機電式CVT插電式混合動力系統(tǒng)模式切換控制

葉 明 程 越 舒 紅

1.重慶理工大學汽車零部件制造與檢測技術教育部重點實驗室，重慶，400054

2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400044

0 引言

插電式混合動力汽車作為國家重點扶持的新能源車輛，越來越受到關注［1－2］。轎車和客車企業(yè)都在發(fā)展自己的插電式混合動力車型［3－4］。

插電式混合動力車輛工作模式較多，各工作模式之間的切換品質(zhì)直接影響到車輛的行駛性能，是插電式混合動力汽車需要解決的關鍵技術之一。Davis等［5］利用發(fā)動機狀態(tài)觀測器，通過電機消除扭矩波動。王慶年等［6］提出了基于電機輔助的模式切換協(xié)調(diào)控制策略，用以減小扭矩波動。顏伏伍等［7］提出了利用電機補償發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的模式切換策略，提高了驅(qū)動模式的切換性能與效果。嚴運兵等［8］提出了“轉(zhuǎn)矩預分配＋發(fā)動機調(diào)速＋發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計＋電動機轉(zhuǎn)矩補償控制”的動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，降低了各模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩波動。楊陽等［9］通過發(fā)動機、電機以及離合器的扭矩協(xié)調(diào)控制，提高了切換品質(zhì)。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制較困難，模式切換主要采用電機扭矩補償?shù)姆椒▉頊p小模式切換的沖擊。

插電式混合動力汽車需要通過變速器對其動力源（發(fā)動機和電機）的工作區(qū)域進行優(yōu)化，以有效發(fā)揮自身性能。無級自動變速器（continuously variable transmission，CVT）能實現(xiàn)真正意義上的無級自動變速，在調(diào)整動力源工作區(qū)域方面具有突出的優(yōu)點，并且CVT是目前最舒適的一種自動變速器，因此在很多的混合動力汽車中都裝備了CVT。但傳統(tǒng)的電控液動CVT自身需要一套液壓系統(tǒng)［10］，系統(tǒng)油壓由發(fā)動機輸出建立，制造成本相對較高且效率較低。特別是對于插電式混合動力系統(tǒng)，在純電動工況下，無法持續(xù)保證傳統(tǒng)CVT的系統(tǒng)油壓，如果再加裝一套獨立的供油系統(tǒng)，不僅會帶來控制上的諸多問題，而且在成本上也無法接受。因此，傳統(tǒng)的CVT在插電式混合動力系統(tǒng)乃至純電動系統(tǒng)上的應用都受到了限制。機電控制CVT完全拋棄了傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，從而大大降低了系統(tǒng)的制造復雜性，成本降低30%以上，整機傳動效率提高10%，整車能耗大大減小，可靠性提高。因此，機電控制CVT在插電式混合動力系統(tǒng)上的應用有著不可比擬的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)結構及工況模式分析

圖1所示為搭載機電式CVT的插電式混合動力系統(tǒng)。為了簡化系統(tǒng)機構，僅在發(fā)動機和電機之間置有一自動離合器，通過整車控制器對其進行自動控制，實現(xiàn)發(fā)動機和電機能量的合并與分離，并在電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）很小的情況下，實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動起步。電機與CVT直接相連，通過差速器將驅(qū)動力傳遞到車輪。發(fā)動機啟動仍然采用傳統(tǒng)的啟動電機，由12V車載電池供電。由于采用了機電式CVT，不需要再單獨構建一套液壓系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構和控制都大大簡化。根據(jù)該系統(tǒng)的特點，在車輛行駛過程可具有以下工作模式：

圖1 搭載機電CVT的插電式混合動力系統(tǒng)

（1）發(fā)動機單獨驅(qū)動。當SOC較小且需求功率較大時，發(fā)動機單獨工作，以驅(qū)動車輛行駛。在此模式下，自動離合器處于結合狀態(tài)，電機關閉，發(fā)動機處于油門控制模式。

（2）電機單獨驅(qū)動模式（純電動）。當SOC較高，并且需求功率在電機輸出功率范圍內(nèi)，可由電機單獨驅(qū)動車輛行駛。在此模式下，自動離合器分離，發(fā)動機關閉，電機處于電動狀態(tài)下的扭矩控制模式。這是插電式混合動力汽車的主要工作模式［11］。

（3）發(fā)動機／電機混合驅(qū)動模式。當車輛需求功率較高，且電池SOC在許可的范圍內(nèi)，則發(fā)動機和電機同時工作，共同輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛。在此模式下，自動離合器處于結合狀態(tài)，電機處于電動狀態(tài)下的扭矩控制模式，發(fā)動機處于扭矩控制模式。扭矩根據(jù)控制策略進行分配。

