戴一凡 羅禹貢 邊明遠(yuǎn) 李克強

清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京,100084

0 引言

強混合動力(full hybrid)車輛能夠?qū)崿F(xiàn)混合動力系統(tǒng)的所有功能,其節(jié)油效果在各類混合動力車輛中最佳,尤其適合啟停頻繁的城市工況。隨著市場對低油耗低排放車輛需求的日益強烈[1],以及國家相關(guān)鼓勵措施的出臺,強混合動力車輛的市場前景被普遍看好。

目前國內(nèi)外的強混方案多采用雙驅(qū)動電機結(jié)構(gòu),如豐田公司的Prius車型[2]和雷克薩斯RX400h車型[3],以及國內(nèi)的一汽奔騰B70HEV車型[4]。雙電機結(jié)構(gòu)有運行平穩(wěn)的優(yōu)勢,但其缺點是成本過高。單電機式結(jié)構(gòu)成本低廉,但其存在模式切換沖擊較大、動態(tài)過程控制復(fù)雜等問題,需要一套有效的控制策略對其動態(tài)過程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

本文所研究的強混合動力系統(tǒng),采用了一種新型的單電機、雙離合器式結(jié)構(gòu)。在副離合器位置用限力矩離合器代替了傳統(tǒng)干式離合器?；谶@種結(jié)構(gòu)特點,本文提出了強混合動力系統(tǒng)的分層控制系統(tǒng)方案。采用基于優(yōu)化ICE曲線的整車能量管理策略,并對行進(jìn)中啟動發(fā)動機過程進(jìn)行動態(tài)協(xié)調(diào)控制。通過仿真分析了整車燃油經(jīng)濟(jì)性,并通過臺架試驗對動態(tài)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了驗證。

1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的強混方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單電機結(jié)構(gòu)是本方案一大特點,不僅較目前常見的雙電機結(jié)構(gòu)節(jié)約了成本,其控制過程也相對簡單可靠。本方案的另一特點是限力矩離合器的使用,可以使驅(qū)動電機啟動發(fā)動機的過程平緩可控,減小對傳動系統(tǒng)的沖擊。

該方案為前驅(qū)結(jié)構(gòu),動力系統(tǒng)包括1.5L直列四缸發(fā)動機、驅(qū)動電機。傳動系統(tǒng)包括五擋手動變速器(MT)及主減速器。限力矩離合器斷開時,可由驅(qū)動電機單獨驅(qū)動車輛。限力矩離合器接合過程中,驅(qū)動電機可在驅(qū)動車輛的同時啟動發(fā)動機。當(dāng)接合過程完成后,發(fā)動機與驅(qū)動電機可共同驅(qū)動車輛行駛。單向離合器使得電機轉(zhuǎn)速不會低于發(fā)動機轉(zhuǎn)速,即保證發(fā)動機啟動完成后,限力矩離合器兩端沒有轉(zhuǎn)速差,不會造成限力矩離合器的過度滑摩。

車輛控制系統(tǒng)包括多能源總成控制器(HCU)、發(fā)動機控制器(ECU)、電池控制器(BCU)、電機控制器(IPU),它們通過CAN總線進(jìn)行通信。

該強混結(jié)構(gòu)還保留了傳統(tǒng)車上的12V啟動電機,以保證動力電池電量過低時發(fā)動機能正常啟動。

2 分層控制系統(tǒng)

2.1 分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

外部輸入條件包括駕駛員的操縱意圖和車輛運行狀態(tài)反饋?？刂茖臃譃槿?其中能量管理策略根據(jù)外部輸入條件判斷駕駛員意圖,選擇相應(yīng)的車輛工作模式并對動力系統(tǒng)進(jìn)行功率分配。發(fā)動機、驅(qū)動電機及限力矩離合器的工作狀態(tài)由動態(tài)協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制,保證動力系統(tǒng)響應(yīng)及時且車輛運行平穩(wěn)。在滿足部件工作的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等限制條件時,控制器對各部件輸出控制命令。

