CN114684099A - 功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法及系统，属于功率分流式混合动力汽车技术领域。用于抑制功率分流式混合动力发动机启停过程带来的冲击。该控制系统，包括整车控制单元HTCU；发动机控制单元ECU，负责采集高精度曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，并发送给发电机控制器MCU2用于停机角度控制；发电机控制单元MCU2，负责拖动发动机启动，通过扭矩控制将发动机倒拖到指定曲轴转角；驱动电机控制单元MCU1，在启动发动机时，负责响应整车控制单元HTCU进行扭矩预加载。本发明的控制系统集成驱动电机扭矩提前加载和发动机停机角度控制的功能，通过此种特殊的控制方式解决发动机启停过程带来的冲击感，从而优化车辆NVH，提高驾驶舒适性平顺性。

Description

功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法及系统
技术领域
本发明属于功率分流式混合动力汽车技术领域，具体涉及一种基于功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法及系统。
背景技术
我国能源和环境形势日趋严峻，排放法规不断升级，人们环境保护意识逐渐加强，将进一步推动能源战略转型，以混合动力汽车和纯电动汽车为代表的新能源汽车将成为未来汽车发展的重要方向。在将来很长一段时间内，由于动力电池成本较高，且能量密度、续航里程、质量尺寸等技术能力还有很大提升空间，因此，各种架构的混合动力技术将成为重要的过渡路线。其中，功率分流式混合动力由混动专用电驱动变速器构成，重量轻、尺寸小、传动效率高、具有高效的节油能力。混动专用变速器是混合动力汽车动力总成中最为重要的传动部件，混动变速器将直接影响车辆的动力性、影响车辆的燃油经济性、影响车辆的驾驶舒适性和平顺性。
传统燃油车或其他混动车在发动机飞轮端有液力变矩器或者离合器可将发动机与车轮端分离开，因此发动机启动过程不会将振动传递到轮端引起冲击。但当前功率分流式混动专用变速器架构最大特点是发动机与轮端属于刚性连接，启动过程的振动会直接传递到轮端，机械设计方面抑制启动过程的冲击难度较大。其中，发动机、电机与驱动轮始终通过行星齿轮耦合在一起，任何一个输入轴的转矩波动都将影响轮边转矩输出并传递到车身，导致平顺性恶化。尤其发动机启停过程带来的冲击将直接传递到车轮端，影响驾驶舒适性。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术存在的问题，抑制功率分流式混合动力发动机启停过程带来的冲击，进而提供一种基于功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法及系统。
本发明所采取的技术方案是：
功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制系统，包括
整车控制单元HTCU，负责协调发动机、驱动电机EM1和发电机EM2 的扭矩管理、发动机启停条件判断功能；
发动机控制单元ECU，负责采集高精度曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，并通过滤波解析后发送给发电机控制器MCU2用于停机角度控制；
发电机控制单元MCU2，负责在发动机启动过程接收整车控制单元HTCU 控制指令，由发电机EM2拖动发动机启动，在停机过程，负责接收并处理发动机控制单元ECU反馈的曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，用于识别发动机曲轴转角并通过扭矩控制将发动机倒拖到指定曲轴转角；
驱动电机控制单元MCU1，负责接收整车控制单元HTCU的驱动指令，进行扭矩加载或能量回收，在启动发动机时，负责响应整车控制单元HTCU 进行扭矩预加载，同时进行电机防抖控制。
功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，包括停机控制方法及启动控制方法；所述停机控制方法为：根据前期评估的发动机倒拖低速脉冲阻力矩对应角度，通过发电机EM2将发动机拖到指定曲轴转角以备下次起动，保证启动过程控制软件标定参数及发动机本体状态一致性。
停机控制方法具体包括以下步骤：
S1.在Ph1第一阶段：发动机扭矩卸载，驱动电机EM1进行扭矩补偿，满足驾驶员需求，当发动机实际扭矩降低到一定值(0-10Nm)后，进入Ph2 第二阶段；
