并联混合动力电动汽车的动态控制研究

1、武汉理工大学博士学位论文并联混合动力电动汽车的动态控制研究 姓名:严运兵申请学位级别:博士专业:车辆工程指导教师:颜伏伍20080401武汉理f:人学博十学位论文摘 要并联混合动力汽车在发动机和电动机工作过程中,需要根据路况进行能量分 配和工作模式的切换。能量分配的研究已经有大量成果,而工作模式切换控制 的研究还不多见。混合动力工作模式的切换实际上是个过渡过程,动态控制 的目的就是希望汽车在切换过渡过程中,保持平稳运行,使整车在模式切换前 后的动力性、经济性、排放、舒适性不发生大的波动。本文针对这一问题,遵 循“文献分析”“整车建模”“前期试验”“算法仿真研究”一 一“验证试验”的技术路线,完

2、成了对混合动力系统的动态控制研究。根据动态控制的目的,本文对并联混合动力系统进行了动力学理论建模。建 模过程中,基于内燃机的热力学过程,首次建立了图形化的发动机伪键合图模 型;根据杠杆法,建立了AL4自动变速系统的动力学模型;并构建了多能源动 力总成控制体系结构。鉴于伪键合图发动机模型在实际控制上的缺陷,本文对发动机的稳态和动态 特性进行了试验研究。得出了发动机动态特性随发动机节气门开度、节气门开 度变化率、转速这三个因素而变化的规律;以试验数据为基础,利用神经网络 的预测功能,分别建立了发动机的稳态和动态转矩估计模型。论文以并联混合动力汽车在状态切换过程中总转矩不发生大的波动为控制 目标,提

3、出了“转矩预分配+发动机调速+发动机转矩估计+电动机转矩补偿 控制”的动态控制策略。以Matlab/Simulink为仿真平台,搭建了基于整车动态 控制的仿真模型,进行了循环工况仿真研究,验证了仿真模型的正确性。在此 基础上,进一步对上述基本控制算法进行了定工况和全工况仿真验证。通过搭建试验台架,借助dSPACE快速控制原型工具,对动态控制算法进行 了试验验证。结果表明,在各种状念切换过程中,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。关键词:并联混合动力汽车,能量预分配策略,发动机转矩估计,动态控制武汉理厂人学博+学佗论文AbstractIt is necessar

4、y for Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEVto distribute energy between engine and motor and to control state-switch during work.Compared with the numerous documents about the energy distribution,the research on stateswitch control is rarely seen to report.In fact,the state-switch between operating。

5、modes is a transient process,in which the dynamic control is aimed at keeping the vehicle running smoothly whilstmaintains the hybrid system almost the same in power performance,fuel economy,low emission and driving comfort.In face of such a problem this paper successfully accomplishes the dynamic c

6、ontrol research by following the technical route from literature research,vehicle modeling,preliminary test and algorithm simulation tO validation test.According to the purpose of the dynamic control,a dynamics theoreticalmodel for PHEV system is built,which includes the pseudobond graph IC engine m

7、odel built on the basis of its thermodynamics process,AL4automatic transmission model built on the grounds of levermethod and the frame for the multi-energy power control unit.In view of the limitation of the bondgraph IC engine model in practice control, this paper focuses on the experiment investi

8、gation in the steady and dynamic characteristics of IC engine,by which the dynamic property of engine with the change of rotate speed,throttle percentage and its change rate is obtained.Based on the experimental data and taking on the advantage of neural network in function approximation,the steady

9、and dynamic engine torqueestimation models are constructed.Aimed at keeping the total torque unchanging under state-switch,the dynamic control algorithm is put forward,which can be expressed as motor torque compensation for engine after torque predistribution,engine speed regulation and dynamic engi

10、ne torque estimation.TakingMatlab/Simulink as the platform,the vehicle control simulation model is built and validated under driving cycle,based on which the fundamental control algorithm is verified by simulation testing with fixedstate.switch conditions and consecutive stateswitch conditionsThe dy

11、namic control algorithm is finally validated by experimental tests which are achieved by means of buildingtest.bench and getting help from the rapid control prototyping tool,dSPACE.Theresults demonstrate that the dynamic control algorithm can effectively dampen torquefluctuations and ensures power t

12、ransfer smoothly under various stateswitches.Keywords:Parallel Hybrid Electric Vehicle,Energy Pre。Distribution Strategy, Engine Torque Estimation,Dynamic Control独创性声明本入声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

13、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名芦日 关于论文使用授权的说明期:硎.红!本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留、送 交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定签名:圣垒垒导师签名:乏羞如期:皂堕:竺竺武汉理T人学博士学位论文1.1课题背景及意义第1章绪论随着全球汽车工业的发展,汽车的产销量和保有量在逐年急剧增加,这种 增加导致了石油资源的日益枯竭和对人类生活环境的破坏,因此世界各国纷纷 制定一系列十分严格的排放法规,迫使汽车生产厂家设计并