本研究的核心在于能量管理策略能否有效地發(fā)揮該強混方案的節(jié)油優(yōu)勢及行進(jìn)中啟動發(fā)動機動態(tài)過程的控制效果。

2.2 能量管理策略

能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 駕駛員意圖識別

駕駛員意圖識別包括驅(qū)動/制動意圖判斷和需求功率計算。由表1可以確定駕駛員驅(qū)動/制動意圖。其中,滑行是指車輛既不提供驅(qū)動力又不進(jìn)行制動的狀態(tài)。

表1 駕駛員驅(qū)動與制動需求的確定

需求轉(zhuǎn)矩決定于車速與加速踏板行程。其定義曲面采用的是原有某款同級別車型的實測數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過滑行、大加速、最高車速等幾個關(guān)鍵點的需求轉(zhuǎn)矩情況,擬合出整個車輛需求轉(zhuǎn)矩曲面,主要是通過駕駛員的感受來進(jìn)行調(diào)節(jié)的[5]。

2.2.2 模式選擇

模式選擇部分接收輸入的駕駛員意圖與車輛狀態(tài),根據(jù)基于“優(yōu)化ICE曲線”的控制策略劃分的工作區(qū)域,決定車輛的工作模式。

圖4所示為發(fā)動機Map圖上的工作區(qū)域劃分,表2所示為根據(jù)轉(zhuǎn)矩雜件的工作區(qū)域劃分。其中,需求轉(zhuǎn)矩Tr是關(guān)于需求轉(zhuǎn)速n的函數(shù);T1、T2、T3分別為純電動區(qū)域上限轉(zhuǎn)矩、經(jīng)濟(jì)性充電區(qū)域上限轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機外特性曲線對應(yīng)轉(zhuǎn)矩。T1、T2分別由下式確定:

表2 根據(jù)轉(zhuǎn)矩條件的工作區(qū)域劃分

純電動區(qū)域上限轉(zhuǎn)矩T1與經(jīng)濟(jì)性充電上限轉(zhuǎn)矩T2是由仿真結(jié)果調(diào)整得出的最優(yōu)值。由于該發(fā)動機在外特性線處效率較高,故外特性曲線對應(yīng)轉(zhuǎn)矩T3即為發(fā)動機驅(qū)動區(qū)域的上限轉(zhuǎn)矩。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超出T3后,由電機補充額外的轉(zhuǎn)矩。

2.2.3 功率分配

驅(qū)動狀態(tài)下,根據(jù)本方案的雙離合器、單電機特點,定義了車輛的若干種工作模式及其相應(yīng)的功率分配策略,如表3所示。其中 Tm、Te、Ts分別表示電機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機啟動所需轉(zhuǎn)矩,Tch、Te,max表示經(jīng)濟(jì)性充電模式下的發(fā)動機工作轉(zhuǎn)矩及發(fā)動機可以提供的最大轉(zhuǎn)矩。

表3 驅(qū)動模式劃分及扭矩分配

制動狀態(tài)下,在保留傳統(tǒng)車輛液壓制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電機能量回饋功能。車輛受到的制動力包括液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦制動力和驅(qū)動電機的再生制動力[5]。前輪受到的制動力如下:

圖5顯示了摩擦制動力矩與再生制動力矩的分配關(guān)系。制動踏板開度在10%以內(nèi)時,由于空行程和液壓系統(tǒng)遲滯,沒有摩擦力矩產(chǎn)生,此時電機提供制動力矩。隨著制動踏板開度增大,再生制動力矩以一定斜率增大至最大轉(zhuǎn)矩Tm,max,摩擦制動力矩也逐漸增大。制動強度很大時停止再生制動,避免干擾 ABS正常工作。

