嚴運兵 顏伏伍 杜常清

1.武漢科技大學,武漢,430081 2.武漢理工大學,武漢,430070

0 引言

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

按照時間尺度和系統(tǒng)響應特性,可以將混合動力汽車的控制問題分為兩類[3]:①在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中多個動力源的轉矩分配(也可以是功率分配)與效率優(yōu)化問題,主要根據(jù)兩動力源的穩(wěn)態(tài)特性進行控制,屬于能量管理的研究范疇;②狀態(tài)切換過程中動力源間的相互配合問題,屬于動態(tài)控制的研究范疇,這一問題還涉及發(fā)動機轉矩的實時反饋。

多年來,雖然對并聯(lián)混合動力汽車的能量管理研究較多,但都主要集中在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程中多個動力源的能量分配和效率優(yōu)化方面[4-8],對控制策略中涉及混合動力系統(tǒng)工作模式切換過程中的轉矩動態(tài)控制的研究相對較少。事實上,在狀態(tài)切換過程這一很短的時間內(nèi),發(fā)動機和電動機的油門開度發(fā)生急劇變化,此時發(fā)動機轉矩等輸出由于其響應滯后于油門開度的變化而呈現(xiàn)動態(tài)特性,動態(tài)特性相對穩(wěn)態(tài)特性有較大滯后,使輸出轉矩不足或出現(xiàn)超調(diào);電動機則能迅速響應油門開度的變化而呈現(xiàn)出與穩(wěn)態(tài)時幾乎相同的動態(tài)特性[9]。這樣,如果仍然根據(jù)穩(wěn)態(tài)特性進行能量分配,勢必因為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)的差別而造成總需求轉矩在狀態(tài)切換前后出現(xiàn)較大波動,影響整車的舒適性。可見,在狀態(tài)切換過程中,對發(fā)動機和電動機進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制是必須的。

動態(tài)協(xié)調(diào)控制的關鍵在于控制切換過程中總需求轉矩(即發(fā)動機和電動機轉矩之和)的波動幅度,控制方法主要是以發(fā)動機的實時轉矩反饋為基礎,利用電機的快速響應特性進行轉矩補償,達到總需求轉矩不產(chǎn)生大的波動從而提高舒適性的目的。日本豐田公司的Prius混合動力汽車利用其特有的動力分配機構很好地解決了發(fā)動機和電動機的動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題,但該技術只適用于具備動力分配機構的混合動力系統(tǒng),不具普適性[10]。為此,需要提出新的具有較大范圍適應性的動態(tài)控制策略。

1 混合動力汽車的運行狀態(tài)分析及控制算法的提出

以圖1所示單軸并聯(lián)混合動力結構為本文控制算法的研究對象。在該混合動力結構中,電動機與發(fā)動機共軸,由此決定了電動機的三種工作狀態(tài):空轉、驅動及制動。其控制也相對簡單,只是對電子油門的開和關進行控制,控制比較迅速。而要過渡到發(fā)動機工作或發(fā)動機關閉狀態(tài),則存在發(fā)動機的啟動、調(diào)速和停機問題,在發(fā)動機啟動和停機過程中還存在離合器接合與分離的問題,在此將這一問題統(tǒng)稱為發(fā)動機的調(diào)速。相應地,混合動力系統(tǒng)動態(tài)控制算法中應包含發(fā)動機的調(diào)速控制。

表1為圖1所示結構可能的5種運行狀態(tài)。根據(jù)道路負載的大小,混合動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)可能在純電動、發(fā)動機驅動、行車充電、聯(lián)合驅動、能量回饋5種目標狀態(tài)間相互切換。在任一運行狀態(tài)下,混合動力系統(tǒng)的多能源總成控制器根據(jù)駕駛員的加速踏板開度確定出整車的需求轉矩,并將這一需求轉矩合理地分配給發(fā)動機和電動機,在此稱之為預分配。