14、生产低油耗、低排 放的汽车。随着内燃机电控技术和排气净化技术的研究与应用,汽车的油耗和 排放均降低到了前所未有的程度。但是能源紧张和排放污染问题还是没有从根 本上得到解决。为此,世界各国的汽车制造商都在大力研究开发新型节能低污 染或零污染的汽车IlJ。混合动力汽车技术作为一项在短期内能有效降低汽车能源消耗和排放的汽 车新技术,已经成为世界各国政府、企业和科研机构关注的焦点之一。1997年 12月,R本丰田公司推出了世界上第一辆量产的混合动力轿车Pruis,与同类型 轿车相比,其燃油经济性和排放性能得到大大提高12J。2001年,丰田公司推出了 第二代Prius。2005年,通过与一汽集团的合作

15、,第二代Prius登陆中国。目前, 丰田公司正研发第三代产品,预计至1J2009年底推出。截至至1J2007年5月,丰田混 合动力汽车全球累计销售突破100万辆,其中70%是Prius。可见,丰用Prius推向 市场是非常成功的,表明混合动力技术已趋于成熟【引。混合动力电动汽车一般是指装有两个或两个以上动力源(其中一个为电动 机1,通过控制系统使两种动力装置协调工作,实现最佳能量分配,达到低能耗、 低污染和高度自动化的汽车。混合动力汽车可分为串联、并联、混联及复杂式 混合动力四种类型【4J,都综合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点,并最大 限度地克服了它们的缺点。混合动力系统发挥了发动机持续工

16、作时间长,动力 性好以及电动机无污染、低噪声的优点,二者“并肩战斗”,取长补短,汽车的 热效率可提高10%以上,废气排放可减少30%以上。与传统燃油汽车以及纯电 动汽车相比,混合动力汽车具有高性能、低能耗以及低污染的特点,在技术、武汉理1i大学博十学位论文经济及环境等方面存在优势。并联混合动力汽车由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成采用 并联的方式组成混合驱动系统,发动机驱动为主要驱动模式。这种混合动力汽 车连续行驶能力和动力性能接近于内燃机汽车。它充分发挥电动机低速大转矩 的特点,使得发动机避开在启动、加速和爬坡时燃料损耗大、废气排放多的不 利工况,而将发动机控制在低油耗、高效率、

17、低排放的转速范围内运行。并联 混合动力系统能够实现发动机驱动模式、纯电动模式以及发动机/电动机联合驱 动三种驱动模式。此外,在特定情况下混合动力系统还可以实现驱动状态下的 行车充电模式以及减速制动状态下的再生制动模式,进一步降低了汽车的能量 消耗【51。国家自2001年设立了电动汽车重大科技专项,“十五”期间已取得了显著 成效并将在“十一五”期间进一步研究和产业化。目前,混合动力汽车产品进 入国家公告程序,己初步具备产业化条件16J。本文以国家“十五”863混合动力电动汽车项目“EQ7200HEV多能源动力总 成能量管理策略的优化”及武汉理工大学“211工程重点学科建设项目“新能 源电动汽车关

18、键技术"为依托,开展并联混合动力汽车的动态控制问题研究。 根据并联混合动力系统中电动机输出动力与汽车驱动系统的组合位置的不 同,并联混合动力传动系统可分为单轴联合式、双轴联合式和单驱动系联合式 等3种基本的形式【7,81,如图11所示。在图11(a中,电动机输出的动力与发动机输出的动力在发动机输出轴处 进行叠加,然后通过离合器、齿轮箱(变速器和主减速器、差速器等组成的传 统驱动系统带动驱动轮运转。在这种并联布置方式中,齿轮箱的输入轴为单轴, 系统的结构紧凑,因此整个系统运行效率较高。在图11(b中,电动机输出的动力与发动机输出的动力在变速器或驱动桥 处进行叠加,然后通过主减速器、差速

19、器等相应传统驱动系统带动驱动轮运转。 在这种并联布置方式中,齿轮箱具有两个或多个输入轴。在图11(c中,电动机输出的动力通过减速器独立的驱动汽车前(或后 驱动轮,发动机输出的动力经过离合器、齿轮箱、差速器等组成的传统驱动系2武汉理T大学博十学位论文统带动后(或前驱动轮运转。并联混合动力系统工作于联合驱动模式时,发 动机和电动机共同组成4轮驱动模式。结合混合动力的结构特点,并考虑到实验室研究的方便性,本研究选择以 图11(a单轴式并联传动方案为实际研究对象。该方案适合高级混合动力轿车 和中、小型公共汽车的并联混合动力传动,有较好的延展性和代表性,其具体 结构如图12所示,系统各部件主要参数如表1

20、1。(a单轴联合式(b双轴联合式(c单驱动系联合式图11并联混合动力汽车驱动系统类型图12中传动系统采用了磁粉离合器和不带变矩器的自动变速器。在混合 动力传动系统中,无级变速器CVT和机械自动变速器AMT的应用较纠911J, 磁粉离合器的应用则不多见。实际上,磁粉离合器具有效率高、易实现智能控 制等优点,在工业众多领域获得了广泛的应用12,131。在汽车行业,日本的 Watanabe与Tomoyuki将磁粉离合器与v带无级变速器结合,用于变速器的功3率分流114】。Peugot、ZF及铃木等公司在中小排量发动机的无级变速系统中也尝 试采用了磁粉离合器【15J。国内的比亚迪股份有限公司、天津清源

