單電機式強混合動力車輛控制策略

戴一凡 羅禹貢 邊明遠 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,并對行進中啟動發(fā)動機過程進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制。通過仿真分析了整車燃油經(jīng)濟性,并通過臺架試驗對動態(tài)協(xié)調(diào)控制進行了驗證。

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。

目標壓力通過PID控制器進行調(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)值通過仿真進行調(diào)整,以得到較好的控制效果。目標壓力pt通過臺架試驗結(jié)果調(diào)整,選取合適值。

行進中啟動發(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 行進中啟動發(fā)動機協(xié)調(diào)控制過程

3 經(jīng)濟性能仿真

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)過程進行準確模擬,故只用其進行油耗仿真分析。

3.2 仿真結(jié)果

在NEDC循環(huán)工況下進行仿真分析。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,車輛進入經(jīng)濟性充電模式,電機轉(zhuǎn)矩為負,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行了仿真分析。SOC平衡法通過改變SOC初始值,進行多次仿真,將SOC變化量與油耗結(jié)果進行線性擬合,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)的防護罩內(nèi)進行駕駛操作,監(jiān)控人員在右側(cè)的防護室內(nèi)進行監(jiān)控。

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

4.2 行進中啟動發(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),對車輛行進中啟動發(fā)動機的過程進行了測試。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壓力。在油壓達到門限值 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面影響。試驗過程驗證了這一波動可以通過進一步地匹配調(diào)試進行調(diào)整,使得發(fā)動機啟動過程對車速的沖擊達到最小,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34%。通過臺架試驗,驗證了行進中啟動發(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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