（4）電池充電模式。當電池SOC較小，且車輛需求功率小于發(fā)動機當前所能提供的最大功率時，可利用發(fā)動機的富余功率對電池進行充電。在這種模式下，自動離合器處于結合狀態(tài)，發(fā)動機處于扭矩控制模式，電機處于發(fā)電狀態(tài)下的扭矩控制模式［12］。

（5）再生制動。當SOC小于90%時，車輛在緩速或輕微制動的狀態(tài)下，進入再生制動工作模式。為了最大化回收制動能量，可將自動離合器斷開，從而消除發(fā)動機的反拖轉(zhuǎn)矩所帶來的影響。系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)控制CVT、電機和電池，最大化回收能量［13］。當需求制動強度較大或防抱死系統(tǒng)（ABS）工作時，從安全的角度出發(fā)，制動器單獨工作，再生制動停止［14］。

由于所研究的系統(tǒng)結構只有一個離合器，在模式切換過程中，當傳動比不變時，不能對電機進行大范圍的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。因此，需要利用系統(tǒng)特點，在模式切換過程中，對發(fā)動機、離合器、CVT以及驅(qū)動電機進行綜合控制，使系統(tǒng)獲得最佳的模式切換性能。

2 動力源建模

2.1 驅(qū)動電機建模

所研究的系統(tǒng)采用永磁同步電機作為驅(qū)動電機。通過Clarke和Park變換，建立永磁同步電機轉(zhuǎn)子直角坐標系（d－q）數(shù)學模型，這樣不僅可分析電機的穩(wěn)態(tài)運行性能，也可分析瞬態(tài)過程。假設電機磁路不飽和，定子三相繞組完全對稱，忽略磁滯、渦流的影響，則三相繞組的電壓平衡方程可表示為

式中，Ud、Uq分別為d軸和q軸相電壓，V；Id、Iq分別為d軸和q軸相電流，A；R為電阻，Ω；Ld、Lq分別為d軸和q軸電感，H；Ke為反電動勢系數(shù)，V／（rad·s－1）；p為極對數(shù)；ωm為電機角速度，rad／s。

電機電磁轉(zhuǎn)矩方程為

由上述發(fā)動機和電機數(shù)學模型，可以得到動力源的機械平衡方程：

式中，Jm為轉(zhuǎn)換到電機輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Tl為負載轉(zhuǎn)矩，N·m；Cm為黏性阻尼系數(shù)，N·m·s／rad。

2.2 發(fā)動機建模

采用試驗的方法，根據(jù)測試數(shù)據(jù)建立發(fā)動機穩(wěn)態(tài)扭矩模型（圖2）。發(fā)動機油門開度由電子節(jié)氣門控制。

圖2 發(fā)動機數(shù)值模型

3 機電CVT建模

3.1 機電CVT傳動原理

機電式CVT結構原理如圖3所示。它由驅(qū)動機構、夾緊機構和金屬帶傳動裝置構成。驅(qū)動機構采用直流電機，通過齒輪減速機構和絲桿螺母機構，實現(xiàn)電機的減速增扭，并將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。夾緊機構采用碟形彈簧，通過其彈性變形實現(xiàn)對帶輪的加壓。金屬帶傳動裝置和傳統(tǒng)的電控液動式金屬帶CVT相同，由鋼帶和金屬塊組成，通過帶輪的夾緊傳遞動力。電機旋轉(zhuǎn)帶動減速機構和絲桿螺母機構運動，從而調(diào)整主動帶輪可動盤的軸向位移，實現(xiàn)CVT速比的調(diào)節(jié)。

圖3 機電CVT結構原理

3.2 驅(qū)動機構模型

驅(qū)動機構采用普通永磁有刷直流電機，根據(jù)電磁場方程和動力學方程，可建立永磁直流電機的數(shù)學模型，通過脈寬調(diào)制控制電機的輸入電壓，從而控制電機電流，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。電機的轉(zhuǎn)矩通過減速機構放大，作用在CVT主動帶輪上，推動其移動，從而實現(xiàn)速比的調(diào)整。

3.3 夾緊機構模型

碟形彈簧具有非線性的彈性特性，因此，可采用其壓緊力變化較小的區(qū)域作為CVT夾緊彈簧的工作區(qū)，使CVT的帶輪在軸向運動的過程中，夾緊力變化不大，保證CVT的扭矩傳遞能力和效率維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。根據(jù)碟形彈簧特性，可得CVT從動帶輪推力Fs隨帶輪可動盤的軸向位移xs變化的特性，如圖4所示。主動帶輪采用與從動帶輪同樣的碟形彈簧，通過電機所產(chǎn)生的推力實現(xiàn)調(diào)速。