S2.在Ph2第二阶段：发动机自怠速控制，驱动电机EM1扭矩基于指数曲线加载，发电机EM2扭矩保持为0，驱动电机EM1扭矩加载到一定值后，进入Ph3第三阶段；
S3.在Ph3第三阶段：驱动电机EM1扭矩保持，发动机断油，发电机EM2 以指数曲线开环扭矩拖转发动机，快速将发动机转速拉低，穿过共振点，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿；
S4.在Ph4第四阶段：发电机EM2进行PID闭环控制，防止发动机转速过冲，降发动机转速缓慢降低到spd＝100RPM后，进入停缸控制，在此期间，驱动电机EM1扭矩基于发电机EM2扭矩进行扭矩补偿；
S5.在Ph5第五阶段：进入停缸控制，发电机EM2进行停缸控制，驱动电机EM1进行扭矩补偿，停缸控制扭矩及补偿扭矩在电机控制器MCU2中执行。
所述启动控制方法：包括以下步骤：
S1.在Ph1第一阶段，驱动电机EM1扭矩基于指数曲线加载，发电机EM2 扭矩保持为0，驱动电机EM1扭矩加载到一定值后，进入Ph2；
S2.在Ph2第二阶段，驱动电机EM1扭矩保持，发电机EM2以指数曲线扭矩拖转发动机，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿，发电机EM2达到一定值后保持，当发动机转速达到Spd＝300rpm后，发电机EM2扭矩下降到15Nm 保持，发动机转速达到Spd＝600rpm，发动机喷油点火判断启动成功后，进入闭环怠速控制Ph3；
S3.在Ph3第三阶段，发动机喷油点火后，发动机输出转矩朝期望转矩缓慢逼近；发电机EM2扭矩开始下降，继续将发动机转速拉伸至Spd＝950rpm 左右；发动机实际转速达到950rpm后，混动系统状态切换到Running。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的控制系统集成驱动电机扭矩提前加载和发动机停机角度控制的功能，通过此种特殊的控制方式解决发动机启停过程带来的冲击感，从而优化车辆NVH，提高驾驶舒适性平顺性。
附图说明
图1是本发明功率分流式混动专用变速器机械结构示意图；
图2是本发明功率分流式混动专用变速器行星齿轮杠杆图；
图3是本发明的启停控制系统框图；
图4是本发明的启动控制方法流程图；
图5是本发明的停机控制方法流程图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
如图1所示，从功率分流式混动专用变速器的机械结构可以看出，行星齿轮组的太阳轮1与发电机EM2刚性连接，行星齿轮组的行星架4与发动机 ICE刚性连接，行星齿轮组的外齿圈3通过减速器与驱动电机EM1和驱动轮刚性连接，因此，发动机、驱动电机和驱动轮始终刚性耦合在一起，任何一轴的扭矩波动都会影响到最终的扭矩输出，在发动机起动和熄火过程中，由于发动机端扭矩会产生突变，导致整车在起动、熄火工况下抖动明显，严重影响了车辆的平顺性和驾驶感受。
如图2所示，从行星齿轮杠杆图上可以看出，发动机静止启动时，由于太阳轮刚性连接的发电机EM2扭矩模式拖动与行星架刚性连接的发动机 ICE，达到指定转速后喷油点火完成启动。在此过程，输出端外齿圈将受到向下的反作用力，机械结构上外齿圈与驱动电机EM1和轮端刚性连接，导致轮端受到反作用力，因此在原地发动机启动过程将有一部分力传递到车身引起振动。同理，负载启动时，轮端仍然会受到一部分反作用力。基于此，本发明设计在发动机启动前通过整车控制单元HTCU控制驱动电机EM1扭矩提前加载，抵消此反作用力，同时消除传动系统及齿轮间隙，从而优化发动机启动过程带来的冲击。
如图3所示，本发明的功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制系统，包括
整车控制单元HTCU，负责协调发动机、驱动电机EM1和发电机EM2 的扭矩管理、发动机启停条件判断等功能；
发动机控制单元ECU，负责采集高精度曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，并通过滤波解析后发送给发电机控制器MCU2用于停机角度控制；同时，发动机控制单元ECU与整车控制单元HTCU进行实时的扭矩请求、阻力反馈等信号交互；
发电机控制单元MCU2，负责在发动机启动过程接收整车控制单元 HTCU控制指令，由发电机EM2拖动发动机启动，在停机过程，负责接收并处理发动机控制单元ECU反馈的曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，用于识别发动机曲轴转角并通过扭矩控制将发动机倒拖到指定曲轴转角；