以整車運行狀態(tài)從純電動切換到發(fā)動機驅動為例分析狀態(tài)切換過程。切換前,假設電動機的輸出轉矩為60N˙m,切換時電動機的目標轉矩需要由60N˙m快速變?yōu)?,發(fā)動機目標轉矩需要由0很快達到電動機切換前的轉矩60N˙m,這樣才不至于引起總目標轉矩的波動。在這一切換過程中,發(fā)動機為了及時達到目標轉矩,其節(jié)氣門開度會在很短時間內(nèi)快速增大到發(fā)動機目標轉矩對應的節(jié)氣門開度。由此可知,發(fā)動機在節(jié)氣門開度變化過程中,輸出轉矩實際上不可能快速達到目標轉矩,這樣會引起狀態(tài)切換過程中總目標轉矩產(chǎn)生波動,進而造成整車的沖擊,影響舒適性。與發(fā)動機存在響應滯后不同,電動機能很快響應電子油門,輸出其目標轉矩,如果在切換過程中能由電動機將發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉矩與動態(tài)轉矩差值補償?shù)娇偰繕宿D矩中去,則總的目標轉矩可保持穩(wěn)定。由此可見,在狀態(tài)切換階段,首先需要對發(fā)動機和電動機進行轉矩預分配,確定兩者的目標轉矩,然后根據(jù)發(fā)動機和電動機的動態(tài)特性,對狀態(tài)切換過程中出現(xiàn)的發(fā)動機轉矩與預分配轉矩的偏差進行適當?shù)难a償。由此,補償控制也就被包括在混合動力系統(tǒng)動態(tài)控制算法中。

綜上所述,并聯(lián)混合動力系統(tǒng)動態(tài)控制算法包括兩方面的內(nèi)容,即發(fā)動機、電動機目標轉矩的預分配和動態(tài)切換過程中的補償控制。補償控制算法中,必須首先知道發(fā)動機的動態(tài)輸出轉矩,才能算出電動機需補償?shù)霓D矩,這正是上述發(fā)動機轉矩估計問題。歸結起來,并聯(lián)混合動力系統(tǒng)動態(tài)控制算法可概括為“轉矩預分配+發(fā)動機調(diào)速+發(fā)動機動態(tài)轉矩估計+電動機轉矩補償控制”。其中,由于發(fā)動機調(diào)速控制只在部分工況下發(fā)生,故一般工況下動態(tài)控制基本的算法是“轉矩預分配+發(fā)動機動態(tài)轉矩估計+電動機轉矩補償控制”。發(fā)動機調(diào)速控制因發(fā)動機頻域特性較為復雜,仿真很難達到預期效果,需進行大量調(diào)速試驗研究,故本文不涉及發(fā)動機的調(diào)速仿真。

2 轉矩預分配策略

轉矩預分配策略屬于混合動力系統(tǒng)的能量管理范疇。動態(tài)控制算法是以轉矩波動不大為控制目標的,因此需要對發(fā)動機的轉矩、電動機的轉矩及總的需求轉矩等進行識別。

轉矩預分配研究主要包括兩部分:①確定總需求轉矩;②確定各工作模式下的目標轉矩。鑒于邏輯門限控制策略的可靠性及較強的實現(xiàn)性,本文利用發(fā)動機與電動機的穩(wěn)態(tài)效率脈譜(MAP)、擋位及蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)等來制訂轉矩預分配策略。

3 并聯(lián)混合動力汽車發(fā)動機的轉矩估計

如前所述,動態(tài)協(xié)調(diào)控制的方法主要以發(fā)動機的實時轉矩反饋為基礎,利用電動機的快速響應特性對發(fā)動機進行轉矩補償,達到總需求轉矩不產(chǎn)生大的波動的目的。實現(xiàn)這一控制的前提是混合動力控制系統(tǒng)能實時反饋發(fā)動機的轉矩。一般的發(fā)動機本身不提供發(fā)動機的轉矩反饋,為達到混合動力系統(tǒng)動態(tài)控制的目的,必須對發(fā)動機進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)轉矩估計。

發(fā)動機的轉矩估計方法目前主要有三種:基于發(fā)動機平均值模型、基于發(fā)動機曲軸瞬時轉速波動和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的轉矩估計算法[3]。本研究通過AVL動態(tài)實驗臺測試了發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡工具實現(xiàn)了對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)轉矩特性的估計。圖2、圖3所示分別為經(jīng)訓練得到的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉矩估計網(wǎng)絡和油門開度變化率在dα/dt=100%s—1時的動態(tài)轉矩估計網(wǎng)絡。

4 電動機轉矩補償控制策略

在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中,轉矩預分配策略按照汽車駕駛員的轉矩需求預先確定發(fā)動機和電動機的目標轉矩,以使汽車按照駕駛員意圖運行。在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)工作模式不斷變化的過程中,可能引起發(fā)動機和電動機目標轉矩的突變,造成動力源動力輸出不足或超調(diào),同時可能引起傳動系統(tǒng)動力傳遞不平穩(wěn),需要進行電動機補償控制。當并聯(lián)混合動力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換時,可以充分利用電動機對轉矩控制指令迅速響應的特性來調(diào)節(jié)發(fā)動機對其目標轉矩的響應程度。這樣就構成了并聯(lián)混合動力系統(tǒng)轉矩動態(tài)控制策略的基本結構,如圖4所示。

