CN105000015B - Isg电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，在纯发动机工况下，使ISG电机全面介入DCT换挡过程，所述的控制方法具体步骤如下：1)在DCT换挡过程的转矩相，让ISG电机工作在升档助力模式或降档发电模式；2)在DCT换挡过程的惯性相，迅速使ISG电机切换工作状态，并进入升档发电模式或者降档助力模式，让ISG电机提供使发动机和目标离合器从动盘快速同步的同步转矩；3)在转矩切换阶段，ISG电机逐渐退出工作模式，发动机转矩逐渐切换到驾驶需求转矩。与现有技术相比，本发明能有效解决DCT换档过程中双离合器、发动机与ISG电机间的转矩协调控制问题等优点。

Description

ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)双离合器式自动变速器(Dual Clutch Transmission,DCT)的换档控制方法，尤其是涉及一种ISG(IntegratedStarter Generator，ISG)电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，也可适用于混合动力汽车液力自动变速器的换挡过程。

背景技术

传统DCT换挡过程，发动机配合完成换挡，其转矩变化率及变化量直接决定了转速同步时间，但一方面，发动机转矩响应速度较慢，转速同步时间较长(见图1)；另一方面，发动机工作点发生跃迁，增加了发动机控制难度，不利于发动机燃油经济性和排放的改善。此外，目前DCT换挡控制过程多采用基于模型的控制，算法缺乏鲁棒性，没有充分考虑到模型结构参数的不确定性和干扰对换挡控制性能的影响。

随着DCT逐渐被应用于混合动力汽车，其多动力源的存在可以使得电机部分或者完全介入DCT换挡过程成为可能，这样可以利用电机较快的转矩响应特性和较高的转矩(和转速)控制精度，一方面加速换挡过程，另一方面减少换档冲击，但由此也带来了DCT与多动力源在换挡过程中的综合协调控制难题。

对现有技术的文献检索发现，混合动力汽车在纯发动机运行模式下的相关的控制策略并未充分考虑换挡过程车辆的动力性，以及发动机动态响应能力和精度，也未有电机介入DCT换挡控制过程的先例。

在DCT换挡动力源协调控制过程中，通过分相控制，只是得到了动力源的总需求转矩T_eng+ISG，发动机和ISG电机转矩以及ISG工作模式并未确定，所以需要进一步对动力源转矩进行分配。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，针对混合动力汽车纯发动机运行模式DCT换挡过程，让ISG电机全程介入DCT换挡，完成换挡后ISG电机便主动退出。

针对ISG电机介入DCT换挡过程，本发明能有效解决DCT换档过程中双离合器、发动机与ISG电机间的转矩协调控制问题。以升挡为例，整个换档过程可以分为转矩相(用于离合器转矩的交替)，惯性相(离合器主从动盘转速同步)和需求转矩切换阶段。因此，在获得动力源总需求转矩以及发动机参考轨迹的前提下，在换挡过程各阶段，需要设计转矩协调控制算法，利用ISG电机在换挡过程各阶段介入并实现转矩的快速精确变化，调节离合器主动盘的转速，以实现快速同步，并合理分配发动机和ISG电机转矩以满足要求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，其特征在于，在纯发动机工况下，使ISG电机全面介入DCT换挡过程，减少换挡过程对发动机转矩响应速度和精度的要求，降低发动机控制难度并减少排放，加速换挡过程，缩短换挡时间，回收部分换挡能量并改善燃油经济性。所述的控制方法具体步骤如下：

1)在DCT换挡过程的转矩相，让ISG电机工作在升档助力模式或降档发电模式，以减少发动机的转矩变化，实现发动机转速的快速变化，并为下一过程大幅电机转矩改变储蓄转矩空间；

2)在DCT换挡过程的惯性相，迅速使ISG电机切换工作状态，并进入升档发电模式或者降档助力模式，让ISG电机提供使发动机和目标离合器从动盘快速同步的同步转矩，以大幅减少发动机在惯性相的转矩变化；