驱动电机控制单元MCU1，负责接收整车控制单元HTCU的驱动指令，进行扭矩加载或能量回收，在启动发动机时，负责响应整车控制单元HTCU 进行扭矩预加载，同时进行电机防抖控制。
本控制系统，可实现驱动电机扭矩提前加载和发动机停机角度控制的功能，并将功能模块集成于控制单元中，整车控制单元HTCU开发功能模块，设计控制策略，综合启停控制条件，向驱动电机控制器MCU1发送扭矩提前加载指令和停机控制指令。发电机控制器MCU2开发停机控制功能模块，发动机控制单元ECU开发信号处理及信号输出功能模块，采集高精度曲轴转角信号和凸轮轴位置信号。
此部分，按照传统控制理念，需通过CAN总线采集凸轮轴位置信号及曲轴转角信号，同时发送给电机控制器MCU2来计算电驱动系统的制动扭矩，由电机控制器MCU2按给定制动扭矩将发动机停到指定位置。但由于 CAN通讯速率的限制，且系统要求较高精度且控制实时性，此部分信号采用硬线发送给发电机控制器MCU2，用于停机位置控制。这样，保证了传感器采集与发送信号的精度，对发动机停机角度控制起到至关重要的作用。
本发明的功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，包括停机控制方法及启动控制方法；
停机控制方法为：
发动机启动时，初始曲轴转角与对应的发动机总阻力矩有必然联系，总阻力矩越小对应起动过程的平顺性与快速响应性越好。基于此，当发动机停机时，根据前期评估的发动机倒拖低速脉冲阻力矩对应角度，通过发电机 EM2将发动机拖到指定曲轴转角以备下次起动，保证启动过程控制软件标定参数及发动机本体状态一致性。通过此种发动机停机角度控制的方式，提高功率分流式混动系统发动机起动平顺性效果明显。
如图4所示，启停控制系统的发动机停机控制过程：
S1.在Ph1第一阶段：发动机扭矩卸载，驱动电机EM1进行扭矩补偿，满足驾驶员需求，当发动机实际扭矩降低到一定值(0-10Nm)后，进入Ph2 第二阶段；
S2.在Ph2第二阶段：发动机自怠速控制，驱动电机EM1扭矩基于指数曲线提前加载，发电机EM2扭矩保持为0，驱动电机EM1扭矩加载到一定值(P档，-25Nm；D档，36Nm)后，进入Ph3第三阶段；
S3.在Ph3第三阶段：驱动电机EM1扭矩保持，发动机断油，发电机EM2 以指数曲线开环扭矩拖转发动机，快速将发动机转速拉低，穿过共振点(spd＝350rpm左右)，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿(实际扭矩增加＝TEM2*r1/r2，并考虑发动机角加速度)；
S4.在Ph4第四阶段：发电机EM2进行PID闭环控制，防止发动机转速过冲，降发动机转速缓慢降低到spd＝100RPM后，进入停缸控制，在此期间，驱动电机EM1扭矩基于发电机EM2扭矩进行扭矩补偿；
S5.在Ph5第五阶段：进入停缸控制，发电机EM2进行停缸控制，驱动电机EM1进行扭矩补偿，停缸控制扭矩及补偿扭矩在电机控制器MCU2中执行。
其中：完成Ph5第五阶段后模式切换到Stopped，驱动电机EM1和发电机EM2均无扭矩输出；
驱动电机EM1的提前加载扭矩+发电机EM2拖转等效的补偿值+满足驾驶员的需求扭矩(0Nm)，作为最终的驱动电机EM1扭矩请求；
驱动电机EM1提前加载扭矩的方向和档位相关，N/D档为正，P/R档为负值；
发电机EM2的指数拖转曲线考虑基于角加速度实现，前馈角加速度和水温、发动机转速相关，做成指数曲线S型角加速度，基于转动惯量计算的发电机EM2扭矩按指数曲线加载；
整车控制单元HTCU发送CAN指令告知电机控制器MCU2进入停缸控制模式；
停缸控制时，电机控制器MCU2自行完成发电机EM2停缸控制扭矩以及驱动电机EM1的扭矩补偿控制，驾驶员需求扭矩由整车控制单元HTCU 控制驱动电机EM1完成；
电机控制器MCU2进行停缸控制时，电机控制器MCU2反馈停缸控制标志位置true，完成停缸控制后，反馈停缸控制标志位置false，表示停缸控制已经完成，整车控制单元HTCU接收到该完成信号后，切换到Stop状态。
启动控制方法：
启动工况十分复杂，包含静止启动和负载启动，不同启动工况下，控制目标及控制策略不太一样。
静止启动：发动机启动完成后，不立刻进行负载运行。由于启动完成后短时间内无扭矩输出要求，以抑制启动冲击为优先条件进行启动，比如静止工况发动机启动。
