趙治國(guó),代顯軍,王 晨，,張 彤,袁喜悅

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心,上海 201804； 2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,寧波 315300)

前言

豐田Prius混合動(dòng)力汽車(chē)最新搭載的THS-III(Toyota hybrid system)系統(tǒng)采用獨(dú)特的雙行星排動(dòng)力分配和雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種運(yùn)行模式。其中，純電動(dòng)模式僅利用蓄電池為電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，清潔、無(wú)污染，多用于城市短途工況。而混合動(dòng)力模式可以利用電機(jī)調(diào)速使發(fā)動(dòng)機(jī)保持工作在最佳工況區(qū)域，提高了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)[1]中針對(duì)THS-II系統(tǒng)，推導(dǎo)了其動(dòng)力學(xué)方程，描述了其能量流動(dòng)方式，利用杠桿法分析其工作模式，并通過(guò)建模仿真驗(yàn)證了基于THS-II系統(tǒng)的整車(chē)能量管理策略。文獻(xiàn)[2]中對(duì)THS系統(tǒng)的電機(jī)控制策略進(jìn)行了研究，為獲得較高的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率，分別對(duì)其純電動(dòng)、混合動(dòng)力和減速制動(dòng)模式的雙電機(jī)的控制方式進(jìn)行探討。文獻(xiàn)[3]中通過(guò)后向仿真，對(duì)比分析了THS-II系統(tǒng)和AHS(allison hybrid system)系統(tǒng)的能量分配策略，指出僅有一種功率分流模式的THS-II系統(tǒng)能量損失大于具有兩種功率分流模式的AHS系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]中推導(dǎo)了THS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出了一種改進(jìn)的基于實(shí)時(shí)優(yōu)化的等效燃油消耗量最小控制策略，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)，證明了其有效性。文獻(xiàn)[5]中基于車(chē)輛目標(biāo)運(yùn)行工況，分析了THS系統(tǒng)各關(guān)鍵動(dòng)力部件的參數(shù)設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)蓄電池可用功率，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了電機(jī)控制策略。然而，以上文獻(xiàn)對(duì)THS-III系統(tǒng)的純電動(dòng)模式僅做了穩(wěn)態(tài)研究，并未考慮瞬態(tài)過(guò)程中的車(chē)輛行駛平穩(wěn)性問(wèn)題。

本文中以THS-III系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用杠桿法描述了其純電動(dòng)動(dòng)態(tài)加速過(guò)程，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響因素，針對(duì)該過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其直接被起動(dòng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制策略，有效抑制了THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高了動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率，改善了車(chē)輛行駛的平穩(wěn)性。

1 THS-III系統(tǒng)杠桿模型

1.1 單行星排杠桿等效

單行星排轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系[6]滿(mǎn)足方程：

Ts+Tr+Tc=0

(1)

Ts∶Tr∶Tc=1∶i∶-(1+i)

(2)

ws+iwr=(1+i)wc

(3)

式中：Ts、Tr、Tc分別為作用于太陽(yáng)輪、齒圈、行星架的轉(zhuǎn)矩；ws、wr、wc分別為太陽(yáng)輪、齒圈、行星架的角速度；i為齒圈與太陽(yáng)輪的齒數(shù)比。根據(jù)杠桿法[7-8]，單行星排杠桿等效圖如圖1所示。

圖1中虛線(xiàn)杠桿與s軸、c軸和r軸的交點(diǎn)距水平實(shí)線(xiàn)的距離分別代表ws、wc、wr,c軸與r軸、s軸的水平距離代表行星排傳動(dòng)比。

1.2 THS-III系統(tǒng)杠桿等效

豐田汽車(chē)公司于2009年推出了Prius第三代車(chē)型，它搭載的THS-III混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖2所示，采用雙行星排、雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，前行星排起功率分流作用，后行星排僅起定軸傳動(dòng)作用。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)扭轉(zhuǎn)減振器與前排行星架相連，小電機(jī)MG1(motor and generator)與前排太陽(yáng)輪相連，大電機(jī)MG2(驅(qū)動(dòng)電機(jī))與后排太陽(yáng)輪相連，后排行星架鎖止在變速器殼體上，前后行星排共用齒圈。該變速器為典型的輸入功率分流裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率通過(guò)前行星排進(jìn)行一次分流，分流后的能量一部分通過(guò)電機(jī)MG1以電能形式作用于電機(jī)MG2或者存儲(chǔ)于蓄電池中，另一部分以機(jī)械能的形式與電機(jī)MG2產(chǎn)生的功率復(fù)合后傳至齒圈輸出端。