2.3 行進(jìn)中啟動發(fā)動機動態(tài)協(xié)調(diào)控制

車輛處于純電動運行狀態(tài)下,由于加速或爬坡等因素,需要接合限力矩離合器以啟動發(fā)動機共同驅(qū)動。此時電機在提供車輛行駛所需驅(qū)動力的同時,還需要配合限力矩離合器的接合過程,提供啟動發(fā)動機所需轉(zhuǎn)矩,使發(fā)動機從靜止到設(shè)定轉(zhuǎn)速的過程不超過0.4s[6]。該過程中,電機轉(zhuǎn)矩與限力矩離合器的接合動作需要動態(tài)協(xié)調(diào)控制,以保證發(fā)動機正常啟動且不對車輛的正常行駛造成過大沖擊。

當(dāng)限力矩離合器的結(jié)構(gòu)確定后,滑動摩擦力矩T只取決于作用于摩擦面上的總壓力N,即取決于限力矩離合器的油壓大小。因此對限力矩離合器目標(biāo)油壓的控制可以有效地解決啟動過程中對傳動系統(tǒng)的沖擊問題。

目標(biāo)壓力通過PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),傳遞函數(shù)如下:

式中,KP、KI、KD分別為比例環(huán)節(jié)參數(shù)、積分環(huán)節(jié)參數(shù)、微分環(huán)節(jié)參數(shù)。

依據(jù)式(3),可以建立離散化的PID控制器模型:

式中,pt、pr分別為目標(biāo)壓力、反饋實際壓力(接合壓力),MPa。

(2)校友資源具有聯(lián)系密切性的特點。每一個從母校畢業(yè)的校友他們分布在各地但是同時又和母校有著密切的聯(lián)系，時刻關(guān)注母校的發(fā)展。他們借助于校友會、二級院系的教師在定期或不定期聯(lián)系，他們在母校舉辦聚會、為母校捐贈書籍、在母校招聘人才、在母校設(shè)立校友獎學(xué)金等等。

KP、KI、KD參數(shù)值通過仿真進(jìn)行調(diào)整,以得到較好的控制效果。目標(biāo)壓力pt通過臺架試驗結(jié)果調(diào)整,選取合適值。

行進(jìn)中啟動發(fā)動機過程的時序如圖6所示。其中,t1為啟動過程開始時刻;t2為電機加載啟動轉(zhuǎn)矩時刻;t3為電機卸載啟動轉(zhuǎn)矩時刻。

啟動過程中對電機的控制包括加載啟動轉(zhuǎn)矩的大小、加載時刻和卸載時刻。其中加載時刻由限力矩離合器油壓建立過程決定,卸載時刻由發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定,啟動轉(zhuǎn)矩大小通過臺架試驗選取合適值。表4所示為行進(jìn)中啟動發(fā)動機的動態(tài)協(xié)調(diào)控制過程。其中,p0與n0分別為設(shè)定的限力矩離合器油壓與發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速門限值。

表4 行進(jìn)中啟動發(fā)動機協(xié)調(diào)控制過程

3 經(jīng)濟(jì)性能仿真

3.1 仿真系統(tǒng)建立

建立了前向仿真系統(tǒng),共包括循環(huán)工況、駕駛員模型、車輛控制器、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車輛動力學(xué)模型六大模塊。

仿真中整車整備質(zhì)量為1400kg,發(fā)動機排量為1.5L,最大功率 69kW,電機功率為 12kW,電池容量為6.3A˙h。

由于該仿真模型不能對動態(tài)過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,故只用其進(jìn)行油耗仿真分析。

3.2 仿真結(jié)果

在NEDC循環(huán)工況下進(jìn)行仿真分析。對車速跟蹤結(jié)果、車輛運行模式、發(fā)動機工作點、電機工作點、電池荷電狀態(tài)SOC(state of charge)等進(jìn)行了仿真分析,截取其中430～630s的一段數(shù)據(jù)如圖7所示。

在起步階段,電機提供車輛驅(qū)動所需轉(zhuǎn)矩,發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為零,為純電動模式,此時SOC值降低。隨著車速提高,發(fā)動機被啟動,車輛進(jìn)入經(jīng)濟(jì)性充電模式,電機轉(zhuǎn)矩為負(fù),處于發(fā)電狀態(tài),SOC值升高。勻速階段車輛回到純電動模式。制動階段電機進(jìn)行制動能量回收。

