混合协调方式

混合协调方式

混合协调方式 篇1

一、混合动力电动汽车的研究背景和动态协调问题产生的原因

从结构和功能方面, 混合动力系统可以分成“串联式混合动力系统”, “并联式混合动力系统”, “串并联式混合动力系统”和“复杂式混合动力系统”四类。

并联式混合动力系统存在两类核心的控制问题:一是稳态或动态过程中多个动力源的能量分配和效率优化;二是动态过程中多个机械动力源的相互配合协调工作。前者属于并联式混合动力系统能量管理策略的研究范畴, 能量管理策略是迄今为止并联式混合动力系统控制算法中研究的最为广泛的内容之一。而对后者的研究进展却鲜有报道, 尤其涉及到具体的控制方法。由于发动机与电动机动态特性存在明显不同:一是发动机转矩变化的时间常数明显大于电动机转矩变化的时间常数;二是发动机瞬态空燃比或者燃油喷射控制难度大, 并且控制得不佳容易造成发动机的转矩波动或者滞后) , 在状态切换过程中, 当发动机和电动机的目标转矩发生较大幅度变化时, 如果仍然只按照各自的目标值进行控制, 将使得发动机和电动机实际输出的转矩之和产生较大波动, 与需求的转矩产生较大的误差, 从而导致动力传递不平稳, 影响整车动力性能, 甚至恶化驾驶性能。所以使得当发动机和电动机目标转矩发生大幅度变化或者突变时, 必须进行动态协调控制。

二、动态协调控制问题国内外研究现状

对于发动机和电动机都可以提供驱动转矩的混合动力系统, 都不可避免地必须面对由状态切换引起的动态协调控制问题, 在现有的混合动力系统中, 只有具有混联式混合动力系统特征的丰田混合动力系统利用其特有的动力分配机构很好地解决了这一问题, 而其他混合动力系统是如何解决这一问题的具体方法尚未公开。丰田混合动力系统动态协调控制问题解决的最核心的技术是利用了精心设计的动力分配机构并配合其控制算法, 实现了对发动机转矩的反馈, 从而保证电动机转矩补偿的作用。然而, 其他类型不具备动力分配机构的混合动力系统是不可能用类似的方法获取发动机转矩的, 必须探索新的方法解决动态协调控制问题。因此, 丰田混合动力系统解决动态协调控制问题的方法具有特殊性, 而不具有普遍性。

2003年8月美国西南研究院A.Nedungadi等人对除丰田混合动力系统以外的混合动力系统 (并联式混合动力系统) 中的动态协调控制问题进行了研究。研究结果表明, 如果车速变化幅度不超过2mph, 驾驶员是感觉不到状态切换的;从发动机和电动机共同工作的状态切换至纯电动状态的转矩变化幅度最小, 而从纯电动状态切换至发动机和电动机共同工作的状态的转矩变化幅度最大。2004年清华大学童毅博士并联式混合动力系统动态协调控制问题进行了研究, 首次提出“动态协调控制”问题, 建立发动机转矩估计和电动机转矩补偿的控制算法, 利用了自行设计的MPC555的软硬件平台初步验证其控制算法, 但是其研究内容混合动力系统中发动机部分只针对汽油机, 武汉科技大学也进行了类似的研究。

三、动态协调控制问题策略研究

并联混合动力系统动态控制算法包括两方面的内容, 即发动机、电动机目标转矩的预分配和动态切换过程中的补偿控制。补偿控制算法中, 必须首先知道发动机的动态输出转矩, 才能算出电动机需补偿的转矩。归结起来, 并联混合动力系统动态控制算法可概括为“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制”。

(一) 转矩预分配策略。

转矩预分配策略属于混合动力系统的能量管理范畴。动态控制算法是以转矩波动不大为控制目标的, 因此需要对发动机的转矩、电动机的转矩及总的需求转矩等进行识别。转矩预分配研究主要包括两部分:一是确定总需求转矩;二是确定各工作模式下的目标转矩。鉴于逻辑门限控制策略的可靠性及较强的实现性, 本文利用发动机与电动机的稳态效率脉谱 (MAP) 、挡位及蓄电池荷电状态 (SOC) 等来制订转矩预分配策略。

