葉 明 程 越 舒 紅
1.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造與檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400054
2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044
插電式混合動(dòng)力汽車作為國(guó)家重點(diǎn)扶持的新能源車輛,越來(lái)越受到關(guān)注[1-2]。轎車和客車企業(yè)都在發(fā)展自己的插電式混合動(dòng)力車型[3-4]。
插電式混合動(dòng)力車輛工作模式較多,各工作模式之間的切換品質(zhì)直接影響到車輛的行駛性能,是插電式混合動(dòng)力汽車需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。Davis等[5]利用發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器,通過(guò)電機(jī)消除扭矩波動(dòng)。王慶年等[6]提出了基于電機(jī)輔助的模式切換協(xié)調(diào)控制策略,用以減小扭矩波動(dòng)。顏伏伍等[7]提出了利用電機(jī)補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的模式切換策略,提高了驅(qū)動(dòng)模式的切換性能與效果。嚴(yán)運(yùn)兵等[8]提出了“轉(zhuǎn)矩預(yù)分配+發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制”的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略,降低了各模式切換過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。楊陽(yáng)等[9]通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)以及離合器的扭矩協(xié)調(diào)控制,提高了切換品質(zhì)。通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn),由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制較困難,模式切換主要采用電機(jī)扭矩補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)減小模式切換的沖擊。
插電式混合動(dòng)力汽車需要通過(guò)變速器對(duì)其動(dòng)力源(發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī))的工作區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化,以有效發(fā)揮自身性能。無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(continuously variable transmission,CVT)能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)級(jí)自動(dòng)變速,在調(diào)整動(dòng)力源工作區(qū)域方面具有突出的優(yōu)點(diǎn),并且CVT是目前最舒適的一種自動(dòng)變速器,因此在很多的混合動(dòng)力汽車中都裝備了CVT。但傳統(tǒng)的電控液動(dòng)CVT自身需要一套液壓系統(tǒng)[10],系統(tǒng)油壓由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出建立,制造成本相對(duì)較高且效率較低。特別是對(duì)于插電式混合動(dòng)力系統(tǒng),在純電動(dòng)工況下,無(wú)法持續(xù)保證傳統(tǒng)CVT的系統(tǒng)油壓,如果再加裝一套獨(dú)立的供油系統(tǒng),不僅會(huì)帶來(lái)控制上的諸多問(wèn)題,而且在成本上也無(wú)法接受。因此,傳統(tǒng)的CVT在插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)乃至純電動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用都受到了限制。機(jī)電控制CVT完全拋棄了傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng),從而大大降低了系統(tǒng)的制造復(fù)雜性,成本降低30%以上,整機(jī)傳動(dòng)效率提高10%,整車能耗大大減小,可靠性提高。因此,機(jī)電控制CVT在插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)上的應(yīng)用有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
圖1所示為搭載機(jī)電式CVT的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)機(jī)構(gòu),僅在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間置有一自動(dòng)離合器,通過(guò)整車控制器對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)能量的合并與分離,并在電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)很小的情況下,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)起步。電機(jī)與CVT直接相連,通過(guò)差速器將驅(qū)動(dòng)力傳遞到車輪。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仍然采用傳統(tǒng)的啟動(dòng)電機(jī),由12V車載電池供電。由于采用了機(jī)電式CVT,不需要再單獨(dú)構(gòu)建一套液壓系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制都大大簡(jiǎn)化。根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn),在車輛行駛過(guò)程可具有以下工作模式:
圖1 搭載機(jī)電CVT的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)SOC較小且需求功率較大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作,以驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在此模式下,自動(dòng)離合器處于結(jié)合狀態(tài),電機(jī)關(guān)閉,發(fā)動(dòng)機(jī)處于油門控制模式。
(2)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式(純電動(dòng))。當(dāng)SOC較高,并且需求功率在電機(jī)輸出功率范圍內(nèi),可由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在此模式下,自動(dòng)離合器分離,發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉,電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)下的扭矩控制模式。這是插電式混合動(dòng)力汽車的主要工作模式[11]。
(3)發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車輛需求功率較高,且電池SOC在許可的范圍內(nèi),則發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作,共同輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛。在此模式下,自動(dòng)離合器處于結(jié)合狀態(tài),電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)下的扭矩控制模式,發(fā)動(dòng)機(jī)處于扭矩控制模式。扭矩根據(jù)控制策略進(jìn)行分配。
(4)電池充電模式。當(dāng)電池SOC較小,且車輛需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前所能提供的最大功率時(shí),可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的富余功率對(duì)電池進(jìn)行充電。在這種模式下,自動(dòng)離合器處于結(jié)合狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)處于扭矩控制模式,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下的扭矩控制模式[12]。
(5)再生制動(dòng)。當(dāng)SOC小于90%時(shí),車輛在緩速或輕微制動(dòng)的狀態(tài)下,進(jìn)入再生制動(dòng)工作模式。為了最大化回收制動(dòng)能量,可將自動(dòng)離合器斷開(kāi),從而消除發(fā)動(dòng)機(jī)的反拖轉(zhuǎn)矩所帶來(lái)的影響。系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)控制CVT、電機(jī)和電池,最大化回收能量[13]。當(dāng)需求制動(dòng)強(qiáng)度較大或防抱死系統(tǒng)(ABS)工作時(shí),從安全的角度出發(fā),制動(dòng)器單獨(dú)工作,再生制動(dòng)停止[14]。
由于所研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)離合器,在模式切換過(guò)程中,當(dāng)傳動(dòng)比不變時(shí),不能對(duì)電機(jī)進(jìn)行大范圍的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。因此,需要利用系統(tǒng)特點(diǎn),在模式切換過(guò)程中,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、CVT以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行綜合控制,使系統(tǒng)獲得最佳的模式切換性能。
所研究的系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)Clarke和Park變換,建立永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子直角坐標(biāo)系(d-q)數(shù)學(xué)模型,這樣不僅可分析電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能,也可分析瞬態(tài)過(guò)程。假設(shè)電機(jī)磁路不飽和,定子三相繞組完全對(duì)稱,忽略磁滯、渦流的影響,則三相繞組的電壓平衡方程可表示為
式中,Ud、Uq分別為d軸和q軸相電壓,V;Id、Iq分別為d軸和q軸相電流,A;R為電阻,Ω;Ld、Lq分別為d軸和q軸電感,H;Ke為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù),V/(rad·s-1);p為極對(duì)數(shù);ωm為電機(jī)角速度,rad/s。
電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為
由上述發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)數(shù)學(xué)模型,可以得到動(dòng)力源的機(jī)械平衡方程:
式中,Jm為轉(zhuǎn)換到電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,N·m;Cm為黏性阻尼系數(shù),N·m·s/rad。
采用試驗(yàn)的方法,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)扭矩模型(圖2)。發(fā)動(dòng)機(jī)油門開(kāi)度由電子節(jié)氣門控制。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型