由于發(fā)動機目標轉矩Te是按照當前狀態(tài)下發(fā)動機穩(wěn)態(tài)效率MAP圖確定的,因此目標轉矩是發(fā)動機在當前狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)轉矩,也就是說分配給發(fā)動機的轉矩是多能源控制總成預分配的轉矩。根據(jù)該轉矩,多能源總成控制器給發(fā)動機油門控制器發(fā)送指令,通過控制發(fā)動機節(jié)氣門開度來輸出轉矩,這一節(jié)氣門開度指令是由節(jié)氣門開度計算模塊計算確定的。根據(jù)預分配轉矩,節(jié)氣門開度模塊計算出當前狀態(tài)下發(fā)動機需開啟的節(jié)氣門開度;發(fā)動機轉矩估計模型根據(jù)這一節(jié)氣門開度估計出當前狀態(tài)下發(fā)動機實際輸出的轉矩。若發(fā)動機在當前狀態(tài)下為穩(wěn)態(tài),則輸出轉矩為穩(wěn)態(tài)轉矩(即目標轉矩Te);若發(fā)動機在當前狀態(tài)下為動態(tài),則對應輸出轉矩為動態(tài)轉矩Te_d。穩(wěn)態(tài)和動態(tài)是根據(jù)發(fā)動機節(jié)氣門開度變化率的大小來判斷的,一般情況下,節(jié)氣門開度變化率小于25%s—1時即認為是穩(wěn)態(tài),否則為動態(tài)。

為了滿足總需求轉矩即變速器輸入端轉矩Treq的需求,此時需要電動機輸出剩余的轉矩需求,即對電動機的實際需求轉矩應該為Tm_d:

這樣就可以充分利用電動機對轉矩響應迅速且任何狀態(tài)下零排放的特點,來保證并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中的發(fā)動機在當前狀態(tài)下效率最優(yōu)而排放較低,并且彌補發(fā)動機轉矩響應延遲導致的轉矩輸出不足或超調(diào)的缺點。

5 動態(tài)控制基本算法仿真

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

5.1 定工況仿真

在定工況過程中,并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)是預先設定的,即發(fā)動機和電動機的運行狀態(tài)給定,不需要經(jīng)過轉矩預分配策略對兩者的轉矩進行確定。對采用轉矩動態(tài)控制策略和不采用轉矩動態(tài)控制策略的有關仿真結果進行對比,考察轉矩動態(tài)控制策略在特定運行狀態(tài)時的控制效果。定工況研究就是為了在特定工況中具體考察并聯(lián)混合動力系統(tǒng)轉矩輸出的情況。本文僅以發(fā)動機驅動切換為純電動的過程為例進行說明,假設切換前后傳動系統(tǒng)傳動比為1,駕駛員對動力系統(tǒng)的需求總轉矩維持在45N˙m,則切換前后發(fā)動機和電動機的轉矩變化情況如表2所示。

表2 發(fā)動機驅動切換為純電動前后發(fā)動機和電動機目標轉矩的變化情況

圖5、圖6所示分別為發(fā)動機驅動模式向純電動模式切換過程中不采用動態(tài)控制算法和采用動態(tài)控制算法得到的結果。如圖所示,t=8s時混合動力系統(tǒng)工作模式發(fā)生了切換。比較圖5、圖6可看出,不采用動態(tài)控制算法時,動力系統(tǒng)的實際輸出總轉矩在狀態(tài)切換瞬間出現(xiàn)了很大的波動(圖5a),進而使得加速度出現(xiàn)了大的波動(圖5c),這樣勢必影響整車舒適性;而采用動態(tài)控制算法時,盡管動力系統(tǒng)實際輸出總轉矩在切換瞬間也出現(xiàn)波動,但波動很小(圖6a),加速度也波動不大(圖6c),整車舒適性較好。

沒有轉矩動態(tài)控制時(圖5),在系統(tǒng)發(fā)出狀態(tài)切換指令后,電動機即刻停機,輸出轉矩由45 N˙m驟減到0(圖5b),同時要求發(fā)動機能及時輸出同樣的目標轉矩45N˙m,但由于發(fā)動機對節(jié)氣門信號響應滯后,導致發(fā)動機實際輸出轉矩不能跟蹤其目標轉矩45N˙m,動力系統(tǒng)實際輸出的總轉矩不能滿足駕駛員的轉矩需求,出現(xiàn)驅動轉矩不足的現(xiàn)象,汽車加速度也隨之急劇減小而產(chǎn)生較大的沖擊,影響汽車動力傳遞的平穩(wěn)性。

