第一离合器2、第二离合器3、第三离合器4、制动器15、双离合变速箱5、变速箱控制器(TCU) 12和电子控制单元(HCU)18；制动器15位于发动机17与第一离合器2之间；第一离合器 2与辅助电机14相连；双离合变速箱5包括第二离合器3、第三离合器4、挡位齿轮Ⅰ对11、挡位齿轮对Ⅱ19、挡位齿轮对Ⅲ20、驱动电机减速齿轮对6及差速器齿轮对10；辅助电机14 与第二离合器3及第三离合器4相连；第二离合器3分别与挡位齿轮对Ⅱ19、挡位齿轮对Ⅲ 20及驱动电机减速齿轮对6相连；第三离合器4与挡位齿轮对Ⅰ11相连；驱动电机7通过驱动电机减速齿轮对6与挡位齿轮对Ⅱ19及挡位齿轮对Ⅲ20相连；挡位齿轮Ⅰ对11、挡位齿轮对Ⅱ19、挡位齿轮对Ⅲ20均与差速器齿轮对10相连；差速器齿轮对10与主减速器9相连；主减速器9通过半轴与车轮1相连；发动机控制器(ECU)16与发动机17相连；辅助电机控制器(MCUI)13与辅助电机14相连；驱动电机控制器(MCUII)8与驱动电机7相连；变速箱控制器12与双离合变速箱5相连；电子控制单元(HCU)18与发动机控制器(ECU) 16、辅助电机控制器(MCUI)13、驱动电机控制器(MCUII)8和变速箱控制器12相连。
如图2所示，发动机控制器(ECU)16、变速箱控制器(TCU)12、辅助电机控制器(MCUI) 13和驱动电机控制器(MCUII)8作为执行器控制单元，发动机控制器(ECU)16、变速箱控制器(TCU)12、辅助电机控制器(MCUI)13和驱动电机控制器(MCUII)8将控制信号分别发送给发动机17、离合器(第一离合器2、第二离合器3、第三离合器4)、辅助电机 14和驱动电机7；发动机控制器(ECU)16、变速箱控制器(TCU)12、辅助电机控制器(MCUI) 13和驱动电机控制器(MCUII)8与协调控制器连接，协调控制器与转速传感器、能量管理控制器连接；能量管理控制器根据驾驶员转矩需求决定车辆的行驶模式。
本发明针对由驱动电机7单独驱动的纯电动模式向发动机17和驱动电机7混合驱动的模式切换过程。
模式切换前，车辆运行在驱动电机7驱动的纯电动模式，第一离合器2处于接合状态，第二离合器3、第三离合器4处于分离状态，辅助电机14与发动机17均处于静止状态；当能量管理器发出模式切换指令时，协调控制器根据转速、电机转矩(包括驱动电机和辅助电机)和离合器转矩确定控制转矩(参见Hao Y,Jiao X,Liang L,et al.Arobust H∞control-based hierarchical mode transition control systemfor plug-in hybridelectric vehicle[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2018,99(jan.15):326-344)，并通过CAN总线传递至执行器控制单元，执行器控制单元进一步控制发动机17、第二离合器3、辅助电机14及驱动电机8，完成模式切换。
双电机混合动力车辆模式切换过程的能量流变化如图3所示；纯电模式下，第一离合器 2、第二离合器3、第三离合器4均处于分离状态，仅驱动电机7作用驱动车辆，能量由驱动电机7流向车轮1；模式切换过程中，第一离合器2直接接合，第二离合器3保持分离状态确保发动机17并提升第二离合器3从动盘转速；当第二离合器3两端转速小于阈值a时，第二离合器3接合，启动完成的发动机17以及辅助电机14的转矩输出能够通过接合的第二离合器3传递至车轮1处，与驱动电机7的能量共同作用驱动车辆，车辆进入混合驱动模式。
图3中，C1表示第一离合器2，C2表示第二离合器3，MG1表示辅助电机14，MG2 表示驱动电机7。
如图4所示，无离合器滑磨的混合动力模式切换协调控制方法，包括发动机启动阶段、离合器加速接合阶段和离合器接合阶段。
如图5所示为各阶段的辅助电机14的转矩Tm1、第二离合器3传递的转矩Tcl、第二离合器3的从动盘转速ωcl与第二离合器3的驱动盘转速ωcr变化情况。
发动机启动阶段：第二离合器3保持分离状态，辅助电机14拖动发动机17启动的转矩由电子控制单元18中的控制算法以最快接合速度与驾驶平顺性为控制目标决策；当发动机 17的转速ωe高于怠速ωidel，发动机17启动阶段结束。