機(jī)電式CVT結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。它由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)和金屬帶傳動(dòng)裝置構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī),通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)和絲桿螺母機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電機(jī)的減速增扭,并將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。夾緊機(jī)構(gòu)采用碟形彈簧,通過(guò)其彈性變形實(shí)現(xiàn)對(duì)帶輪的加壓。金屬帶傳動(dòng)裝置和傳統(tǒng)的電控液動(dòng)式金屬帶CVT相同,由鋼帶和金屬塊組成,通過(guò)帶輪的夾緊傳遞動(dòng)力。電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)和絲桿螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),從而調(diào)整主動(dòng)帶輪可動(dòng)盤的軸向位移,實(shí)現(xiàn)CVT速比的調(diào)節(jié)。
圖3 機(jī)電CVT結(jié)構(gòu)原理
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用普通永磁有刷直流電機(jī),根據(jù)電磁場(chǎng)方程和動(dòng)力學(xué)方程,可建立永磁直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)脈寬調(diào)制控制電機(jī)的輸入電壓,從而控制電機(jī)電流,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)放大,作用在CVT主動(dòng)帶輪上,推動(dòng)其移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)速比的調(diào)整。
碟形彈簧具有非線性的彈性特性,因此,可采用其壓緊力變化較小的區(qū)域作為CVT夾緊彈簧的工作區(qū),使CVT的帶輪在軸向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,夾緊力變化不大,保證CVT的扭矩傳遞能力和效率維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。根據(jù)碟形彈簧特性,可得CVT從動(dòng)帶輪推力Fs隨帶輪可動(dòng)盤的軸向位移xs變化的特性,如圖4所示。主動(dòng)帶輪采用與從動(dòng)帶輪同樣的碟形彈簧,通過(guò)電機(jī)所產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
圖4 從動(dòng)帶輪推力變化特性
定義CVT速比為
式中,rp、rs分別為主從動(dòng)帶輪有效工作半徑,m。
CVT的速比變化率dic/dt與CVT的自身特性、夾緊力以及輸入轉(zhuǎn)速有關(guān)。 本文采用Carbone模型進(jìn)行描述[15],即
式中,if為主從動(dòng)輪推力比;Fp、Fs分別為速比變化時(shí)的主從動(dòng)帶輪推力,N;is為速比穩(wěn)定時(shí)主從動(dòng)輪推力比;Fu、Fv分別為速比穩(wěn)定時(shí)的主從動(dòng)帶輪推力,N;ωp為主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速,rad/s;Δβ為帶輪變形系數(shù);a0、a1為常數(shù);β為帶輪半槽角,rad;kc(ic)為隨速比變化的多項(xiàng)式;D0為主從動(dòng)帶輪中心距,m;b0、b1為常數(shù)。
根據(jù)CVT運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,帶輪軸向位移計(jì)算式可表示為[16]
式中,xp為主動(dòng)帶輪軸向位移,m;rn為帶輪最小工作半徑,m;rx為帶輪最大工作半徑,m。
假設(shè)帶輪包角近似為180°,則主從動(dòng)帶輪上的工作半徑之和為常量,由此可得主從動(dòng)盤帶輪軸向速度為
根據(jù)式(4)~式(7),由CVT當(dāng)前的速比和工作半徑以及夾緊力,計(jì)算得到CVT的速比變化率,獲得帶輪軸向移動(dòng)速度,從而計(jì)算出下一時(shí)刻CVT的速比,這樣便可獲得CVT動(dòng)態(tài)調(diào)速模型。
下面以純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式向混合驅(qū)動(dòng)模式切換為例,說(shuō)明模式切換的控制策略(圖5)。
圖5 電動(dòng)/混合驅(qū)動(dòng)模式切換控制策略
當(dāng)車輛從其他運(yùn)行工況退出后,檢測(cè)電池SOC和需求扭矩。當(dāng)條件滿足便進(jìn)入混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的混合驅(qū)動(dòng),必須要調(diào)整電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)離合器狀態(tài)。首先判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否處于工作狀態(tài),如果不是,便分離自動(dòng)離合器,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。這期間為了不使車輛動(dòng)力明顯下降,控制電機(jī)工作在電動(dòng)模式下。為了縮短自動(dòng)離合器結(jié)合時(shí)間和降低沖擊,在這期間控制CVT速比,使離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速盡量調(diào)整至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,以確保離合器接合后動(dòng)力輸出不發(fā)生劇烈的變化。當(dāng)離合器轉(zhuǎn)速差在允許范圍內(nèi)時(shí),便結(jié)合自動(dòng)離合器。然后使電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)工況的扭矩控制模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在扭矩控制模式下。各自的目標(biāo)扭矩由控制策略根據(jù)SOC、需求功率和效率等因素進(jìn)行分配。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的需要,對(duì)CVT的速比進(jìn)行控制。這樣就完成了混合驅(qū)動(dòng)工作模式的切換。當(dāng)電池SOC或需求扭矩不滿足混合驅(qū)動(dòng)模式的條件時(shí),便退出該工作模式。
