QT-V3-D00-2013-9010 单电机双离合器并联式混合动力车辆的离合器与电机的综合控制系统研发

离合器-1 经过改装，在手动变速箱用的离合器上安装 够允许的范围时，发动机就会起动。发动机起动时，
了行程传感器和根据液压运作的行程执行器，改装后， 先是加大离合器-2 的滑动旋转量，使得发动机起动带
可以根据行程位置来控制接合容量。
来的力矩变动难以传到车身，同时增加离合器-1 的接
另外，如图 2 所示，该综合控制系统由数个控制 合容量，起动发动机。这时，如果离合器-1 的接合容
特集 支持高机能化的控制与状态检测技术
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单电机双离合器并联式混合动力车辆的
离合器与电机的综合控制系统研发*
安达和孝 1) 野村幸代 2) 芦泽裕之 3) 本杉纯 4) 加藤裕介 5)
In a hybrid vehicle with a one-motor two-clutch parallel hybrid system, a challenging problem is to prevent the torque variation caused by starting the engine transmitting driving torque to the drive wheels in the motor-drive mode. To solve this problem, a control system for each clutch and a motor control system that switches between torque control and speed control were developed. This integrated control system that controls both clutches and the motor achieves smooth vehicle acceleration during engine start while the vehicle is running.
从普通的 7 档自动变速箱中取出液力变矩器，在空出 来的位置中组装干式单片离合器-1 和三相交流同步电 机。另外，离合器-2 使用自动变速箱中的变速用离合 器，以达到与普通自动变速箱共用零件的目的。
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单电机双离合器并联式混合动力车辆的，离合器与电机的综合控制系统研发*
针对这些问题，我们构建了离合器-1 的控制系统 （图 6），把控制行程的部分(5)与控制离合器接合容量 的部分(6)进行串联，形成一个分层结构。控制行程的部 分利用行程位置信号作为反馈，来补偿滞后与弹性力 的非线性特征。控制离合器接合容量的部分利用发动 机转速作为反馈信号，来抑制行程与接合容量特性的 变动所带来的影响。接下来，将对每一个控制部分进 行详细的说明。
为了解决这些问题，我们开发出了由以下三个系 统构成的发动机起动综合控制系统。即，发动机与电 机之间的干式离合器（离合器-1）；自动变速箱内的变 速用离合器（离合器-2）的容量控制系统；驱动电机 的转速控制系统。本文将通过实验结果来介绍该综合 控制系统的有效性。
2 发动机起动综合控制系统 2.1 混合动力系统 图 1 是这次研发的单电机双离合器混合动力系统。
为了实现发动机起动综合控制运算，有两点控制
的驱动力一致的离合器-2 接合容量。这时，离合器-2 技术很重要。
的滑移如果过大，就会影响耐久性与油耗性能，所以 ① 控制发动机起动所需的离合器-1 接合容量
保持适度的滑动转速是非常重要的。根据转速传感器 ② 通过离合器-2 与电机承担的滑动控制，来达到完美
片离合器改良而来的（图 4），为了设计离合器接合容 量控制系统，我们进行了相关的静态特性调查。图 5 是表示调查到的行程位置与液压（弹性反作用力）特 性，以及行程位置与离合器接合容量的特性。关于行 程位置与液压的特性，可以看出，巨大的滞后和行程 位置与液压的关系呈现出一种由正变化率到负变化率 的非线性特征。另外，还要考虑到生产时产生的偏差 和经历长时间后的变化，特别是当行程位置和离合器 接合容量的特性发生变化时，该系统将无法直接检测 出接合容量。所以，单单依靠根据行程位置算出接合 容量指令值的方法，无法恰当地分配起动发动机所需 的电机力矩。
位置控制
发动机
HEV
点火 行驶模式
离合器容量控制 位置控制
完全释放
驱动轮转速 （转换为离合器-2 输出转速） 电机转速 发动机转速
完全接合
转速
离合器-1 保持在打开位置， 离合器-2 略微打滑
离合器-1 控制离合器容量， 离合器-2 继续滑动
时间离合器-1 和离合 器-2 完全接合
图 3 发动机起动综合控制方案的时间波形图
