嚴(yán)運(yùn)兵 顏伏伍 杜常清

1.武漢科技大學(xué),武漢,430081 2.武漢理工大學(xué),武漢,430070

0 引言

根據(jù)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力與汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組合位置的不同,并聯(lián)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可分為單軸聯(lián)合式、雙軸聯(lián)合式和單驅(qū)動(dòng)系聯(lián)合式等3種基本形式,這3種基本形式的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、純電動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)這3種驅(qū)動(dòng)模式。此外,在特定情況下混合動(dòng)力系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的行車充電模式以及減速制動(dòng)狀態(tài)下的再生制動(dòng)(能量回饋)模式[1-2]。根據(jù)路況,并聯(lián)混合動(dòng)力汽車在工作過(guò)程中選擇其工作模式并進(jìn)行能量分配,完成工作模式的切換。

按照時(shí)間尺度和系統(tǒng)響應(yīng)特性,可以將混合動(dòng)力汽車的控制問(wèn)題分為兩類[3]:①在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中多個(gè)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)矩分配(也可以是功率分配)與效率優(yōu)化問(wèn)題,主要根據(jù)兩動(dòng)力源的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行控制,屬于能量管理的研究范疇;②狀態(tài)切換過(guò)程中動(dòng)力源間的相互配合問(wèn)題,屬于動(dòng)態(tài)控制的研究范疇,這一問(wèn)題還涉及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)反饋。

多年來(lái),雖然對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的能量管理研究較多,但都主要集中在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過(guò)程中多個(gè)動(dòng)力源的能量分配和效率優(yōu)化方面[4-8],對(duì)控制策略中涉及混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式切換過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的研究相對(duì)較少。事實(shí)上,在狀態(tài)切換過(guò)程這一很短的時(shí)間內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的油門開(kāi)度發(fā)生急劇變化,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等輸出由于其響應(yīng)滯后于油門開(kāi)度的變化而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性,動(dòng)態(tài)特性相對(duì)穩(wěn)態(tài)特性有較大滯后,使輸出轉(zhuǎn)矩不足或出現(xiàn)超調(diào);電動(dòng)機(jī)則能迅速響應(yīng)油門開(kāi)度的變化而呈現(xiàn)出與穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎相同的動(dòng)態(tài)特性[9]。這樣,如果仍然根據(jù)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行能量分配,勢(shì)必因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)的差別而造成總需求轉(zhuǎn)矩在狀態(tài)切換前后出現(xiàn)較大波動(dòng),影響整車的舒適性?？梢?jiàn),在狀態(tài)切換過(guò)程中,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制是必須的。

動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵在于控制切換過(guò)程中總需求轉(zhuǎn)矩(即發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之和)的波動(dòng)幅度,控制方法主要是以發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩反饋為基礎(chǔ),利用電機(jī)的快速響應(yīng)特性進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,達(dá)到總需求轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生大的波動(dòng)從而提高舒適性的目的。日本豐田公司的Prius混合動(dòng)力汽車?yán)闷涮赜械膭?dòng)力分配機(jī)構(gòu)很好地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題,但該技術(shù)只適用于具備動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng),不具普適性[10]。為此,需要提出新的具有較大范圍適應(yīng)性的動(dòng)態(tài)控制策略。

1 混合動(dòng)力汽車的運(yùn)行狀態(tài)分析及控制算法的提出

以圖1所示單軸并聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)為本文控制算法的研究對(duì)象。在該混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)中,電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共軸,由此決定了電動(dòng)機(jī)的三種工作狀態(tài):空轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)。其控制也相對(duì)簡(jiǎn)單,只是對(duì)電子油門的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行控制,控制比較迅速。而要過(guò)渡到發(fā)動(dòng)機(jī)工作或發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉狀態(tài),則存在發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和停機(jī)問(wèn)題,在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中還存在離合器接合與分離的問(wèn)題,在此將這一問(wèn)題統(tǒng)稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速。相應(yīng)地,混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制算法中應(yīng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

表1為圖1所示結(jié)構(gòu)可能的5種運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)道路負(fù)載的大小,混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可能在純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、行車充電、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、能量回饋5種目標(biāo)狀態(tài)間相互切換。在任一運(yùn)行狀態(tài)下,混合動(dòng)力系統(tǒng)的多能源總成控制器根據(jù)駕駛員的加速踏板開(kāi)度確定出整車的需求轉(zhuǎn)矩,并將這一需求轉(zhuǎn)矩合理地分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī),在此稱之為預(yù)分配。