21、电动车辆有限 责任公司、南京理工大学等都在磁粉离合器运用于汽车传动系统方面做了尝试, 取得了一定的成果【16。引。但从上述应用和混合动力传动系统的研究来看,磁粉 离合器作为关键传动部件来连接发动机和电动机的应用还未见报道。自动变速 器(AT在大部分工况因变矩器不锁止而效率较低,如果不使用变矩器,则效 率会有很大提高。基于提高传动系统效率和离合器控制智能化的目的,本文研 究的并联混合动力系统在发动机和电动机之间安装了磁粉离合器,电动机直接 与不带变矩器的自动变速器连接,有实用性和创新性。多占 磁粉离合器电 川卜倒自动变速器H迸 喷4l起动挚I翁J机图12研究对象的结构示意图表11并联混合动力系统

22、各部件主要参数蓄电池组 6一FM一150单体电池电压:12V,个数:26离合器 CJ20磁粉离合器 额定转矩:200N.m第一挡传动比:2.725 AL4第二挡传动比:1.5传动系 变速器(不带变矩器 磊三螽荏葫比:1第四挡传动比:0.711主减速器 传动比:3.27并联混合动力汽车在工作过程中可以选择多种工作模式,需要根据路况进 行能量分配和工作模式的切换。在不进行工作模式切换时,可以认为混合动力 系统处于相对的稳态;有切换发生时,则是一个动态的过渡过程。按照时间尺 度和系统响应特性,可以将混合动力汽车的控制问题分为两类【19J:1在稳态和4动态过程中多个动力源的转矩分配(也可以是功率分配与

23、效率优化,属于能 量管理的研究范畴;2状态切换过程中动力源问的相互配合问题,属于动态控 制的研究范畴,这一问题还涉及到发动机转矩的实时反馈。本课题诈是围绕这两个核心问题并偏重于第二个问题展开并联混合动力汽 车动态控制策略的理论和试验研究,任务主要包括三个方面:1整车能量管理策略的设计与验证;2并联混合动力汽车的发动机转矩估计;3状态切换过程中发动机和电动机的动态控制与验证。1.2文献综述能量管理策略是混合动力汽车控制领域中研究的重点,也是混合动力汽车 开发的关键技术。能量管理的核心问题是如何合理分配发动机和电动机的能量 输出,以满足驾驶员对整车驱动能量的需求,同时保证发动机在高效区工作【20J

24、。 目前的并联混合动力汽车能量管理策略主要可分为四种:逻辑门限控制策略; 瞬态优化控制策略;智能型控制策略;全局最优控制策略。也称为基于规则的能量管理策略。其基本思想主要是依据部件的稳态效率 MAP(脉谱图,来确定发动机和电动机之问的能量分配。稳态逻辑门限控制 方法简单有效,也是模糊逻辑控制方法的基础,在实际中应用广泛【21,22J。图13为实测的富康发动机的稳态效率MAP图,表示在一定效率时的发 动机输出转矩随转速变化的曲线。图中t。、瓦耐。曲线将MAP图分成三个 区域,其中t。为发动机节气门全开时的转矩,。;。是为保证发动机工作有 较高效率,发动机工作的最小转矩。当发动机需求转矩低于该值时

25、,发动机关 闭。稳态逻辑门限控制策略的基本思想是使得发动机运行在其高效区。当发动 机控制器要求发动机提供的转矩较。m小时,发动机尽可能不启动;当发动机控制器要求发动机提供的转矩较疋。大时,发动机以其最大转矩t一工作; 当发动机控制器要求发动机提供的转矩介于。,和瓦。;。之白J时,发动机提供5武汉理一I:人学博+学位论文 全部的实际需求转矩。图13发动机稳态效率MAP图发动机转速ir.minl图14某汽油机不同指标最佳工作区稳态逻辑门限控制策略保证了发动机较高的燃油经济性和较低的排放。这 种控制策略基于控制策略设计人员的经验以及稳态的效率MAP图制定,它不 考虑工况的动态变化,故而不是最优的。但

26、是,基于工程经验丌发的逻辑门限 控制策略是一种比较成熟的控制策略,已经在实际商品化的混合动力汽车中得 到应用。动力系统工作模式和工作点【23之61。具体原理是,在某一瞬时工况,将电动机消.,、.wI(百暴淼+wz(百禄+嵋(百碌+1 I 【百碌百丕酉i丽J十w2【百禄百西丽J十嵋l百碌石萌丽J十I埘叫n捌怀踟NO。丽x H PM丽H器,J o 1 踟。丽卜 丽+岷(器l u叫 6武汉理r人学博十学位论文式(11中,Wl,W。为对应量的权系数,表影响程度,大小均在【O, 11区间,且满足w1+W6【0,1】。设计人员根据自己的要求设定这组权值,从 而在燃油消耗和排放中获得折衷。如果要求较高的排放