(二) 并联混合动力汽车发动机的转矩估计。

如前所述, 动态协调控制的方法主要以发动机的实时转矩反馈为基础, 利用电动机的快速响应特性对发动机进行转矩补偿, 达到总需求转矩不产生大的波动的目的。实现这一控制的前提是混合动力控制系统能实时反馈发动机的转矩。一般的发动机本身不提供发动机的转矩反馈, 为达到混合动力系统动态控制的目的, 必须对发动机进行稳态和动态转矩估计。发动机的转矩估计方法目前主要有三种:基于发动机平均值模型、基于发动机曲轴瞬时转速波动和基于神经网络的转矩估计算法。

(三) 电动机转矩补偿控制策略。

并联混合动力汽车在实际运行过程中, 混合动力系统中汽油机及电动机的工作状态将发生变化。从汽油机和电动机对转矩控制指令响应能力的分析可以知道, 汽油机不能很好的按照转矩控制指令输出转矩, 可能出现转矩输出的不足或超调。汽油机不能很好响应其转矩控制器的操控指令, 而电动机能够很好响应其转矩控制器的操控指令, 跟随能力很好。通过对比可知, 电动机对控制指令的响应能力明显优于汽油机, 并且电动机能够近乎完全能够响应转矩控制指令, 即电动机能够按照动力总成控制器的转矩控制指令提供要求转矩。因此, 当并联混合动力系统中同时涉及到汽油机和电动机工作状态切换时, 可以利用电动机的这个优点来填补汽油机的相关缺点, 通过对并联混合动力系统进行转矩动态控制, 就有可能完成混合动力系统工作模式切换时对并联混合动力系统转矩输出的有效控制。因此, 电动机转矩补偿控制策略应用的目的是保证并联混合动力系统在其工作模式发生切换时的动力性以及动力传递的平稳性, 作用范围是不包括有机械制动器参与提供制动转矩的混合动力系统的其它所有切换过程。

四、结语

发动机稳态特性和动态特性存在较大差异, 使得并联混合动力电动汽车在状态切换过程中, 因发动机实际输出转矩与预分配的目标转矩存在差异而影响整车舒适性。为此, 本文对混合动力系统状态切换过程进行分析, 以切换过程中总需求转矩不发生大的波动为目标, 利用电动机响应快的特点, 提出了并联混合动力系统“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制”的动态控制算法。研究证明, 在各种状态切换过程中, 动态控制算法能有效控制混合动力系统的转矩波动, 保证动力传递的平稳性。

参考文献

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[4].A.Nedungadi et al, A Parallel Hybrid Powertrain-Design, A-nalysis, and Control, Sourceunknown

混合协调方式 篇2

并联式混合动力汽车通过动力耦合机构将发动机和电动机两动力源集成在一起,使得车辆具备多种工作模式,并能实现驱动模式之间的灵活切换。因此,整车能量管理策略的制定、车辆工作模式切换的平稳过渡控制成为了一项复杂的工作[1,2]。

目前,综合能量管理策略和协调控制算法已成为研究的重要方向。童毅等[3]对并联式混合动力汽车转矩管理策略和协调控制算法进行了研究,但只针对离合器接合、变速器在挡的情况,具有一定的局限性。古艳春等[4]采用了基于逻辑门限值的能量管理策略,并对混合动力汽车起步和换挡过程的扭矩协调控制策略进行了仿真研究。基于逻辑门限值的控制策略只凭借人的直观判断在发动机万有特性图上划分出工作模式区域,缺乏理论依据,没有真正实现控制的最优化。戴一凡等[5]采用了基于优化发动机效率曲线的能量管理策略,但只对纯电动行进中启动发动机过程的协调控制进行了研究。以上研究采用了简单的逻辑门限值控制策略,侧重于发动机局部最优,并且只对部分工作模式切换的协调控制进行了研究。

本文以系统效率最优为目标,对基于行星齿轮机构的新型并联式混合动力系统工作模式区域进行划分,并制定出相应的能量分配策略,同时,对驱动工况下不同类型工作模式之间切换的扭矩协调控制算法进行研究,以实现系统效率最优和模式切换过程动力传递的平稳性。

1 新型并联式混合动力系统结构

本文研究的新型并联式混合动力系统结构如图1所示。系统中发动机输出轴同时与单向离合器、湿式离合器主动盘、行星齿轮机构的齿圈相连,电机既可作为发电机又可作为电动机,电机转子与湿式离合器从动盘和行星齿轮机构的太阳轮相连,行星齿轮机构起动力合成与分解的作用,系统动力通过行星架输出,经变速器、主减速器传递至车轮。