以整車運(yùn)行狀態(tài)從純電動(dòng)切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為例分析狀態(tài)切換過(guò)程。切換前,假設(shè)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為60N˙m,切換時(shí)電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩需要由60N˙m快速變?yōu)?,發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩需要由0很快達(dá)到電動(dòng)機(jī)切換前的轉(zhuǎn)矩60N˙m,這樣才不至于引起總目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。在這一切換過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)為了及時(shí)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,其節(jié)氣門開(kāi)度會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)快速增大到發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門開(kāi)度。由此可知,發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開(kāi)度變化過(guò)程中,輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)際上不可能快速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,這樣會(huì)引起狀態(tài)切換過(guò)程中總目標(biāo)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng),進(jìn)而造成整車的沖擊,影響舒適性。與發(fā)動(dòng)機(jī)存在響應(yīng)滯后不同,電動(dòng)機(jī)能很快響應(yīng)電子油門,輸出其目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,如果在切換過(guò)程中能由電動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩差值補(bǔ)償?shù)娇偰繕?biāo)轉(zhuǎn)矩中去,則總的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩可保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn),在狀態(tài)切換階段,首先需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩預(yù)分配,確定兩者的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)狀態(tài)切換過(guò)程中出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與預(yù)分配轉(zhuǎn)矩的偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。由此,補(bǔ)償控制也就被包括在混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制算法中。

綜上所述,并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制算法包括兩方面的內(nèi)容,即發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的預(yù)分配和動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中的補(bǔ)償控制。補(bǔ)償控制算法中,必須首先知道發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩,才能算出電動(dòng)機(jī)需補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩,這正是上述發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)問(wèn)題。歸結(jié)起來(lái),并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制算法可概括為“轉(zhuǎn)矩預(yù)分配+發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制”。其中,由于發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制只在部分工況下發(fā)生,故一般工況下動(dòng)態(tài)控制基本的算法是“轉(zhuǎn)矩預(yù)分配+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制”。發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制因發(fā)動(dòng)機(jī)頻域特性較為復(fù)雜,仿真很難達(dá)到預(yù)期效果,需進(jìn)行大量調(diào)速試驗(yàn)研究,故本文不涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速仿真。

2 轉(zhuǎn)矩預(yù)分配策略

轉(zhuǎn)矩預(yù)分配策略屬于混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理范疇。動(dòng)態(tài)控制算法是以轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不大為控制目標(biāo)的,因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及總的需求轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行識(shí)別。

轉(zhuǎn)矩預(yù)分配研究主要包括兩部分:①確定總需求轉(zhuǎn)矩;②確定各工作模式下的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。鑒于邏輯門限控制策略的可靠性及較強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)性,本文利用發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)效率脈譜(MAP)、擋位及蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)等來(lái)制訂轉(zhuǎn)矩預(yù)分配策略。

3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩估計(jì)

如前所述,動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的方法主要以發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩反饋為基礎(chǔ),利用電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,達(dá)到總需求轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生大的波動(dòng)的目的。實(shí)現(xiàn)這一控制的前提是混合動(dòng)力控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反饋發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一般的發(fā)動(dòng)機(jī)本身不提供發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩反饋,為達(dá)到混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制的目的,必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩估計(jì)方法目前主要有三種:基于發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型、基于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩估計(jì)算法[3]。本研究通過(guò)AVL動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性的估計(jì)。圖2、圖3所示分別為經(jīng)訓(xùn)練得到的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)網(wǎng)絡(luò)和油門開(kāi)度變化率在dα/dt=100%s—1時(shí)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)網(wǎng)絡(luò)。

4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制策略

在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)矩預(yù)分配策略按照汽車駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求預(yù)先確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,以使汽車按照駕駛員意圖運(yùn)行。在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式不斷變化的過(guò)程中,可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的突變,造成動(dòng)力源動(dòng)力輸出不足或超調(diào),同時(shí)可能引起傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞不平穩(wěn),需要進(jìn)行電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償控制。當(dāng)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換時(shí),可以充分利用電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩控制指令迅速響應(yīng)的特性來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)程度。這樣就構(gòu)成了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略的基本結(jié)構(gòu),如圖4所示。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Te是按照當(dāng)前狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)效率MAP圖確定的,因此目標(biāo)轉(zhuǎn)矩是發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩,也就是說(shuō)分配給發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是多能源控制總成預(yù)分配的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)該轉(zhuǎn)矩,多能源總成控制器給發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制器發(fā)送指令,通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度來(lái)輸出轉(zhuǎn)矩,這一節(jié)氣門開(kāi)度指令是由節(jié)氣門開(kāi)度計(jì)算模塊計(jì)算確定的。根據(jù)預(yù)分配轉(zhuǎn)矩,節(jié)氣門開(kāi)度模塊計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)需開(kāi)啟的節(jié)氣門開(kāi)度;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)模型根據(jù)這一節(jié)氣門開(kāi)度估計(jì)出當(dāng)前狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩。若發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)下為穩(wěn)態(tài),則輸出轉(zhuǎn)矩為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩(即目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Te);若發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)下為動(dòng)態(tài),則對(duì)應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Te_d。穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度變化率的大小來(lái)判斷的,一般情況下,節(jié)氣門開(kāi)度變化率小于25%s—1時(shí)即認(rèn)為是穩(wěn)態(tài),否則為動(dòng)態(tài)。