3)在转矩切换阶段，ISG电机逐渐退出工作模式，发动机转矩逐渐切换到驾驶需求转矩。

该方法采用集成整车控制和变速控制功能于一体的控制器THCU来实现，该控制器集成了对DCT和混合动力整车的控制功能，可直接对多动力源的输出转矩进行协调控制并系统解决信号经多控制器处理延时的问题，且能有效提高控制精度。

在DCT换挡过程的转矩相，采用分离离合器传递转矩的控制规律，并在此阶段，依据基于模型的控制，实时决策发动机和ISG电机的合成转矩。

所述的分离离合器传递转矩的计算具体如下：

通过驾驶员踏板开度以及变化率实时滚动更新车辆加速度来反映驾驶员换挡意图；之后，基于换挡过程动力学模型得到离合器等效传递转矩，再由分离离合器传递转矩，得到换挡过程两离合器各自所传递的转矩。

在DCT换挡过程的惯性相，采用发动机转速切换至目标离合器从动盘转速的滚动优化参考转速轨迹，该参考轨迹体现了对离合器执行机构响应的适应性；与此同时，在DCT换挡过程的惯性相，根据实时更新的目标发动机参考轨迹，采用模型预测控制，实时决策了发动机和ISG电机的合成转矩。

该方法充分利用ISG电机转矩控制响应快、精度高的优势，对换挡过程转矩相和惯性相所得到的目标合成转矩，分为快变部分和慢变部分，快变部分由ISG电机实现，慢变部分则由发动机实现，降低了发动机控制的难度。

该方法分阶段实现了动力源合成转矩的决策过程，具体为：

在DCT换挡过程的转矩相，考虑驾驶员意图和离合器执行机构响应特性，获取分离离合器分离规律，利用DCT换挡过程动力学模型得到动力源总需求转矩；

在DCT换挡过程的惯性相，基于模型预测控制，设计并滚动优化参考轨迹，通过预测控制得到动力源总需求转矩，并完成离合器主从动盘转速同步；

在转矩切换阶段，考虑驾驶员、车辆、道路以及冲击度约束，设计动力源需求转矩切换规律。

所述的控制方法动力源转矩分配策略为：考虑蓄电池荷电状态(SOC)、ISG电机输出转矩能力限制以及动力源的工作特性，对动力源输出转矩进行了分配。

与现有技术相比，本发明解决了DCT换挡过程中双离合器及动力源(发动机和ISG电机)间的转矩实时协调优化控制问题，具体优点如下：

1)针对DCT变速混合动力汽车，考虑到与发动机相比，ISG电机输出转矩具有响应快且精度高的特点，让ISG电机充分介入DCT换挡过程，为优化DCT换挡品质，提出了双离合器传递转矩和动力源(包括发动机和ISG电机)输出转矩的协调控制方法，将整个换挡过程控制认为是双离合器传递转矩计算+动力源合成转矩决策+动力源转矩分配的综合结果。

2)在换挡过程中，为改善车辆的换挡舒适性、动力性和排放性能，提高不同换挡工况控制器的鲁棒性，充分考虑动力源响应特性的差异和驾驶意图，让发动机工作在稳态，保持换挡初始时刻的节气门开度不变，动力源转矩快变部分由ISG电机响应。也即在整个换挡过程中，可使发动机可以部分脱离工况限制，基本工作在稳态优化工作点，改善其燃油经济性，克服了其转矩响应滞后和瞬态排放恶化问题。

3)利用ISG电机较快的转矩响应速度和控制精度加快了换挡过程并减小了换挡冲击。在转矩相和需求转矩切换阶段，ISG电机工作在驱动模式，提供换挡期间车辆所需求的动力；在惯性相，ISG则工作在制动发电模式，将发动机转速快速同步至接合离合器从动盘转速，并回收了部分换挡能量。