1.发动机2.单向离合器3.湿式离合器4.ISG电机5.行星齿轮机构6.换挡离合器7.AMT变速器

通过控制动力源和离合器元件的工作状态,该混合动力系统可实现多种工作模式,如表1所示。可看出,该混合动力系统可实现两种联合驱动方式:联合驱动a是在湿式离合器接合情况下,发动机和电动机以扭矩合成方式输出动力;联合驱动b是在湿式离合器分离情况下,发动机和电动机以转速合成、扭矩成比例方式输出动力。

注:1表示动力源/执行元件处于工作状态,0表示动力源/执行元件处于不工作状态,-1表示电机处于发电状态。

2 基于系统效率最优的能量管理策略

2.1 基于系统效率最优的车辆工作模式区域划分

由于逻辑门限值控制策略的不足,本文从能量转化的角度,提出一种基于系统效率最优的混合动力工作模式区域划分方法,其核心思想是油电转换效率ηe_b和各工作模式下系统效率ηsys的计算。

本文将油电转换效率ηe_b定义为行车充电工况下充入到电池的电能Pb与发动机用于充电所消耗的燃料化学能P′e-Pe之比:

式中,Pb为存储到电池的电能;P′e为行车充电工况所消耗的化学能;Pe为相同需求转矩和转速下发动机单独驱动所消耗的化学能;ng、Tg分别为发电机转速和转矩;ne、Te分别为发动机转速和转矩;Treq为变速器输入端的需求转矩;ηe为发动机驱动下的发动机效率;η′e为行车充电工况下的发动机效率;ηg为电机发电效率;ηchar为电池充电效率。

在已知需求转矩、转速情况下,在工作区域内寻求最优的发电机转矩,使得油电转化效率最高,并将油电转化效率值较高的区域确定为行车充电区域。

其次,在已知需求转矩、转速的条件下,分别计算混合动力系统在纯电动驱动、发动机单独驱动、联合驱动a和联合驱动b工作模式下的系统效率。将系统效率定义为需求功率Preq与系统总功率Pb/ηe-b+P′e之比:

式中,Preq为整车需求功率;P′e为联合驱动工况下发动机所消耗的功率,当P′e=0时对应于纯电动工作模式;nc为变速器输入端的需求转速;nm、Tm分别为电动机转速和转矩;ηm为电动机效率;ηdis为电池放电效率;n′e、T′e分别为联合驱动工况下发动机的转速和转矩;η′e为联合驱动工况下的发动机效率。

将计算所得的各工作模式下的系统效率曲面进行比较,并在转速转矩平面上投影,从而划分出混合动力系统各个工作模式的最优工作区域,如图2所示。图中,n1、T1分别为纯电动区域转速上限和转矩上限,T2为行车充电区域扭矩上限,T3为发动机单独驱动区域扭矩上限,n2为联合驱动a区域转速上限。

2.2 能量分配策略

根据图2中基于系统效率最优的工作模式区域划分,制定出混合动力系统各工作模式区域的边界条件以及动力源能量分配策略,如表2所示。表2中,SOC、SOClow、SOChigh分别为蓄电池的荷电量、最低荷电量、最高荷电量;β为齿圈与太阳轮齿数比;Tef为发动机启动阻力矩。

3 模式切换协调控制算法

为满足整车动力性、经济性的要求,混合动力系统工作模式会随着车辆行驶状态变化而变化,存在着各模式之间的切换。混合动力系统模式切换可能引起发动机和电机转速转矩的大幅度变化,然而由于发动机和电机具有不同的动态特性,在从当前扭矩向目标扭矩变化的过程中,若不能很好地跟随目标扭矩,就会引起输出扭矩产生大的波动[6]。除此之外,湿式离合器接合或分离引起行星齿轮机构自由度发生变化,也会造成输出转速转矩的波动,影响整车行驶的平稳性。因此,需要对两动力源和湿式离合器进行协调控制。限于篇幅,本文重点对驱动工况下各工作模式切换的协调控制问题进行研究。