负载启动：发动机启动完成后，立刻进行负载运行。由于启动完成后立即要求扭矩输出，以扭矩响应特性为优先条件进行启动，比如纯电行驶中大油门或恒定油门加速到较高车速触发发动机启动。
静止启动时，驱动电机EM1扭矩会提前加载，扭矩提前加载一方面可以消除传动系及齿轮间隙，另一方面可以为快速起步做准备。静止启动因，驱动电机EM1扭矩的提前加载，启动时间明显高于行驶中启动，以抑制启动冲击为目标。
负载启动时，启动过程中，驱动电机EM1响应油门踏板的同时，进行扭矩补偿，启动成功后，驱动电机EM1和发动机共同响应油门踏板扭矩需求驱动车辆。
基于此，无论是原地静止启动还是行驶中的负载启动，启动过程中为了防止整车冲击，需要利用驱动电机EM1提前加载扭矩或电机进行防抖控制来降低输出端扭矩波动和整车冲击。
如图5所示，启停控制系统的发动机启动控制过程：
S1.在Ph1第一阶段，驱动电机EM1扭矩基于指数曲线加载，发电机EM2 扭矩保持为0，驱动电机EM1扭矩提前加载到一定值(46Nm)后，进入Ph2；
S2.在Ph2第二阶段，驱动电机EM1扭矩保持，发电机EM2以指数曲线扭矩拖转发动机，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿(实际扭矩增加＝TEM2*r1/r2，并考虑发动机角加速度)，发电机EM2达到一定值(46Nm)后保持(发动机转速Spd＝60RPM，基于实车通过目标角加速度进行标定)，当发动机转速达到Spd＝300rpm后，发电机EM2扭矩下降到15Nm保持(基于实车通过目标角加速度进行标定)，发动机转速达到Spd＝600rpm，发动机喷油点火判断启动成功后，进入闭环怠速控制Ph3；
S3.在Ph3第三阶段，发动机喷油点火后，发动机输出转矩朝期望转矩缓慢逼近。为了防止与发动机自怠速控制起冲突，发动机喷油点火后整车控制单元HTCU始终向发动机控制器ECU发送5Nm的期望转矩；发电机EM2 扭矩开始下降，继续将发动机转速拉伸至Spd＝950rpm左右；发动机实际转速达到950rpm后，混动系统状态切换到Running。
其中：切换到Running后，提前加载的驱动电机EM1扭矩向0逼近，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿保证轮边扭矩为0；
驱动电机EM1的提前加载扭矩+发电机EM2拖转等效的补偿值+满足驾驶员的需求扭矩(0Nm)，作为最终的驱动电机EM1扭矩请求；
驱动电机EM1和发电机EM2响应扭矩＝停缸控制的扭矩+整车控制单元 HTCU的需求扭矩+防抖扭矩。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制系统，其特征在于：包括
整车控制单元HTCU，负责协调发动机、驱动电机EM1和发电机EM2的扭矩管理、发动机启停条件判断功能；
发动机控制单元ECU，负责采集高精度曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，并通过滤波解析后发送给发电机控制器MCU2用于停机角度控制；
发电机控制单元MCU2，负责在发动机启动过程接收整车控制单元HTCU控制指令，由发电机EM2拖动发动机启动，在停机过程，负责接收并处理发动机控制单元ECU反馈的曲轴位置信号和凸轮轴位置信号，用于识别发动机曲轴转角并通过扭矩控制将发动机倒拖到指定曲轴转角；
驱动电机控制单元MCU1，负责接收整车控制单元HTCU的驱动指令，进行扭矩加载或能量回收，在启动发动机时，负责响应整车控制单元HTCU进行扭矩预加载，同时进行电机防抖控制。
2.根据权利要求1所述的功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制系统，其特征在于：所述整车控制单元HTCU根据启停控制条件向电机控制器MCU1发送扭矩提前加载指令和停机控制指令。
3.一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，包括停机控制方法及启动控制方法；其特征在于：所述停机控制方法为：根据前期评估的发动机倒拖低速脉冲阻力矩对应角度，通过发电机EM2将发动机拖到指定曲轴转角以备下次起动，保证启动过程控制软件标定参数及发动机本体状态一致性。
4.根据权利要求3所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：所述停机控制方法具体包括以下步骤：
S1.在Ph1第一阶段：发动机扭矩卸载，驱动电机EM1进行扭矩补偿，满足驾驶员需求，当发动机实际扭矩降低到一定值后，进入Ph2第二阶段；