27、性能,则适当提高排放 的权值比重,此时将降低燃油经济性。瞬态优化控制策略可以实现实时最优控制,但由于计算量大,实现起来比 较困难,运行成本也比较高。此外,在计算过程中需要对未来的行驶工况中由 制动产生的回收能量进行预估,这样就需要建立比较精确的预估模型,实现也 比较困难。因此,瞬时优化控制策略还很少在实际并联混合动力汽车上推广应 用。由于瞬时优化控制策略不能保证在整个运行区间最优,因此需要-34'保证 能在全局范围内最优的控制策略。这种控制策略应用最优化方法和最优化控制 理论开发出混合动力驱动力分配控制策略。主要思想是:基于多目标数学规划 或者Bellman动态规划理论以及最小值原理的

28、全局最优化理论,建立以整车燃 油经济一1,生127,281或将经济性和排放性加权【22,291作为目标函数,系统状态变量为约 束的全局优化数学模型。其对应的求解方法也是两种。一是运用动态规划方法将优化问题按时IN Jtl-页 序分为若干段,从最后一段状态开始逆向递推到初始状态为止,最终求出完整 的最优策吲22,29-31l。二是基于最优控制理论最优条件进行迭代求解,求得最优 的混合动力分配控制策略【27,28l。全局最优控制策略在串联混合动力汽车,燃料电池混合动力汽车及并联混 合动力汽车上都有研究。这种控制策略的缺点是计算量大,并且依赖于预定的运行工况,实时性较 差。智能型控制策略主要是通过应

29、用模糊逻辑、神经网络、遗传算法及粒子群 优化算法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配,具有较强的鲁棒性。 智能控制的基本出发点是模仿人的智能,根据被控动态过程的定性和定量7武汉理T=入学博士学何论文信息,进行定性定量综合集成推理决策,以实现对难以建模的复杂非线性不确 定系统的有效控制。智能控制非常适合用于并联混合动力汽车能量消耗系统的 控制。模糊逻辑(FL控制的核心是模糊控制器。它由4个部分组成:规则库、 推理机制、模糊化接口和去模糊化接口。在混合动力汽车上,模糊控制器将各 传感器传来的精确信号转化成模糊量,根据专家制定的推理机制,应用基于控 制知识与专家工程经验的规则库中的相关规则,得出模

30、糊结论,并将其去模糊 化转换成相应的精确量以作为精确指令,协调车辆各部件的能量流动,使整车 的性能达到最佳。模糊控制已被证明是一种很好的控制技术【32彤】,在混合动力 汽车领域具有很好的应用前景。其局限性在于,控制规律的固定性导致了系统 的动态特性较差。同时模糊规则的建立、隶属函数的确定没有确定的方法可以 遵循。并联混合动力汽车模糊控制结构如图15所示。蓄电池组 电动机转速 模糊发动机目标功率 逻辑控 电动机目标功率 制器图15并联混合动力汽车模糊控制结构神经网络(NN是以对信息的分布式存储和并行处理为基础,在许多方面 更接近于人对信息的处理方法,有很强的逼近非线性函数的能力。其缺点是经 过学

31、习后,神经网络所获得的输入/输出关系无法以容易被人接受的形式表现出 来。采用神经网络与模糊控制相结合的控制策略将具有较大的推广价值1363a。 遗传算法(GA是建立在自然选择和自然遗传学机理基础之上的迭代自适 应概率性搜索算法。它能够同时搜索空间上的许多点,并且能充分搜索,因此 能够快速全局收敛。采用遗传算法进行优化是对所要优化的参数的集合进行编 码,而不是对参数本身,遗传操作均在字符串上进行。只需要评价用的适应函 数,而不需要其它形式信息,这些使得遗传算法对问题的适应能力很强。遗传 算法的这些特点使得它适于在HEV控制策略的制定中得到应用30,39,40l。8武汉理T人学博十学位论文粒子群优

32、化算法(PSO是一种进化计算技术,源于对鸟群捕食的行为研究。 PSO同遗传算法类似,是一种基于叠代的优化工具,但并没有遗传算法中的交 叉及变异,而是粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索,PSO算法的优势之一 是采用实数编码,而不需要像遗传算法一样采用二进制编码,且PSO中并没有 许多需要调节的参数,可进行全局和局部寻优。该算法在平衡混合动力系统动 力性、经济性和排放方面有较好的应用141,42J。车辆的行驶工况对汽车的燃油经济性和排放有着至关重要的影响。为了有 效地评价同一类车辆的性能,一般采用具有相同统计信息的同一标准行驶循环 或混合行驶循环。由于标准循环只具备有限的代表性,这使得在设计过程中