离合器加速接合阶段：发动机17启动完成但暂时仍不输出转矩，第二离合器3保持分离状态，此时由辅助电机14继续依据电子控制单元18中的控制算法输出需求转矩，实现第二离合器3的从动盘转速平稳接近第二离合器3的驱动盘转速至小于某一阈值a(阈值a表示第二离合器3接合时第二离合器3的从动盘转速与第二离合器3的主动盘转速之差的最大值，可根据实际情况设置)，此时离合器加速接合阶段结束。离合器在加速接合阶段传递至车辆传动系统的转矩为0，而在接合时则传递至车辆传动系统的是发动机17与辅助电机14的合力。为了避免离合器接合前后转矩传递发生突变，如图5所示，在加速接合过程中第二离合器3 的从动盘加速度被控制为逐渐减小，因此辅助电机14的输出转矩也逐渐减小至接近0，且此时发动机17也不对外输出转矩；从而在接合瞬间第二离合器3传递至车辆传动系统的转矩不会发生突变，实现平稳的模式切换过程。区别于传统的模式切换过程通过第一离合器3的滑磨实现两边转速转矩同步，本发明中的模式切换过程不需要第二离合器3滑磨。
离合器接合阶段：第二离合器3左右两端转速差小于阈值a，且辅助电机14输出转矩维持第二离合器3的从动盘跟踪主动盘转速且加速度保持一致，此时变速箱控制器(TCU)12 直接控制第二离合器3接合；此时如图5所示，离合器在接合后实际传递的转矩为辅助电机 14与发动机17的合力，由于合力为0，因此离合器接合前后传递的转矩均为0，无转矩突变，从而实现无冲击、无滑磨的模式切换过程。
上述控制算法为一种多目标优化算法(为现有技术)，其控制目标为模式切换过程的快速性和舒适性，优化获得模式切换过程的辅助电机14和驱动电机7的转矩。
考虑到车辆运行工况复杂，周围环境对车辆系统的干扰及传感器信号采集的误差可能会恶化协调控制器的控制效果，因此选用鲁棒H∞控制算法，控制第二离合器3的从动盘与主动盘跟踪由驾驶员需求车速换算获得的参考转速，从而决策出辅助电机14和驱动电机7的驱动转矩。鲁棒H∞控制算法能够抵抗车辆模式切换过程中的外界干扰，从而获得更加稳定的控制效果。具体过程如下：
首先，双电机混合动力车辆系统可以构建如下的系统方程：
式中，Ten为发动机17转矩，Tm1为辅助电机14转矩，Tm2为驱动电机8转矩，Tf为车辆行驶阻力矩，i2为驱动电机8的减速比，i0为主减速器9的减速比，Jen为发动机的等效转动惯量，Jm1为辅助电机14的等效转动惯量，Jcl为第二离合器3从动盘的等效转动惯量，Jcr为第二离合器3驱动盘的等效转动惯量，Jm2为驱动电机8的等效转动惯量，Jveh为整车等效转动惯量，kTDS为发动机17输出轴的等效扭转刚度，CTDS为发动机17输出轴的等效扭转阻尼， kTH为车轮1与半轴的等效扭转刚度，CTH为车轮1与半轴的等效扭转阻尼，θen表示发动机 17的输出轴转角，表示发动机17的输出轴转角一阶导数，表示发动机17的输出轴转角二阶导数，θl表示第二离合器3的从动盘转角，表示第二离合器3的从动盘转角一阶导数，表示第二离合器3的从动盘转角二阶导数，θr表示第二离合器3的主动盘转角，表示第二离合器3的主动盘转角一阶导数，表示第二离合器3的主动盘转角二阶导数，θf表示车轮1的转角，表示车轮1的转角一阶导数，表示车轮1的转角二阶导数；
选取的状态量和控制量分别表示为：
从而获得双电机混合动力车辆模式切换过程的状态方程为：
式中：w外界干扰信号，且w＝[TenΔBad]I，Ba为对车辆行驶阻力矩的线性拟合系数，d为传感器测量误差；A为系统状态矩阵，B1为控制矩阵，B2为干扰矩阵，且：
所述控制算法的目标函数可以表达为：
其中，J表示目标函数值，α1、α2、α3分别表示驾驶平顺性、模式切换时间、驾驶员转矩需求三个指标的权重参数，α4用于约束系统到达平衡状态时辅助电机转矩尽可能接近于0，从而避免接合时转矩突变带来冲击，α5用于约束驱动电机的转矩尽可能小，避免能量的浪费；
表示冲击度，ωl为第二离合器3的从动盘转速，ωref为根据需求车速换算获得的离合器盘参考转速，为根据需求车速换算获得的离合器盘参考转速一阶导数，ωr为第二离合器3 的驱动盘转速，Tref为驾驶员需求转速换算获得的参考转矩。
从而双电机混合动力模式切换的性能输出为：
进一步的，系统的性能输出可以表示为：
z＝C1x+D1u (6)
式中，C1为输出状态矩阵，D1为输出控制矩阵，且：
由鲁棒H∞控制理论可知，混合动力模式切换系统是渐进稳定的，当且仅当存在一个对称正定矩阵P及矩阵G、W，使得：
基于MATLAB的LMI工具箱求解线性矩阵不等式(公式(7))，可获得混合动力模式切换系统的反馈增益：
K＝GW-1 (8)
辅助电机14和驱动电机7的驱动转矩为：
u＝Kx (9)
根据所计算出的辅助电机14和驱动电机7的需求转矩控制电机，并在满足离合器接合条件时控制离合器迅速接合，完成模式切换过程。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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