S2.在Ph2第二阶段：发动机自怠速控制，驱动电机EM1扭矩基于指数曲线提前加载，发电机EM2扭矩保持为0，驱动电机EM1扭矩加载到一定值后，进入Ph3第三阶段；
S3.在Ph3第三阶段：驱动电机EM1扭矩保持，发动机断油，发电机EM2以指数曲线开环扭矩拖转发动机，快速将发动机转速拉低，穿过共振点，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿；
S4.在Ph4第四阶段：发电机EM2进行PID闭环控制，防止发动机转速过冲，降发动机转速缓慢降低到spd＝100RPM后，进入停缸控制，在此期间，驱动电机EM1扭矩基于发电机EM2扭矩进行扭矩补偿；
S5.在Ph5第五阶段：进入停缸控制，发电机EM2进行停缸控制，驱动电机EM1进行扭矩补偿，停缸控制扭矩及补偿扭矩在电机控制器MCU2中执行。
5.根据权利要求4所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：在整个控制过程中，驱动电机EM1的提前加载扭矩+发电机EM2拖转等效的补偿值+满足驾驶员的需求扭矩，作为最终的驱动电机EM1扭矩请求；
驱动电机EM1提前加载扭矩的方向和档位相关，N/D档为正，P/R档为负值。
6.根据权利要求5所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：在S3中，发电机EM2的指数拖转曲线考虑基于角加速度实现，前馈角加速度和水温、发动机转速相关，做成指数曲线S型角加速度，基于转动惯量计算的发电机EM2扭矩按指数曲线加载。
7.根据权利要求6所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：在S5中，整车控制单元HTCU发送CAN指令告知电机控制器MCU2进入停缸控制模式；
停缸控制时，电机控制器MCU2自行完成发电机EM2停缸控制扭矩以及驱动电机EM1的扭矩补偿控制，驾驶员需求扭矩由整车控制单元HTCU控制驱动电机EM1完成；
电机控制器MCU2进行停缸控制时，电机控制器MCU2反馈停缸控制标志位置true，完成停缸控制后，反馈停缸控制标志位置false，表示停缸控制已经完成，整车控制单元HTCU接收到该完成信号后，切换到Stop状态；
切换到Stopped后，驱动电机EM1和发电机EM2的扭矩均为0。
8.根据权利要求3所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：所述启动控制方法：包括以下步骤：
S1.在Ph1第一阶段，驱动电机EM1扭矩基于指数曲线加载，发电机EM2扭矩保持为0，驱动电机EM1扭矩提前加载到一定值后，进入Ph2；
S2.在Ph2第二阶段，驱动电机EM1扭矩保持，发电机EM2以指数曲线扭矩拖转发动机，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿，发电机EM2达到一定值后保持，当发动机转速达到Spd＝300rpm后，发电机EM2扭矩下降到15Nm保持，发动机转速达到Spd＝600rpm，发动机喷油点火判断启动成功后，进入闭环怠速控制Ph3；
S3.在Ph3第三阶段，发动机喷油点火后，发动机输出转矩朝期望转矩缓慢逼近；发电机EM2扭矩开始下降，继续将发动机转速拉伸至Spd＝950rpm左右；发动机实际转速达到950rpm后，混动系统状态切换到Running。
9.根据权利要求8所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：切换到Running后，提前加载的驱动电机EM1扭矩向0逼近，同时驱动电机EM1进行扭矩补偿保证轮边扭矩为0。
10.根据权利要求9所述的一种功率分流式混动专用变速器的发动机启停控制方法，其特征在于：在整个控制过程中驱动电机EM1的提前加载扭矩+发电机EM2拖转等效的补偿值+满足驾驶员的需求扭矩，作为最终的驱动电机EM1扭矩请求；
驱动电机EM1和发电机EM2响应扭矩＝停缸控制的扭矩+整车控制单元HTCU的需求扭矩+防抖扭矩。
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CN115782882A (zh) * 2023-02-02 2023-03-14 苏州亚太精睿传动科技股份有限公司 功率分流式混动变速箱倒车控制方法、车辆及存储介质

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