33、只 考虑少数标准循环的产品,其适应性不足,而在设计过程中考虑过多行驶循环 的产品,其针对性又不强。为此,基于行驶循环在线识别的能量管理策略有了应用的基础。其基本的 思想是在既定的能量控制策略的基础上,加入道路行驶循环的统计信息,通过 对行驶工况的识别,针对每一类型的实际工况对控制参数或控制算法进行在线 调整,达到提高控制策略适应性和车辆性能的目的143-45J。由于实际道路工况的复杂性和不确定性,该控制策略需要在车辆行驶一段 时间以后才能得出循环的统计信息,并进而调整控制参数。这种识别本身具有 时问延时性,当车辆调整到一种相对较优的控制参数时,可能汽车的行驶状况 已经发生了改变,这使得控制参数

34、的调整在某种程度上失去了意义,实际控制 中难以达到预期的效果MJ。多年以来,虽然对并联混合动力汽车的能量管理研究较多,但都主要集中 在并联混合动力系统稳态或动态过程中多个动力源的能量分配和效率优化方面 (20谁】,对控制策略中涉及混合动力系统工作模式切换过程中的转矩动态控制的 研究相对较少。如前所述,混合动力汽车有发动机驱动、纯电动、混合驱动等 多种工作模式,在这几种工作模式的过渡切换过程中,如何把握能量分配的平 稳过渡是一个关键的问题。文献【19】分析了混合动力的七种切换模式,并指出在9武汉理T人学博士!学位论文模式切换过程中,如果不进行动态协调控制,就会因为状态切换时总的目标转 矩发生较大

35、波动,影响整车的舒适性。一般而言,动态控制的关键在于控制切换过程中总需求转矩即发动机和电 动机转矩和的波动幅度,控制方法主要是以发动机的实时转矩反馈为基础,利 用电机的快速响应特性进行转矩补偿,达到总需求转矩不产生大的波动而提高 舒适性的目的。日本丰田公司的Prius混合动力汽车利用其特有的动力分配机构 很好地解决了发动机和电动机的动态协调控锘1J119,44J,但该技术只适用于具备动力 分配机构的混合动力系统,不具普遍性。在国内,武汉理工大学的黄妙华博士从电动汽车实车工作过程出发,将转 矩量作为整车能量管理的落脚点,提出了基于需求转矩分配的能量管理策略 120,46】。该策略以发动机稳态状态

36、下的燃油消耗率特性图为基础,根据驾驶员在汽 车运行过程中所需转矩,对驱动装置进行合理、实时并有效地工作转矩分配, 从而实现循环工况始末,蓄电池组的SOC(state of charge基本保持平衡,发 动机燃油消耗较低的控制目标。该作者没有对转矩传递的平稳性进行研究,但 其指出了以转矩作为控制量,会使驱动装置的工作转矩出现振荡,对汽车平稳 性有影响。清华大学的童毅博士通过发动机的平均值模型及电动机的理论建模, 得出发动机的动态特性相对稳态特性存在滞后和超调现象,而电动机则能很快 跟踪其需求转矩的结论,首次提出了发动机与电动机转矩的“动态协调控制” 问题,并展开了深入和有价值的研究,提出了“发动

37、机转矩开环+发动机转矩 动态估计+电动机转矩补偿”的基本算法【19。由于受到试验条件的限制,研究 者没有进行发动机的动态特性试验,故而没能进一步分析发动机稳态和动态特 性差异的程度和影响因素;文中只对“发动机驱动<一>功率辅助”这一种典型 工况进行了算法试验,没有对“纯电动<一>发动机驱动"等涉及传动系统工作 的工况进行算法验证。在此基础上,黄丌胜博士对加速过程中的动态控制策略 进行了研究,提出了一种“实时工况点优化+发动机节气门开度变化率速率限 制+分段PI控制”的算法,并进行了试验验证。其基本思想仍然是电动机转矩补 偿,算法中对节气门开度变化率进行限制的目

38、的是为了降低排放,并在控制策 略中为实现这一思想对发动机节气门采用了分段PI控制,以达到平滑过渡的目 的,这一算法实现了加速过程中对瞬态空燃比和排放的合理控制14n。上述两种 算法和试验方法对本文的研究具有借鉴意义。吉林大学的王伟华博士将协调控 制问题分为稳态协调控制和动态协调控制,将混合动力系统动态过程的研究从10武汉理l:人学博十学位论文状态切换过程外延直传统研究中的换挡过程,并主要对驱动模式下换挡过程中 的动态协调问题进行了动力学研究【矧。其研究对提高混合动力汽车的换挡过程 中的稳定性具有重要意义。综上所述,现有的动态控制研究主要是避免总需求转矩的波动,保证舒适 性。笔者认为,动念控制的

39、目点不应只是保证汽车在切换过渡过程中总需求转 矩的稳定,还应该使整车在模式切换前后的动力性、经济性、排放和舒适性等 都不发生大的波动。但限于切换过程中发动机瞬态燃油消耗及动态排放难以测 定,本论文仍然以保证整车在状态切换时需求转矩不发生大的波动为动态控制 的主要目的。如前所述,动态协调控制的方法主要是以发动机的实时转矩反馈为基础, 利用电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。目前,这一问题可供选择的解决方案有五种:1发动机本身的控制单元直接提供转矩输出,对于动态协调控制来说这种 发动机是最简捷的