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

5.2 全工況仿真

全工況仿真是指對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)混合動力系統(tǒng)經(jīng)歷若干個連續(xù)狀態(tài)變化的過程進行仿真。在全工況仿真過程中,發(fā)動機、電動機目標轉矩按照混合動力系統(tǒng)轉矩管理策略確定,并相應地確定混合動力系統(tǒng)的運行模式;轉矩動態(tài)控制策略應能保證在混合動力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換的過程中,發(fā)動機和電動機輸出轉矩之和(即變速器輸入轉矩)滿足駕駛員對轉矩的需求,并保證轉矩傳遞平穩(wěn)。全工況仿真包括加速過程和減速過程,本文僅以加速過程的全工況仿真進行說明。圖7和圖8分別示出了不采用轉矩動態(tài)控制策略和采用轉矩動態(tài)控制策略時的仿真結果。駕駛員加速踏板的行程在第2s時以30%s—1的變化率增大,在5.33s時行程達到最大。隨著踏板行程的持續(xù)增大,混合動力汽車的工作狀態(tài)在4.67s時由純電動切換為發(fā)動機和電動機共同驅動。

由圖7a、圖8a可看出,除變速器換擋期間發(fā)動機和電動機轉速有差別外,其他期間轉速曲線差別不大,這是因并聯(lián)混合動力耦合系統(tǒng)轉速存在1∶1的關系,使發(fā)動機和電動機轉速相等。

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。由于采用了轉矩動態(tài)控制,在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)工作模式發(fā)生切換的第4.67s時刻,圖8b的車速曲線比圖7b的車速曲線相應部分平滑。這是由于在混合動力系統(tǒng)工作模式切換時,電動機輸出轉矩有效地彌補了發(fā)動機轉矩輸出的不足,因而使得圖8c中的汽車加速度曲線在第4.67s時較圖7c的汽車加速度曲線相應部分振蕩幅度小得多。

圖7d中,電動機首先啟動,提供系統(tǒng)所需轉矩,在第4.67s時由于電動機提供的轉矩不能滿足系統(tǒng)的轉矩需求,因此發(fā)動機啟動,參與提供駕駛員的需求轉矩,混合動力系統(tǒng)的工作模式由純電動切換為聯(lián)合驅動,此后混合動力系統(tǒng)一直工作于聯(lián)合驅動的狀態(tài)。由于發(fā)動機對轉矩需求信號響應的滯后,因此發(fā)動機輸出的轉矩變化較慢,但電動機輸出轉矩迅速按照整車控制策略的分配規(guī)則迅速減小。圖8d中,由于運用了轉矩動態(tài)控制策略,因此發(fā)動機輸出轉矩增大較慢;由于發(fā)動機參與提供系統(tǒng)所需轉矩,電動機輸出轉矩有所減小,但由于電動機此時輸出的轉矩中還有應該包含發(fā)動機轉矩輸出的不足部分,因此電動機轉矩輸出減小速度較慢,這樣在滿足駕駛員轉矩需求的前提下,同時也保證了轉矩輸出的平穩(wěn)。

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

6 結論

發(fā)動機穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性存在較大差異,使得并聯(lián)混合動力電動汽車在狀態(tài)切換過程中,因發(fā)動機實際輸出轉矩與預分配的目標轉矩存在差異而影響整車舒適性。為此,本文對混合動力系統(tǒng)狀態(tài)切換過程進行分析,以切換過程中總需求轉矩不發(fā)生大的波動為目標,利用電動機響應快的特點,提出了并聯(lián)混合動力系統(tǒng)“轉矩預分配+發(fā)動機調(diào)速+發(fā)動機動態(tài)轉矩估計+電動機轉矩補償控制”的動態(tài)控制算法。為驗證算法的有效性,搭建了整車仿真平臺,并分別進行了采用動態(tài)轉矩控制算法和不采用動態(tài)轉矩控制算法的定工況和全工況仿真。仿真結果表明,上述動態(tài)控制算法能有力地解決并聯(lián)混合動力汽車在狀態(tài)切換過程中轉矩波動大的問題,大大提高了狀態(tài)切換過程中整車的舒適性。

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