仿真結(jié)果表明車輛能夠正確地識別駕駛員的驅(qū)動/制動需求,選擇合適的工作模式,能對發(fā)動機和電機的輸出功率進(jìn)行合理分配。

采用SOC平衡法對NEDC循環(huán)工況下的等效百公里油耗進(jìn)行了仿真分析。SOC平衡法通過改變SOC初始值,進(jìn)行多次仿真,將SOC變化量與油耗結(jié)果進(jìn)行線性擬合,找出SOC平衡點,得出最終油耗。其中初始SOC為0.6時的仿真結(jié)果如圖8所示。

找出SOC平衡點后,最終仿真結(jié)果如表5所示。表5中的對比車型搭載的是2.0L發(fā)動機,整備質(zhì)量為1485kg。

表5 油耗仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知,該強混方案在NEDC循環(huán)工況下等效百公里油耗較對比車型降低了34%。

4 動態(tài)過程臺架試驗

4.1 臺架試驗系統(tǒng)

臺架試驗系統(tǒng)如圖9所示。其中兩臺FEV測功機分別模擬左右車輪。ECU、IPU、BCU通過CAN總線與HCU(dSPACE快速原型)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖10為試驗臺架實物圖。駕駛員在左側(cè)的防護(hù)罩內(nèi)進(jìn)行駕駛操作,監(jiān)控人員在右側(cè)的防護(hù)室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控。

由于該試驗臺架尚不具備模擬循環(huán)工況的功能,故只用其驗證行進(jìn)中啟動發(fā)動機動態(tài)協(xié)調(diào)過程,不進(jìn)行油耗測試。

4.2 行進(jìn)中啟動發(fā)動機試驗結(jié)果

在1～4擋條件下,電機轉(zhuǎn)速為800～2000 r/min范圍內(nèi),對車輛行進(jìn)中啟動發(fā)動機的過程進(jìn)行了測試。結(jié)果驗證了在上述條件下,電機均能正常地啟動發(fā)動機,且能保持車輛驅(qū)動所需力矩,從而也驗證了本文行進(jìn)中啟動發(fā)動機動態(tài)協(xié)調(diào)控制的可行性。

電機轉(zhuǎn)速在啟動過程中會出現(xiàn)一定的波動,這一波動通過調(diào)節(jié)限力矩離合器的油壓和電機啟動轉(zhuǎn)矩的加載與卸載時刻能夠得到較好的控制。圖11所示為2擋、電機轉(zhuǎn)速為800r/min時的試驗結(jié)果。

由試驗結(jié)果可看出,限力矩離合器油壓在0.8s之前緩慢上升,0.8s之后迅速升高到目標(biāo)壓力。在油壓達(dá)到門限值 p0后,電機加載啟動力矩。加載后,發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大,至啟動轉(zhuǎn)速n0后,開始噴油、點火,電機卸載啟動轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機從靜止到設(shè)定轉(zhuǎn)速的時間短于0.3s。發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)速相同后,啟動過程完成,進(jìn)入混合驅(qū)動模式。

電機轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)出啟動過程對車輛行駛速度的沖擊。由試驗結(jié)果可以看出,啟動過程中電機轉(zhuǎn)速存在小幅波動,會導(dǎo)致車速出現(xiàn)變化。這種變化將會對車輛的舒適性造成負(fù)面影響。試驗過程驗證了這一波動可以通過進(jìn)一步地匹配調(diào)試進(jìn)行調(diào)整,使得發(fā)動機啟動過程對車速的沖擊達(dá)到最小,保證車輛行駛的舒適性。

5 結(jié)束語

本文建立了一種新型單電機、雙離合器式強混合動力車輛的分層控制系統(tǒng)。通過仿真分析,驗證了所制定的能量管理策略能夠發(fā)揮此強混方案的節(jié)油優(yōu)勢,使得整車油耗降低達(dá)34%。通過臺架試驗,驗證了行進(jìn)中啟動發(fā)動機的動態(tài)過程平穩(wěn)可控,證明了動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的可行性和有效性。

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