40、解决方案。德国Deutz发动机公司丌发的部分柴油发动机一J、 美国Delphi公司的部分汽油发动机147J具备这种功能,但很少见到利用这种发动机 反馈转矩进行动念协调控制效果的报道。2通过在发动机曲轴上安装扭矩传感剁4耻巧01,由传感器直接反馈转矩,但 这种方式安装困难,使用寿命有限,大多只用在实验室。3在汽车传动轴或车轮上安装非接触式扭矩传感器|5¨,实时测得动力装置 传递到传动轴或车轮上的转矩,根据传动比和转速实时计算出发动机输出的转 矩。这种方案在混合动力系统上存在局限性,因为传动轴扭矩传感器测出的转 矩一般是动力装置的总转矩,也就是包括了电动机输出的转矩,不能单独反馈 发动机

41、的转矩,除非混合动力系统是双轴驱动,且发动机和电动机各自驱动其 中一轴,但这种并联混合驱动方式不具普遍性,也决定这种方案的局限性。 4通过混合动力系统中的其他部件间接获得发动机的转矩。丰田Prius轿车 就是利用动力分配机构中的行星架和太阳轮分别连接发动机和发电机,根据发 动机和发电机之间的转矩关系和可测的发电机转矩问接算出发动机的转矩Il。 5由混合动力系统的多能源动力总成控制器或者单独开发的估计器对发动武汉理r人学博十学位论文机转矩进行实时估计。也就是将发动机转矩实时估计算法从发动机控制器上移 到多能源总成控制器或专门的发动机转矩估计器上。当然,如果发动机不提供 这种转矩实时估计功能,多能

42、源动力总成控制器或专门的发动机转矩估计器就 可以完成这一功能。章毅博士为解决这一问题就单独开发了基于MPC555微处理 器的发动机转矩估计软硬件平刨19】。可以说,对发动机进行转矩估计在混合动 力汽车动态控制方面具有普遍意义。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的转矩 估计算法、基于发动机曲轴瞬时转速的转矩估计算法和基于神经网络的转矩估 计算法。目前,在现有的汽油机模型中,面向控制的发动机平均值模型(MVEMs Mean Value Engine Models52-58l最为实用。平均值模型是介于循环模拟模 型和传递函数模型之间的较为简单发动机数学模型,所描述的发动机的参

43、数是 一定时问内该参数的平均值,平均的时问虽然比高转速时的发动机一个循环的 时间要长,但却远远短于动态工况中发动机参数变化的时间(通常需要几十几百个循环,这使得平均值模型能够精确地描述动态工况中发动机参数(进气 歧管压力、转速和充气效率等的变化过程,而且,平均值模型可以通过代数 方程以及简单的微分方程来表现,可以非常简便的在控制中加以应用。基于发动机平均值模型的转矩估计算法有其优势:1该算法具有前馈性质,从理论上分析,模型计算的结果与实际发动机的 输出应该是一致的,从原理上不应该存在相位差,是一种比较理想的在动态过 程中估计发动机转矩的算法;2该算法中没有复杂的计算,最繁琐的发动机进气系统动态

44、过程也仅为一 阶微分方程,计算简单,尤其在低端的处理器上的实现容易;3该算法与现有的发动机电控系统中基于模型的控制算法有着相似之处。 但是,这种算法也有其不足。首先,该算法的理论基础还有较多值得商榷 之处。一方面,进入发动机气缸的并不仅仅是空气,而是空气和燃油的混合气, 通常也可以称作充量。充量并不完全等同于空气量,只有当发动机的空燃比控 制得较为理想时(理论空燃比附近可以近似地认为由进入发动机气缸的充量12武汉理工大学尊十学位论文所做的功等同于进入发动机气缸的空气所做的功159,删。但是,在实际情况中并 不完全如此。另一方面,发动机转矩的产生除了与进入气缸的充量相关以外, 还和点火J下时相关

45、等因素相关,如果改变了点火正时,也会造成转矩的变动。 其次,此种算法必须建立准确的发动机进气系统模型,尤其是较好地建立 通过发动机节气门的空气流量与节气门开度、进气歧管压力和发动机转速的模 型,只有当模型标定得比较准确了才有可能更精确的估计出发动机的转矩值。 最后,该算法具有一定的局限性。利用该算法进行发动机转矩估计时只能 面向汽油机,如果需要在柴油机上应用还必须建立柴油机的平均值模型。即使 是只针对汽油机,不同的汽油机采用不同的空燃比控制策略以及不同的补偿方 式都将给建模过程带来不便。发动机曲轴瞬时转速的波动特征是反映发动机转矩的非常有效的指标之 一,因此,利用曲轴瞬时转速信号对发动机转矩进