根據(jù)1.1節(jié)行星排杠桿等效原理，忽略各元件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，可以對(duì)前行星排進(jìn)行杠桿等效，如圖3所示。

2 純電動(dòng)模式下等效杠桿分析

純電動(dòng)模式下，電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩經(jīng)后行星排放大在齒圈端產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩TMG2，TMG2克服齒圈阻力轉(zhuǎn)矩Tf使齒圈產(chǎn)生角加速度，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前行。此外，該合力轉(zhuǎn)矩(TMG2與Tf之差并除去用于使齒圈產(chǎn)生角加速度的轉(zhuǎn)矩)按式(2)在行星架、小太陽(yáng)輪上產(chǎn)生等效轉(zhuǎn)矩Tc和Ts。若等效轉(zhuǎn)矩Tc小于發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)阻力轉(zhuǎn)矩TEng，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在零點(diǎn)，電機(jī)MG1保持空轉(zhuǎn)；反之，若等效轉(zhuǎn)矩Tc大于發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)阻力轉(zhuǎn)矩TEng，則發(fā)動(dòng)機(jī)將被起動(dòng)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)，由式(3)可知，此時(shí)會(huì)引起齒圈端轉(zhuǎn)速變化，從而影響輸出端平穩(wěn)性。實(shí)際控制應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)MG1輸出轉(zhuǎn)矩TMG1，將行星架轉(zhuǎn)速控制在零點(diǎn)附近，同時(shí)為電機(jī)MG2提供補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩TMG2′，以消除TMG1對(duì)齒圈輸出端造成的影響。若純電動(dòng)加速過(guò)程中行星架轉(zhuǎn)速始終維持在零點(diǎn)，隨著車(chē)速的增加，齒圈阻力轉(zhuǎn)矩Tf也隨之增加，直至電機(jī)MG2輸出轉(zhuǎn)矩TMG2與齒圈阻力轉(zhuǎn)矩Tf相平衡，杠桿位置保持穩(wěn)定，系統(tǒng)進(jìn)入勻速純電動(dòng)模式，忽略各個(gè)元件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，純電動(dòng)過(guò)程等效杠桿如圖4所示。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)影響因素分析

THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)模式下只有電機(jī)MG2提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，整車(chē)控制框圖如圖5所示，圖中HCU為整車(chē)控制器，MCU2為電機(jī)MG2控制器，W2、V2、U2為電機(jī)MG2的三相電壓控制信號(hào)。在Matlab軟件平臺(tái)上建立了整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)模型及其在純電動(dòng)模式下的控制模型，如圖6所示,圖中nENG、nMG1、nMG2、nring分別表示仿真過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2和齒圈端的轉(zhuǎn)速，TMG1、TMG2表示MG1、MG2的轉(zhuǎn)矩。模型相關(guān)部件參數(shù)[9]見(jiàn)表1。調(diào)整模型參數(shù)，仿真對(duì)比了THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)運(yùn)行時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的主要因素，結(jié)果分別如圖7～圖9所示。它們分別為不同的輸出端需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)阻力矩和扭轉(zhuǎn)減振器阻尼下的齒圈與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩時(shí)間歷程。

表1 THS-III系統(tǒng)模型主要參數(shù)

由圖7～圖9可見(jiàn)，輸出端需求轉(zhuǎn)矩越大，發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)阻力轉(zhuǎn)矩越小，扭轉(zhuǎn)減振器阻尼越小，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)越明顯，整車(chē)行駛平穩(wěn)性越差。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制與仿真

由上述分析可知，若不實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制，THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)急加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)被起動(dòng)，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)，影響了動(dòng)力輸出的平穩(wěn)性，因此，需要設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制策略抑制其轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保整車(chē)行駛的平穩(wěn)性。根據(jù)THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)模式工作原理，并引入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制，所設(shè)計(jì)的整車(chē)控制框圖如圖10所示。

圖10中HCU為整車(chē)控制器，MCU1為電機(jī)MG1的控制器，nENG′為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速，i為行星排傳動(dòng)比，W1、V1、U1為電機(jī)MG1的三相電壓控制信號(hào)，其余符號(hào)的意義同上。

引入的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制如圖10中點(diǎn)劃線(xiàn)框所示，通過(guò)控制電機(jī)MG1轉(zhuǎn)矩，并進(jìn)行MG2轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在零點(diǎn)附近，一方面解決其轉(zhuǎn)速波動(dòng)所導(dǎo)致的直接被起動(dòng)的問(wèn)題，另一方面減少了摩擦功，改善了動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率。