其中， IE 表示与发动机起动相关的惯性 cE 表示与发动机起动相关的粘性系数 ωE 表示起动时的发动机转速 tC1 表示离合器-1 的接合容量 如图 8 所示，如果参考公式 5 的关系来组装一个
干扰检测器(7)，就能够利用发动机转速来补偿离合器-1 的接合容量特性的波动。假设用干扰 dC1 来表示波动与 参数变动，从干扰到发动机转速 ωE（输出）的传递特 性就能够用下面的公式表示。
接下来，将滤波器 HC1 的传递函数选定为增益 1， 在时间无限大的情况下就一定能除去干扰 dC1 的影响。 另外，在不影响稳定性的范围内，加快滤波器 HC1 的 响应性，就能增强抗干扰性能。
参考模型
反馈补偿器
行程位置 控制对象
图 7 离合器-1 行程控制部分的方框图
4 离合器-2 控制系统 4.1 离合器-2 的系统结构 如图 9 所示，离合器-2 运用了 AT 的变速用湿式
EV 动力传动系统研发部控制技术研发小组 Email: k-adachi@mail.nissan.co.jp
① 既能够节省燃料，又能够提高动力性能 ② 通过简单的系统构成，避免混合动力化带来的车辆
质量增加 ③ 与内燃机中使用的普通自动变速箱共用零部件，降
低成本 但是该系统也存在以下有待解决的问题。由于是依靠 单个电机行驶以及起动发动机，在单靠电机（下称 EV） 行驶的阶段起动发动机，容易发生会让乘员感觉不适 的加速不良、震动、耸动等问题。
图 3 是时间图，表示同时利用一个电机与两个离 车辆会伴随发动机起动产生令人不适的震动。由上述
合器，来避免在 EV 行驶中起动发动机而给驾驶员带 内容可知，在该混合动力系统中，离合器-1、离合器-2
来不适的控制过程。车辆从停止状态通过电机起动， 与电机的控制性能都会直接影响到车辆的性能。
在 EV 行驶中使离合器-2 滑动，调节到与驾驶员要求
前馈补偿器
但是，
在反馈补偿器 GBS1 中，控制对象根据行程位置的 变化而变化，所以也把控制系数设计为根据行程位置 而变化。行程控制部分表示为图 7 所示的方框图。
3.3 离合器-1 的接合容量控制部分 要直接测出离合器的接合容量是很难的，所以我 们对通过发动机转速来补偿接合容量的特性波动这个 方法进行了分析。考虑到离合器-1 是没有完全接合的， 所以接合容量与发动机转速的关系如公式 5 所示。
单元构成。各控制单元之间的信息传递由 CAN 总线通 量过小，就会导致发动机转速不容易上升，发动机起
信来完成。混合动力控制单元负责演算每个控制单元 动的时间就会变长，无法得到驾驶员想要的加速效果。
的指令值。
反过来，如果离合器-1 的接合容量过大，就会超过电
2.2 发动机起动综合控制运算法则
机的最大输出功率，无法维持离合器-2 的滑动旋转，
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指令 发生器
行程位置 控制系统
发动机转速 控制系统
AT 控制单元 液压
控制系统
电机
离合器-1 发动机
离合器-1 控制系统 混合动力控制Βιβλιοθήκη 元混合动力装置行程位置
图 6 离合器-1 控制系统的方框图
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离合器-1 控制单元 （混合动力控制单元）
液压 指令
离合器机械部分
离合器从动盘 飞轮
CAN 通信总线
液压控制系统 （AT 控制单元）
电流 液压机械部分
压力 控制阀
机油泵
弹性力（N） （液压）
弹性力与 行程位置增加
稳定区域
弹性力减小、 行程位置增加
组成的混合动力系统的研究与开发(1)(2)一直很盛行。但 是从普通车辆的现状来看，比起中小型级别以下的环 保车，被称为豪华级别的大型车辆还并没有能大幅度 降低油耗。因此，我们进行了单电机双离合器并联式 混合动力系统的研发。该系统去掉了 FR 型车辆（发动 机前置、后轮驱动）的多级自动变速箱（以下简称为 AT）中的液力变矩器，在空出来的位置中插入驱动用 的电机与干式离合器，并灵活运用 AT 的变速离合器。
该混合动力系统从发动机或驱动电机到轮胎的动 力传输效率非常出色，不仅可以帮助减少耗油，还能 有效提高响应性能。另外，驱动电机的电源来自高压 蓄电池。其采用高分子锂离子电池，能够快速提供高 电力输入与输出，高效地进行车辆减速的能量回收。 综上所述，该混合动力系统有以下优点。
* 2011 年 11 月 30 日受理 1)、2)、3)、4)、5) 日产汽车(股) EV 技术总部
Key words: (Standardized) Electronics and Control, Electric Vehicle and Hybrid Electric Vehicle Control, Control System/Software
1 序言 以减少耗油量为目的，对于由内燃机与驱动电机
3.2 离合器-1 的行程控制部分 行程控制系统的控制对象，表示为公式 1，即机械 系的弹力与质量模型。但是对于滞后性，我们不用数 学公式，而是通过在反馈控制系统中表现积分特性来 表示。