46、行估计己经取得了一定的研 究成果【61卅】。国外采用的方法是通过试验直接标定不同工况下发动机曲轴瞬时 转速的波动幅值与发动机转矩的关系,然后制成MAP图,在发动机实际运行 过程中由计算的瞬时转速波动幅值通过查MAP图的方式得到估计的发动机转 矩。在确定瞬时转速波动幅值与发动机转矩的关系上,关键是如何定量描述瞬 时转速的波动幅值。对这一问题,已经提出了三种方法:1采用发动机发火频 率点的幅值;2采用瞬时转速的均方值;3采用瞬时转速的最大值与最小值 之差。清华大学李建秋博士在YC6108非增压柴油机上对上述三种方法均进行了 验证,结果表明,由这三种方法计算得到的瞬时转速波动幅值与发动机转矩之 间的

47、关系都是非单调的,因此仅仅依靠单一的曲轴瞬时转速波动幅值进行发动 机转矩估计得到的结果也是非单调的,经过适应性修正后,可以得到发动机瞬 时转速波动与发动机转矩的线性拟和关系165J。该算法最大的优点是通用性强、涉及到的信号非常少且估计精度高。但是 对于增压柴油机和电喷汽油机,直接应用该算法得到的在部分工况下的结果不 是十分理想,也需要对原算法进行修J下。该算法的不足之处就在于实时性要求比较高,计算的工作量比较大。13人工神经网络运用于发动机技术已经有近20年的历史。主要的应用有发动 机数据曲线的拟和、排放性能的预测、发动机电子控制技术及发动机故障诊断 等。应用人工神经网络进行发动机的转矩估计实

48、际上是对实测的发动机数据进 行训练和学习处理,得出较为理想的近似于实际发动机数据的模型,并利用此 模型进行转矩估计166“701。早期的发动机神经网络模型如转矩脉谱、燃油经济性 脉谱等都是神经网络在发动机性能估计与预测上的具体运用。由于发动机的动 态特性需要性能很高的测功系统测定,因此,基于动态特性的发动机神经网络 模型并不多见,大部分都是基于稳态特性的网络模型。如果能测得发动机的动态特性数据,同样可以利用神经网络工具进行发动 机的动态转矩估计。这样,就抛开了传统的烦琐数学建模的方法,只要选择正 确的网络结构和学习方法,并有足够的学习样本,就可以建立起精度很高的发 动机动态转矩估计的非线性模型

49、。文献47禾1J用BP和RBF两种神经网络对变 节气门开度下的发动机转矩进行了动态估计,估计误差较小。本文中关于发动 机动态转矩估计的模型也是在发动机动态特性试验数据的基础上利用人工神经 网而建立起来的。1.3本文研究的主要内容和方法根据上述国内外研究现状的分析,结合本课题的任务,本文的研究内容可 划分为如下四部分:1并联混合动力汽车系统仿真模型的建立。在没有充分试验数据的情况下,仿真研究是算法研究的基础。本文首先建 立并联混合动力汽车关键部件的动力学模型,如发动机模型、电动机模型及自 动变速传动系统模型,进而搭建单轴式并联混合动力汽车的整车仿真模型。 2发动机稳态及动态转矩估计模型的理论与试

50、验研究。作为动态控制的基础,本文在发动机稳态和动态试验研究的基础上,建立 基于神经网络的稳态与动态转矩估计模型。3整车动态控制的仿真研究。在发动机和电动机稳态特性的基础上,设计基于规则的能量管理策略,并 实现对整车模型的循环工况验证。提出动态控制算法,完成并联混合动力汽车14在各种状态切换过程中的动念控制研究。4整车动态控制策略的台架试验研究。搭建试验台架,完成定工况模式下的各种切换试验,并验证动态控制算法 的有效性。1.4本文结构为便于叙述清晰,在论文结构安排上,按照“文献分析”“整车建模” “前期试验”“算法仿真研究"“验证试验”的技术路线来阐述。 本文共分如下几部分:第1章绪论

51、:介绍并联混合动力汽车的特点及研究背景,阐述并联混 合动力电动汽车动态控制的研究现状,概述本论文工作的研究内容和研究方法; 第2章并联混合动力汽车系统建模:对并联混合动力汽车动力系统及传 动系统中各主要部件进行分析,建立相应仿真模型,确定多能源动力总成控制 系统结构;第3章基于神经网络的发动机转矩估计:制定发动机稳态和动态特性及 电动机稳态特性试验方案,测定并分析发动机的动态特性,利用神经网络建立 发动机的稳态和动态转矩估计模型;第4章并联混合动力系统的动态控制策略:论述并联混合动力系统转矩 预分配策略,确定动态控制算法;第5章并联混合动力系统的动态控制仿真研究:验证整车控制仿真模型 的正确性

52、和有效性,对动态控制算法进行仿真验证;第6章动态控制算法的台架试验验证:搭建混合动力试验台架,利用快 速控制原型工具,对各种典型的状态切换进行动态控制算法的验证。第7章结束语:对本文的研究成果和创新点进行总结,并对后续的研究 予以展望。15武汉理,r人学博十学佗论文第2章并联混合动力汽车系统建模并联混合动力汽车中存在着大量非线性环节,不可能直接通过建立原型进 行大量实车试验来比较评价设计方案。因为这样做将耗费大量的人力、物力及 财力,并且还会使得设计开发周期延长。因此,在并联混合动力汽车的前期理 论研发中,必须引入计算机仿真技术,以此进行混合动力系统动态模拟。这种 仿真模拟的前提是对并联混合动