附图说明

图1为传统换挡过程示意图；

图2为电机介入换挡过程示意图；

图3为DCT变速混合动力原型车动力系统拓扑结构图；

图4为发动机转速参考轨迹滚动更新示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明动力源合成转矩以及离合器等效传递转矩的计算，基于DCT换挡滑摩阶段八自由度动力学方程以及利用传动比关系简化得到二自由度换挡动力学模型：

式中分别为等效到变速器输出轴的当量转动惯量和当量旋转粘性阻尼系数，K_on、K_off分别为接合离合器、分离离合器传递转矩等效到变速器输出轴的放大因子。

DCT换挡过程本质上是相对独立的连续变量动态系统的切换过程，具体表现为换挡过程中接合离合器分离，同时分离离合器接合的双离合器工作状态切换过程。本发明DCT换挡过程控制，首先通过实时滚动更新车辆加速度以量化驾驶员换挡意图。之后联立DCT换挡过程动力学模型(1)及车轮角速度ω_s和角加速度可以计算得到离合器等效传递转矩T(k+1)＝T_on(k+1)K_on+T_off(k+1)K_off。最后根据分离离合器传递的转矩T_off(k+1)(在转矩相可通过分离离合器分离规律得到；在惯性相和转矩切换阶段离合器已经完全分离，因此值为0)，就可以得到换挡过程中T_on，T_off。本实施例中，DCT换挡动力源协调控制过程采用分相控制，具体包括：

1)在DCT换挡过程的转矩相，主要完成离合器传递转矩的交互，分离离合器传递转矩逐渐下降为0，接合离合器传递转矩逐渐上升，两离合器转矩变化率一方面影响换挡时间，另一方面决定了车辆冲击度。本发明中要求二离合器共同传递的转矩满足离合器等效传递转矩，分离离合器转矩的下降可以通过接合离合器弥补，只要二者共同传递的转矩满足离合器等效传递转矩，车辆冲击度就得以保证，所以分离离合器分离规律主要影响了换挡转矩相时间，而与车辆冲击度解耦，理论上应尽可能快地分离离合器，以减少换挡时间，但其分离速度受到离合器执行机构响应特性的限制。本发明首先根据离合器执行机构特性确定了转矩相时间，然后设计了类指数型分离规律，其特征为：初始时间段内下降率较小，旨在降低离合器执行电机启动转矩，加快启动过程；中间部分变化率较大，以较快地速度分离离合器；结束阶段下降率也较小，防止在分离离合器完全分离时刻，接合离合器转矩突变，具体的分离规律如式(2)所示：

式中T_off(t_k+1)为k+1时刻分离离合器转矩，分别为分离离合器在转矩相初始时刻和结束时刻转矩，t_torque为转矩相时间，a为设计参数，经测试取值一般为t_torque/12。

本发明根据分离离合器分离规律和离合器等效传递转矩就可以得到两个离合器传递的转矩，之后利用DCT换挡过程动力学模型得到动力源转矩总和(包括发动机和ISG电机转矩)。

2)在DCT换挡过程的惯性相，本发明采用基于模型预测控制的动力源合成转矩的实时滚动优化，弥补了模型失配、时变、干扰等因素所带来的不确定性，具有较强的鲁棒性。预测模型旨在根据被控对象的历史信息和当前状态，预测未来的状态量和所需的控制量，它对被控对象模型的结构要求不高，更注重模型功能。本发明中预测的实质是选用离散状态方程作为被控对象的预测模型，通过计算得到的接合离合器从动盘转速，来确定对应的发动机转速参考轨迹的给定值(如图3所示)。

在惯性相，发动机转速变化满足以下关系：

在整个惯性相阶段，若选取x＝ω_e为状态变量，u＝T_e+T_ISG-T_on为控制变量，发动机转速参考轨迹可采用实时滚动优化进行更新。本发明考虑到发动机转速控制难度及其响应特性等因素，通过发动机转速跟踪，实现接合离合器主从动盘转速的快速同步。当惯性相阶段结束时，滚动更新完成，且接合离合器主从动盘转速同步。