3.1 模式切换分类

根据新型并联式混合动力系统的结构形式、模式切换的相似性以及工作模式区域划分,可将各种工作模式之间的切换分成三类,如图3所示。

在图3中,编号(1)表示第一类模式切换,包括纯电动$(发动机单独驱动/联合驱动a/行车充电),该类模式切换的特点是存在发动机启动、湿式离合器接合的动态过程。

编号(2)表示第二类模式切换,包括联合驱动联合驱动b、发动机单独驱动%联合驱动b。该类模式切换的特点是发动机正常工作,存在湿式离合器接合或分离的动态过程。

编号(3)表示第三类模式切换,包括发动机驱动联合驱动a、联合驱动行车充电、发动机驱动行车充电。该类模式切换的特点是发动机正常工作,湿式离合器处于接合状态。

3.2 协调控制算法

3.2.1 第一类模式切换过程协调控制算法

由于混合动力系统结构的限制,从纯电动切换至有发动机参与工作的模式过程中,包括了电机启动发动机的中间过程。电动机一部分扭矩经行星齿轮机构输出,维持车辆行驶;另一部分扭矩通过湿式离合器的接合,提供发动机启动所需转矩。要求在0.4s内将发动转速拖动至点火转速800r/min以上,并完成发动机启动。该过程中需要对湿式离合器传递的扭矩和电机扭矩进行协调控制,以保证发动机启动时不会对车辆正常行驶造成过大的冲击。

当离合器结构参数确定以后,湿式离合器传递的扭矩主要取决于离合器的工作压力。由于离合器接合过程有很强的非线性,很难用准确的数学模型来表达,因而设计模糊控制器来控制湿式离合器的接合压力[7,8],模糊控制器结构如图4所示。

图4中,离合器压力控制过程分为两个阶段。第一阶段是确定接合初始压力,以驾驶员加速踏板行程α以及加速踏板行程变化率为模糊控制器输入量,离合器油压增量Δp为模糊控制器输出量,与离合器预设初始油压po相加,可得到离合器初始接合压力pb=Δp+po。第二阶段是对离合器接合过程的油压变化率进行控制,以加速踏板行程变化率α·、离合器主从动盘转速差的绝对值|Δω|为模糊控制器输入量,离合器接合压力变化率为输出控制量,离合器油压。

从而,离合器传递转矩的计算公式为

式中,μ为摩擦片的摩擦因数;z为离合器的摩擦面数;Ap为活塞作用面积;pin为油缸控制压力;pbase为回位弹簧压力;Rm为摩擦片的等效摩擦半径;Ri、Ro分别为离合器片的内外半径;ωe、ωm分别为发动机和电动机的角速度。

该类模式切换过程中,除了对离合器接合压力进行控制外,同时还需要对电机扭矩进行控制。电机的目标扭矩与驾驶员需求扭矩、离合器传递扭矩和发动机阻力矩有关,在电机启动发动机的不同阶段,电机的目标扭矩值有所不同,具体如下:

(1)当车辆纯电动行驶时,发动机与其固接的行星齿轮内齿圈由于单向离合器的作用而锁止,电机扭矩通过与其固接的太阳轮经行星架输出以驱动车辆行驶。此时,电机目标扭矩为

式中,Tm_tar为电机目标扭矩;Jm为电机等效转动惯量。

(2)当控制器发出模式切换指令后,离合器开始接合,其接合初始阶段传递的扭矩Tcl小于发动机的启动阻力矩Tef,发动机不转。此阶段电机扭矩增加,其目标扭矩为

式中,Tm_max为电机最大扭矩;Je为发动机的等效转动惯量。

(3)当Tcl≥Tef时,发动机开始启动,离合器压力继续上升,电机扭矩相应增大,其目标扭矩值为

式中,ωc为变速器输入轴角速度。

(4)当发动机转速ne>800r/min时,发动机点火启动,但此时发动机输出扭矩比较小,采用电机进行扭矩补偿,其补偿扭矩为

(5)当|ne-nm|<50r/min时,离合器快速接合,电机和发动机以扭矩合成方式输出动力,电机目标扭矩为

当离合器完全接合,发动机运行平稳以后,根据需求扭矩确定电机的工作状态。

3.2.2 第二类模式切换过程协调控制算法

在第二类模式切换中,联合驱动联合驱动b、发动机单独驱动联合驱动b的模式切换中应快速分离离合器,避免滑摩损失。在发动机和电机两动力源向各自的目标状态过渡的过程中,可利用发动机、电机和变速器输入轴三者之间的转速关系,并结合电机和需求扭矩的关系,控制电机转矩以保证变速器输入端扭矩平稳过渡,具体步骤如下:

(1)根据系统效率最优确定发动机目标转速。

(2)由发动机目标转速和变速器输入端转速确定电机目标转速:

(3)调节电机转矩,以满足需求扭矩:

联合驱动b$联合驱动联合驱动发动机单独驱动的模式切换包括了离合器接合动态过程,仍采用模糊控制器控制离合器接合压力。发动机和电机扭矩变化与第一类模式切换过程中发动机启动以后的相似,这里不再赘述。

3.2.3 第三类模式切换过程协调控制算法

此类模式切换过程中离合器处于接合状态,如果将发动机和电机看作一整体,发动机和电机转矩的变化只是系统动力源的内部分配协调过程。由于发动机动态响应较慢、难以控制,电机响应较快、易于控制,故可直接利用电机对发动机转矩进行实时补偿,以减小因发动机转矩变化过大而引起的转矩波动。

该类模式切换过程的协调控制算法如图5所示,当需要进行模式切换时,发动机按照限制了的节气门变化率从当前节气门开度变化到目标节气门开度,经发动机转速估计出发动机转矩值,将该值与驾驶员需求转矩进行比较,其差值由电机转矩实时补偿。

该协调控制算法能够实现的关键在于发动机实时转矩的准确估计,由于模式切换过程时间短,车速几乎不变,当发动机节气门开度变化率小于100%时,采用发动机稳态输出特性在时间上进行一定延时的方法估计发动机动态转矩,具有较高的估计精度[9]。这样就把发动机的动态过程变成一系列准静态过程,便于发动机转矩估计。

3.3 模式切换控制流程

根据以上制定的能量管理策略和模式切换协调控制算法,归纳出新型并联式混合动力汽车协调控制策略总体流程,如图6所示,图中,Td为驱动需求转矩;Tb为制动需求转矩。

4 仿真及结果分析

为了验证本文所提出的协调控制策略,在MATLAB/Simulink和MATLAB/Stateflow平台上建立了前向式混合动力系统动态仿真模型,对混合动力系统进行了驱动工况下的仿真分析。

图7和图8所示分别为采用协调控制策略和未采用协调控制策略的仿真结果。图7、图8中,j为冲击度,即汽车行驶过程中纵向加速度a的变化率,j=da/dt。可以看出,混合动力系统工作模式先后经历了纯电动行进中启动发动机发动机驱动行车充电联合驱动联合驱动发动机驱动的变化过程。

由图7和图8可以看出,在稳态工况下,输出扭矩都很好地跟随了驾驶员需求扭矩,而在模式切换动态过程中,区别则比较明显。在第一、二类各个模式切换过程中,图7中变速器输入扭矩Tc波动幅度值比图8中的小,说明采用了模糊控制对离合器接合进行控制,离合器接合过程更平稳,制定的扭矩协调控制策略能实现模式切换过程中动力传递的平稳过渡。在第三类模式切换过程中,当发动机扭矩发生突变时,发动机的扭矩变化受到一定的限制,变化缓慢,同时电机实时地对发动机扭矩进行补偿,能够较好地跟随驾驶员需求扭矩,减小了输出扭矩波动。而没有采用协调控制策略时,在动力源向目标值变化过程中发生突变,输出扭矩产生了较大幅度的波动,影响了整车行驶的平顺性。

根据驱动工况下的仿真结果,选择模式切换过程的扭矩波动幅值和冲击度作为协调控制效果好坏的评价指标[6],如表3所示。从表中的扭矩波动幅值和冲击度的对比可以看出,在相同类型的模式切换过程中,有协调控制的模式切换过程的转矩波动幅值和冲击度均比无协调控制的模式切换过程的转矩波动幅值和冲击度要小,说明本文提出的协调控制策略能有效提高模式切换过程的平顺性,减小输出扭矩的波动。

5 结论

(1)提出了基于系统效率最优的能量分配策略,对混合动力系统工作模式区域进行了划分,与传统开关门限值控制策略相比,以理论计算为依据的工作模式划分更细。

(2)根据新型混合动力系统的结构特点和模式切换过程的相似性,将混合动力系统模式切换分为三类,并针对每类模式切换过程提出了相应的扭矩协调控制算法。

(3)进行了驱动工况下各工作模式切换的仿真分析,结果表明,本文所设计的模式切换协调控制算法可有效提高该新型混合动力汽车模式切换过程中动力传递的平稳性。

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