53、力源系统、传动系统、制动系统、整车控制系 统等依据其特性,建立相应的数学模型,然后在仿真软件平台上,建立整车系 统的仿真模型。并联混合动力汽车较传统车型庞大而复杂,各部件的物理特性和工作方式 各异,且存在大量非线性环节和时变环节,只有建立各部件的模型才可能较精 确的描述整个系统的特性和行为。通过系统仿真,可以在设计初始阶段快速分 析整车系统的有关特性,提供动力系统详细的仿真和分析结果,优化和匹配各 部件及其参数,考察能量管理策略的有效性和正确性,为车辆的后续设计和开 发提供依据。建模与仿真技术在并联混合动力汽车研究开发中的重要性主要体 现在18,71】:并联混合动力汽车系统各部件间的相互作用频

54、繁而复杂,只有通过 建模仿真彳能定量分析其对整车系统性能的影响。动力部件的性能参数对于 保证动力性能等优化设计目标直观重要。由于参数较多,各参数的匹配与优化 方法也不尽相同,使用传统的计算方法或者通过大量试验柬测定这些参数代价 太大且操作困难。使用仿真技术,可以在保证系统设计目标的前提下,提高参 数匹配的速度与准确性。并联混合动力汽车能量管理策略较多,对其进行优 化是要解决的核心问题。依靠大量试验来测试比较各种控制策略的实际效果代 价极大且不可行,系统仿真可以以极小代价有效的解决这一问题。2.1并联混合动力汽车仿真方法分类并联混合动力汽车仿真模型按功率流方向一般可分为两种:前向仿真和后 向仿真

55、【72,731,其仿真流程如图21所示。从图21可以看出,前/后向仿真结 构最大的不同在于驾驶员模型的存在与否。前向仿真结构中有驾驶员模型,作 用是根据循环工况的需求车速与仿真实际所得车速实时调整加速肺0动踏板,从 而使得车辆控制器能够按照驾驶员意图进行能量管理。驾驶员对踏板的调整通16武汉理rT大学博+学位论文常以转矩的方式体现出来。控制器按照驾驶员转矩需求计算出动力源应该处于 的工作状念及应该提供的转矩,从而实现对整车的控制。整个仿真系统中控制 信号与功率流完全按照实车相同的传递路线进行传递。汽车前向仿真用软件中 最具有代表性的是美国Argonne国家实验室开发的PSATl74,751。(

56、a前向仿真流程 期肇车速广-一一、二实际运篙銎力II二二删-v轮卜l-1.J【.J 一车轮.一车辆动力巨览j璺生 ;模型1学模硝l。一一。l整车控制l 器模型(b后向仿真流程图21并联混合动力汽车前/后向仿真流程 7后向仿真模型不考虑驾驶员的意图。后向仿真从系统的需求出发,先假定 车辆能够按照制定的循环工况行驶,通过仿真计算得到为了满足循环工况的要 求,车辆各个部件应该处于的状态,以此作为车辆性能分析的依据。在这种结 构中,车辆行驶所需的驱动转矩按照循环工况要求的车速进行每一时间步长的 实时计算,并沿着与实际转矩传递的路线相反的方向进行传递。控制器根据能 量管理策略,将传动部件传送的整车需求功

57、率进行分配后,以需求值的形式传 递给各个动力源,从而实现控制。美国能源部可再生能源实验室的汽车仿真软 件ADVISOR即以后向仿真为主173,76,77】。前/后向仿真方法在仿真精度及仿真时间方面存在差异。由于前向仿真结构 中存在相关传动部件的动态变化过程的计算,因而对积分运算有较高要求。前 向仿真时通常采用高阶的解算器进行积分运算,例如四阶龙格一库塔公式,以 提高仿真的精度。由此所对应的仿真步长较小,一般取0.01秒,因而仿真速度17蕊竺 车模一 祭器一 卜一 一日贝一驾模一 , 速车一 辊一 期一武汉理.【:人学博士学位论文慢。同时导致计算过程中需要保存的数据量较大,这就要求计算机有较强的存 储能力。后向仿真则不同。后向仿真模型中大量采用数据表的形式,这样车辆 系统就建立在一种准静态基础之上。不考虑传动系统实际的瞬态变化过程,因 此大大降低了对积分运算的要求,从而对于解算器的要求较低。后向仿真计算 步长可以较大,一般为1秒,因此仿真速度较快,对计算机的存储能力要求也 较低。鉴于各自的特点,前、后向仿真模式的实际应用不尽相同。前向仿真一般 用于对已选定的部件进行详细设计及动态仿真,在寻求并优化与之相匹配的整 车控制策略的原则指导下,适当改进相应的设计参数,以达到整车性能满足设 计要求的目的。后向仿真一般用于初期的系统预估,对所需开发的电动汽车整 车结构及相应控制策略作初步的