其中PID控制器輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速(為零)與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，輸出為電機(jī)MG1需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的采集一般采用霍爾式或磁電式傳感器，其采集精度與信號(hào)發(fā)生頻率有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，信號(hào)采集越不準(zhǔn)，而純電動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)的轉(zhuǎn)速往往不高，故送入PID控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不宜直接用其反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)，而應(yīng)該利用兩個(gè)電機(jī)控制器反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速(精度高)通過(guò)單行星排轉(zhuǎn)速約束關(guān)系計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速后送入PID控制器。

電機(jī)MG2的需求轉(zhuǎn)矩來(lái)源于兩部分：一部分是根據(jù)輸出端工況，根據(jù)加速踏板行程和車(chē)速信號(hào)查整車(chē)轉(zhuǎn)矩需求表得到其基本需求轉(zhuǎn)矩，另一部分是添加轉(zhuǎn)矩修正模塊，即MG1需求轉(zhuǎn)矩乘以行星排傳動(dòng)比，得到其修正轉(zhuǎn)矩，這兩部分疊加后為MG2實(shí)際需求轉(zhuǎn)矩。添加MG2轉(zhuǎn)矩修正模塊是因?yàn)楦鶕?jù)式(2)，MG1補(bǔ)償時(shí)其轉(zhuǎn)矩會(huì)在齒圈端產(chǎn)生與MG2驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相反方向的等效轉(zhuǎn)矩，故要添加修正模塊以補(bǔ)償MG1轉(zhuǎn)矩對(duì)輸出端的影響。

得到電機(jī)MG1和MG2的需求轉(zhuǎn)矩信號(hào)后，送入電機(jī)控制器以控制其轉(zhuǎn)矩輸出。為確保動(dòng)力輸出的平穩(wěn)性，須合理選擇整車(chē)控制器HCU和電機(jī)控制器MCU1、MCU2的采樣時(shí)間。采樣時(shí)間越短，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的響應(yīng)速度越快，能更快地抑制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)一步改善車(chē)輛行駛的平穩(wěn)性。

純電動(dòng)模式下電機(jī)MG1、MG2補(bǔ)償前后的仿真對(duì)比結(jié)果如圖11所示。由圖可知，電機(jī)MG1、MG2補(bǔ)償前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；補(bǔ)償后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)減小，并迅速降為零，改善了動(dòng)力輸出的平穩(wěn)性，從而驗(yàn)證了上述電機(jī)補(bǔ)償策略的有效性。

為分析控制器采樣時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和動(dòng)力輸出平穩(wěn)性的影響，在電機(jī)補(bǔ)償作用下，通過(guò)設(shè)置不同的整車(chē)控制器HCU、電機(jī)控制器MCU1和MCU2的采樣時(shí)間(其中較長(zhǎng)采樣時(shí)間為40ms，較短采樣時(shí)間為10ms)，分別得到不同控制器采樣時(shí)間下的仿真對(duì)比結(jié)果，如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可見(jiàn)，整車(chē)控制器HCU和電機(jī)控制器MCU1、MCU2采樣時(shí)間越短，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)越小。說(shuō)明合理選擇控制器采樣時(shí)間，可使PID控制器輸出的MG1轉(zhuǎn)矩和齒圈端的MG2轉(zhuǎn)矩均能更快地抑制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和補(bǔ)償輸出，從而改善動(dòng)力輸出的平穩(wěn)性。

最終引入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制并合理選擇控制器采樣時(shí)間(控制器HCU、MCU1、MCU2采樣時(shí)間均為0.01s)，得到的仿真結(jié)果如圖14所示?？梢?jiàn)優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍小，持續(xù)時(shí)間短，并迅速下降為零，齒圈轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也較小，輸出端平穩(wěn)性得到明顯改善。至此，THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)整車(chē)控制策略的有效性得到驗(yàn)證。

5 結(jié)論

(1) 利用杠桿法對(duì)THS-III系統(tǒng)純電動(dòng)加速過(guò)程進(jìn)行的分析表明：純電動(dòng)模式下若僅對(duì)電機(jī)MG2實(shí)施轉(zhuǎn)矩控制，可能會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)被起動(dòng)，不僅嚴(yán)重影響車(chē)輛行駛的平穩(wěn)性，而且會(huì)降低系統(tǒng)的工作效率。

(2) 輸出端需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)阻力轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)減振器阻尼是影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的主要因素。輸出端需求轉(zhuǎn)矩越大，發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)阻力轉(zhuǎn)矩越小，扭轉(zhuǎn)減振器阻尼越小，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)越明顯。

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制能夠明顯降低其轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍，并且通過(guò)電機(jī)MG2轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，能夠確保動(dòng)力輸出端的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和控制精度。同時(shí)，合理選擇采樣時(shí)間也能明顯改善車(chē)輛的行駛平穩(wěn)性。

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