圖6 機(jī)電CVT的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制仿真模型
機(jī)電CVT的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制模型如圖6所示。當(dāng)模式切換開(kāi)始時(shí),模式切換控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出CVT的目標(biāo)傳動(dòng)比ir,CVT速比控制器根據(jù)目標(biāo)傳動(dòng)比與CVT實(shí)際傳動(dòng)比的差值Δi計(jì)算出CVT調(diào)速電機(jī)的占空比cm。調(diào)速電機(jī)模型根據(jù)占空比計(jì)算出作用在主動(dòng)帶輪上的推力Fp。CVT速比變化模型根據(jù)CVT的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,計(jì)算出速比變化率dic/dt,由速比變化率計(jì)算出帶輪的軸向移動(dòng)速度vp。根據(jù)帶輪移動(dòng)速度最后計(jì)算得到CVT的實(shí)際速比。能量分配策略根據(jù)車速ve和油門開(kāi)度βa等信號(hào),計(jì)算出目標(biāo)節(jié)氣門開(kāi)度αr和驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr。電子節(jié)氣門模型根據(jù)αr計(jì)算得到實(shí)際的節(jié)氣門開(kāi)度αt。發(fā)動(dòng)機(jī)模型根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωe和αt,計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te。離合器模型根據(jù)離合器結(jié)合速度vc和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到離合器輸出轉(zhuǎn)矩Tc。電機(jī)控制器根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩計(jì)算出目標(biāo)電流Ir。驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型根據(jù)目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm計(jì)算出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩Tm。Tm與Tc的和便是動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩Tp,Tp與ic相乘得CVT輸出轉(zhuǎn)矩Tt,再根據(jù)主減速器i0、車輪半徑rw以及車輛行駛平衡方程便可得到車速ve。
在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上建立仿真模型,主要仿真參數(shù)如表1所示。
表1 仿真參數(shù)
圖7所示為模式切換過(guò)程中,不對(duì)CVT速比進(jìn)行控制的仿真結(jié)果。系統(tǒng)初始處于純電動(dòng)狀態(tài),由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),自動(dòng)離合器處于分離狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)接到模式切換指令后,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),離合器以最大速度結(jié)合(圖7a),CVT速比保持不變(圖7c)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比電機(jī)轉(zhuǎn)速低,當(dāng)離合器結(jié)合時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)受整車慣性的反拖,轉(zhuǎn)速迅速上升(圖7d),由于離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差較大,使整車產(chǎn)生了較大的沖擊(圖7b)。
圖7 模式切換過(guò)程(無(wú)CVT速比控制)
圖8所示為采用本文提出的控制策略的模式切換過(guò)程。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,離合器仍然以相同速度結(jié)合,但CVT根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了控制,使離合器在傳遞轉(zhuǎn)矩前,降低了電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而降低了離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差。因此,整車在模式切換過(guò)程中的沖擊大大降低。
圖8 模式切換過(guò)程(采用CVT速比控制)
(1)分析了插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要工作模式,提出模式切換過(guò)程中利用CVT調(diào)速來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而提高模式切換品質(zhì)。
(2)建立了插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源模型、機(jī)電控制CVT速比變化模型。在此基礎(chǔ)上,以純電動(dòng)/混合驅(qū)動(dòng)模式切換為例,提出了模式切換過(guò)程的控制策略。
(3)搭建了搭載機(jī)電式CVT的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)控制仿真模型,并進(jìn)行了模式切換仿真。仿真結(jié)果表明,本文提出的控制策略與傳統(tǒng)的模式切換方法相比,能大大降低系統(tǒng)的沖擊度,提高系統(tǒng)的平順性,提高模式切換品質(zhì)。更加充分地發(fā)揮了機(jī)電式CVT在插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì),為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
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