為了滿足總需求轉(zhuǎn)矩即變速器輸入端轉(zhuǎn)矩Treq的需求,此時(shí)需要電動(dòng)機(jī)輸出剩余的轉(zhuǎn)矩需求,即對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際需求轉(zhuǎn)矩應(yīng)該為Tm_d:

這樣就可以充分利用電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且任何狀態(tài)下零排放的特點(diǎn),來(lái)保證并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)下效率最優(yōu)而排放較低,并且彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)延遲導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩輸出不足或超調(diào)的缺點(diǎn)。

5 動(dòng)態(tài)控制基本算法仿真

根據(jù)算法研究的需要,本文應(yīng)用MAT LAB/Simulink編制了整車仿真模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了定工況和全工況仿真研究。

5.1 定工況仿真

在定工況過(guò)程中,并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是預(yù)先設(shè)定的,即發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)給定,不需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩預(yù)分配策略對(duì)兩者的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行確定。對(duì)采用轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略和不采用轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略的有關(guān)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,考察轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略在特定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的控制效果。定工況研究就是為了在特定工況中具體考察并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出的情況。本文僅以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切換為純電動(dòng)的過(guò)程為例進(jìn)行說(shuō)明,假設(shè)切換前后傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比為1,駕駛員對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求總轉(zhuǎn)矩維持在45N˙m,則切換前后發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化情況如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切換為純電動(dòng)前后發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的變化情況

圖5、圖6所示分別為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式向純電動(dòng)模式切換過(guò)程中不采用動(dòng)態(tài)控制算法和采用動(dòng)態(tài)控制算法得到的結(jié)果。如圖所示,t=8s時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式發(fā)生了切換。比較圖5、圖6可看出,不采用動(dòng)態(tài)控制算法時(shí),動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際輸出總轉(zhuǎn)矩在狀態(tài)切換瞬間出現(xiàn)了很大的波動(dòng)(圖5a),進(jìn)而使得加速度出現(xiàn)了大的波動(dòng)(圖5c),這樣勢(shì)必影響整車舒適性;而采用動(dòng)態(tài)控制算法時(shí),盡管動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際輸出總轉(zhuǎn)矩在切換瞬間也出現(xiàn)波動(dòng),但波動(dòng)很小(圖6a),加速度也波動(dòng)不大(圖6c),整車舒適性較好。

沒(méi)有轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制時(shí)(圖5),在系統(tǒng)發(fā)出狀態(tài)切換指令后,電動(dòng)機(jī)即刻停機(jī),輸出轉(zhuǎn)矩由45 N˙m驟減到0(圖5b),同時(shí)要求發(fā)動(dòng)機(jī)能及時(shí)輸出同樣的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩45N˙m,但由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)節(jié)氣門信號(hào)響應(yīng)滯后,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩不能跟蹤其目標(biāo)轉(zhuǎn)矩45N˙m,動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際輸出的總轉(zhuǎn)矩不能滿足駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求,出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象,汽車加速度也隨之急劇減小而產(chǎn)生較大的沖擊,影響汽車動(dòng)力傳遞的平穩(wěn)性。

采用轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制時(shí)(圖6),系統(tǒng)接到切換指令后,發(fā)動(dòng)機(jī)接到45N˙m的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令,但發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩不能即刻達(dá)到45N˙m,只能由0逐漸增大到45N˙m;另一方面,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也沒(méi)有直接由45N˙m減到0,而是利用其對(duì)控制指令響應(yīng)的迅速性,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出情況,逐漸遞減到0(圖6b),從而保證了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之和(即動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際輸出的總轉(zhuǎn)矩)能夠較好滿足駕駛員轉(zhuǎn)矩的需求,使得在工作模式發(fā)生切換的過(guò)程中汽車加速度變化比較平穩(wěn)?？梢?jiàn),在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)定工況工作模式切換過(guò)程中轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略較好地保證了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力性的要求,同時(shí)也可以保證動(dòng)力傳遞平穩(wěn)。