为避免发动机转速参考轨迹给定值发生跃变，防止加大控制量以使要求设定值迅速跟踪变化所导致的系统振荡加剧，应使发动机转速平滑过渡并保证转速同步时刻较小的冲击度。同时，在转速同步时刻发动机(接合离合器主动盘)角速度和角加速度和离合器从动盘的保持一致，而且发动机转速参考轨迹要能考虑到动力源响应特性。综合考虑以上因素，选择如式(4)所示的参考轨迹y_r，其形状及发动机转速滚动优化过程如图1所示：

式中ω_eng(t_k+1)为k+1时刻发动机转速参考值，ω_on(t_k+1)为接合离合器初始和k+1时刻主动盘和从动盘转速，为已知量，t_initia为惯性相时间，a为设计参数，经测试取值一般为t_initia/12。

3)在需求转矩切换阶段，接合离合器主从动盘转速同步之后，必须将动力源转矩切换到驾驶员稳态需求水平，主要包括将发动机转矩切换到驾驶员需求水平，ISG电机退出换挡过程，相似地，该阶段采用了类指数型转矩切换控制规律。

4)分相控制得到了动力源的总需求转矩T_eng+ISG后，发动机和ISG电机转矩以及ISG工作模式并未确定，所以需要进一步对动力源转矩进行分配。

传统汽车中，发动机配合完成换挡，其转矩变化率及变化量直接决定了转速同步时间，但一方面，发动机转矩响应速度较慢，加大了转速同步时间；另一方面，发动机工作点发生跃变，增加了发动机控制难度，不利于发动机燃油经济性和排放的改善。

本发明针对装有ISG电机的混合动力轿车，在换挡过程中，让发动机工作在稳态，保持换挡初始时刻的节气门开度不变，动力源转矩快变部分由ISG电机响应，在转矩相和需求转矩切换阶段，ISG电机工作在驱动模式，提供换挡过程车辆需求的动力，在惯性相，ISG则工作在制动发电模式，将发动机转速同步至接合离合器从动盘转速，并且换挡过程中，发动机基本工作在稳态工况，不存在转矩响应的滞后，利用ISG电机较快的响应速度加快了换挡过程。

但ISG电机介入换挡过程，用于实现动力源需求转矩的快变部分，必须考虑到当前电池的SOC值以及ISG电机驱动及制动能力限制，以升档分析为例，在转矩相，如果动力源需求转矩增量大于ISG电机驱动能力，只能让ISG电机工作在最大驱动能力上，不足的部分由发动机实现，但这种情况比较少且发动机补偿量较小；在惯性相，为了让发动机工作在稳态，ISG电机只能以最大的制动能力拉低发动机转速，完成转速同步，所以必须合理的确定惯性相时间，使得惯性相需求转矩的变化量恰好在ISG电机最大能力范围内，ISG电机以最大的能力完成换挡过程；在需求转矩切换阶段，ISG电机转矩逐渐下降为0，不存在能力受限的问题。可见，根据ISG电机的能力确定惯性相时间，并在ISG最大能力范围内完成换挡过程，是保证动力源转矩分配的重要部分。

本发明对发动机参考轨迹进行求导，在惯性相时间中点处取得极值，而根据换挡过程动力学模型式(1)可知，惯性相预测控制变量u＝T_e+T_ISG-T_on的值就是转速同步所需的动力源转矩变化量，而也正是ISG电机需要提供的转矩。所以根据ISG电机能提供的最大转矩T_{ISG_max}(包括惯性相ISG电机初始转矩和最大能力转矩T_{ISG_capacity})联立关系式(4)就可以得到受ISG电机能力限制下的惯性相时间t_initia。

因此本发明相对于传统的发动机介入换挡控制方法，不仅可以减少换挡过程对发动机转矩响应速度和精度的要求，降低发动机控制难度，减少排放并改善燃油经济性；而且还可以加速换挡过程，缩短换挡时间；此外，还可以回收部分换挡能量。