5.2 全工況仿真

全工況仿真是指對(duì)駕駛員模塊中輸入踏板行程參數(shù)后,隨踏板行程、車速以及蓄電池SOC值等參數(shù)的變化,并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)歷若干個(gè)連續(xù)狀態(tài)變化的過(guò)程進(jìn)行仿真。在全工況仿真過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩按照混合動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩管理策略確定,并相應(yīng)地確定混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行模式;轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略應(yīng)能保證在混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換的過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之和(即變速器輸入轉(zhuǎn)矩)滿足駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)矩的需求,并保證轉(zhuǎn)矩傳遞平穩(wěn)。全工況仿真包括加速過(guò)程和減速過(guò)程,本文僅以加速過(guò)程的全工況仿真進(jìn)行說(shuō)明。圖7和圖8分別示出了不采用轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略和采用轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略時(shí)的仿真結(jié)果。駕駛員加速踏板的行程在第2s時(shí)以30%s—1的變化率增大,在5.33s時(shí)行程達(dá)到最大。隨著踏板行程的持續(xù)增大,混合動(dòng)力汽車的工作狀態(tài)在4.67s時(shí)由純電動(dòng)切換為發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。

由圖7a、圖8a可看出,除變速器換擋期間發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有差別外,其他期間轉(zhuǎn)速曲線差別不大,這是因并聯(lián)混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)速存在1∶1的關(guān)系,使發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相等。

圖7b和圖8b、圖7c和圖8c反映了車速和整車加速度的變化情況。由于采用了轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制,在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換的第4.67s時(shí)刻,圖8b的車速曲線比圖7b的車速曲線相應(yīng)部分平滑。這是由于在混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式切換時(shí),電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有效地彌補(bǔ)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的不足,因而使得圖8c中的汽車加速度曲線在第4.67s時(shí)較圖7c的汽車加速度曲線相應(yīng)部分振蕩幅度小得多。

圖7d中,電動(dòng)機(jī)首先啟動(dòng),提供系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩,在第4.67s時(shí)由于電動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩不能滿足系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩需求,因此發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),參與提供駕駛員的需求轉(zhuǎn)矩,混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式由純電動(dòng)切換為聯(lián)合驅(qū)動(dòng),此后混合動(dòng)力系統(tǒng)一直工作于聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩需求信號(hào)響應(yīng)的滯后,因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩變化較慢,但電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩迅速按照整車控制策略的分配規(guī)則迅速減小。圖8d中,由于運(yùn)用了轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制策略,因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大較慢;由于發(fā)動(dòng)機(jī)參與提供系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有所減小,但由于電動(dòng)機(jī)此時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩中還有應(yīng)該包含發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的不足部分,因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出減小速度較慢,這樣在滿足駕駛員轉(zhuǎn)矩需求的前提下,同時(shí)也保證了轉(zhuǎn)矩輸出的平穩(wěn)。

由圖7e、圖8e可以看出,除去換擋引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以及工作模式切換引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)外,兩轉(zhuǎn)矩曲線吻合較好,即并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠較好地滿足駕駛員需求轉(zhuǎn)矩。在混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換的第4.67s時(shí)刻,不采用動(dòng)態(tài)控制策略時(shí)實(shí)際輸出總轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大(圖7e),而采用動(dòng)態(tài)控制策略后,其實(shí)際輸出總轉(zhuǎn)矩變化平穩(wěn)(圖8e),達(dá)到了動(dòng)態(tài)控制的目的。

6 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性存在較大差異,使得并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在狀態(tài)切換過(guò)程中,因發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與預(yù)分配的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩存在差異而影響整車舒適性。為此,本文對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)切換過(guò)程進(jìn)行分析,以切換過(guò)程中總需求轉(zhuǎn)矩不發(fā)生大的波動(dòng)為目標(biāo),利用電動(dòng)機(jī)響應(yīng)快的特點(diǎn),提出了并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)“轉(zhuǎn)矩預(yù)分配+發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制”的動(dòng)態(tài)控制算法。為驗(yàn)證算法的有效性,搭建了整車仿真平臺(tái),并分別進(jìn)行了采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制算法和不采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制算法的定工況和全工況仿真。仿真結(jié)果表明,上述動(dòng)態(tài)控制算法能有力地解決并聯(lián)混合動(dòng)力汽車在狀態(tài)切換過(guò)程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的問(wèn)題,大大提高了狀態(tài)切換過(guò)程中整車的舒適性。

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