综上所述，本发明所提出的DCT换挡过程转矩协调控制策略，设计了转矩相分离离合器的分离规律以及需求转矩切换阶段的转矩切换规律，由此得到了换挡过程中动力源合成转矩及离合器等效传递转矩的确定方法，有效解决了DCT换挡过程中双离合器、发动机与ISG电机间的实时转矩协调控制问题，为DCT在混合动力轿车上的应用奠定了基础。

Claims (5)

1.一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，其特征在于，在纯发动机工况下，使ISG电机全面介入DCT换挡过程，所述的控制方法具体步骤如下：

1)在DCT换挡过程的转矩相，让ISG电机工作在升档助力模式或降档发电模式，以减少发动机的转矩变化，实现发动机转速的快速变化，并为下一过程大幅电机转矩改变储蓄转矩空间；

2)在DCT换挡过程的惯性相，迅速使ISG电机切换工作状态，并进入升档发电模式或者降档助力模式，让ISG电机提供使发动机和目标离合器从动盘快速同步的同步转矩，以大幅减少发动机在惯性相的转矩变化；

3)在转矩切换阶段，ISG电机逐渐退出工作模式，发动机转矩逐渐切换到驾驶需求转矩；

在DCT换挡过程的转矩相，采用分离离合器传递转矩的控制规律，并在此阶段，依据基于模型的控制，实时决策发动机和ISG电机的合成转矩；所述的分离离合器传递转矩的计算具体如下：

通过驾驶员踏板开度以及变化率实时滚动更新车辆加速度来反映驾驶员换挡意图；之后，基于换挡过程动力学模型得到离合器等效传递转矩，再由分离离合器传递转矩，得到换挡过程两离合器各自所传递的转矩；

根据离合器执行机构特性确定了转矩相时间，设计了类指数型分离规律，始时间段内下降率较小，旨在降低离合器执行电机启动转矩，加快启动过程；中间部分变化率较大，以较快地速度分离离合器；结束阶段下降率也较小，防止在分离离合器完全分离时刻，接合离合器转矩突变，具体的分离规律如下式所示：

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式中T_off(t_k+1)为k+1时刻分离离合器转矩，分别为分离离合器在转矩相初始时刻和结束时刻转矩，t_torque为转矩相时间，a为设计参数，经测试取值一般为t_torque/12。

2.根据权利要求1所述的一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，其特征在于，该方法采用集成整车控制和变速控制功能于一体的控制器THCU来实现，该控制器集成了对DCT和混合动力整车的控制功能，可直接对多动力源的输出转矩进行协调控制并系统解决信号经多控制器处理延时的问题，且能有效提高控制精度。

3.根据权利要求1所述的一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，其特征在于，在DCT换挡过程的惯性相，采用发动机转速切换至目标离合器从动盘转速的滚动优化参考转速轨迹，该参考轨迹体现了对离合器执行机构响应的适应性；与此同时，在DCT换挡过程的惯性相，根据实时更新的目标发动机参考轨迹，采用模型预测控制，实时决策了发动机和ISG电机的合成转矩。

4.根据权利要求1所述的一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，其特征在于，该方法充分利用ISG电机转矩控制响应快、精度高的优势，对换挡过程转矩相和惯性相所得到的目标合成转矩，分为快变部分和慢变部分，快变部分由ISG电机实现，慢变部分则由发动机实现，降低了发动机控制的难度。

5.根据权利要求1所述的一种ISG电机介入双离合器式自动变速器换挡的控制方法，其特征在于，该方法分阶段实现了动力源合成转矩的决策过程，具体为：

在DCT换挡过程的转矩相，考虑驾驶员意图和离合器执行机构响应特性，获取分离离合器分离规律，利用DCT换挡过程动力学模型得到动力源总需求转矩；

在DCT换挡过程的惯性相，基于模型预测控制，设计并滚动优化参考轨迹，通过预测控制得到动力源总需求转矩，并完成离合器主从动盘转速同步；

在转矩切换阶段，考虑驾驶员、车辆、道路以及冲击度约束，设计动力源需求转矩切换规律。