圖4 從動帶輪推力變化特性

3.4 速比變化率模型

定義CVT速比為

式中，rp、rs分別為主從動帶輪有效工作半徑，m。

CVT的速比變化率dic／dt與CVT的自身特性、夾緊力以及輸入轉(zhuǎn)速有關。 本文采用Carbone模型進行描述［15］，即

式中，if為主從動輪推力比；Fp、Fs分別為速比變化時的主從動帶輪推力，N；is為速比穩(wěn)定時主從動輪推力比；Fu、Fv分別為速比穩(wěn)定時的主從動帶輪推力，N；ωp為主動帶輪轉(zhuǎn)速，rad／s；Δβ為帶輪變形系數(shù)；a0、a1為常數(shù)；β為帶輪半槽角，rad；kc（ic）為隨速比變化的多項式；D0為主從動帶輪中心距，m；b0、b1為常數(shù)。

根據(jù)CVT運動學關系，帶輪軸向位移計算式可表示為［16］

式中，xp為主動帶輪軸向位移，m；rn為帶輪最小工作半徑，m；rx為帶輪最大工作半徑，m。

假設帶輪包角近似為180°，則主從動帶輪上的工作半徑之和為常量，由此可得主從動盤帶輪軸向速度為

根據(jù)式（4）～式（7），由CVT當前的速比和工作半徑以及夾緊力，計算得到CVT的速比變化率，獲得帶輪軸向移動速度，從而計算出下一時刻CVT的速比，這樣便可獲得CVT動態(tài)調(diào)速模型。

4 模式切換控制策略

下面以純電動驅(qū)動模式向混合驅(qū)動模式切換為例，說明模式切換的控制策略（圖5）。

圖5 電動／混合驅(qū)動模式切換控制策略

當車輛從其他運行工況退出后，檢測電池SOC和需求扭矩。當條件滿足便進入混合動力驅(qū)動模式。為了實現(xiàn)發(fā)動機和電機的混合驅(qū)動，必須要調(diào)整電機、發(fā)動機和自動離合器狀態(tài)。首先判斷發(fā)動機是否處于工作狀態(tài)，如果不是，便分離自動離合器，啟動發(fā)動機。這期間為了不使車輛動力明顯下降，控制電機工作在電動模式下。為了縮短自動離合器結合時間和降低沖擊，在這期間控制CVT速比，使離合器從動盤轉(zhuǎn)速盡量調(diào)整至發(fā)動機轉(zhuǎn)速，同時控制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，以確保離合器接合后動力輸出不發(fā)生劇烈的變化。當離合器轉(zhuǎn)速差在允許范圍內(nèi)時，便結合自動離合器。然后使電動機工作在電動工況的扭矩控制模式下，發(fā)動機工作在扭矩控制模式下。各自的目標扭矩由控制策略根據(jù)SOC、需求功率和效率等因素進行分配。同時根據(jù)系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性和動力性的需要，對CVT的速比進行控制。這樣就完成了混合驅(qū)動工作模式的切換。當電池SOC或需求扭矩不滿足混合驅(qū)動模式的條件時，便退出該工作模式。

5 仿真分析

5.1 控制仿真模型

圖6 機電CVT的混合動力系統(tǒng)控制仿真模型

機電CVT的混合動力系統(tǒng)控制模型如圖6所示。當模式切換開始時，模式切換控制器根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速計算出CVT的目標傳動比ir，CVT速比控制器根據(jù)目標傳動比與CVT實際傳動比的差值Δi計算出CVT調(diào)速電機的占空比cm。調(diào)速電機模型根據(jù)占空比計算出作用在主動帶輪上的推力Fp。CVT速比變化模型根據(jù)CVT的動力學關系，計算出速比變化率dic／dt，由速比變化率計算出帶輪的軸向移動速度vp。根據(jù)帶輪移動速度最后計算得到CVT的實際速比。能量分配策略根據(jù)車速ve和油門開度βa等信號，計算出目標節(jié)氣門開度αr和驅(qū)動電機目標轉(zhuǎn)矩Tr。電子節(jié)氣門模型根據(jù)αr計算得到實際的節(jié)氣門開度αt。發(fā)動機模型根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωe和αt，計算得到發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩Te。離合器模型根據(jù)離合器結合速度vc和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩計算得到離合器輸出轉(zhuǎn)矩Tc。電機控制器根據(jù)目標轉(zhuǎn)矩計算出目標電流Ir。驅(qū)動電機模型根據(jù)目標電流和電機轉(zhuǎn)速ωm計算出電機實際轉(zhuǎn)矩Tm。Tm與Tc的和便是動力源輸出轉(zhuǎn)矩Tp，Tp與ic相乘得CVT輸出轉(zhuǎn)矩Tt，再根據(jù)主減速器i0、車輪半徑rw以及車輛行駛平衡方程便可得到車速ve。

5.2 仿真分析

在MATLAB／Simulink仿真平臺上建立仿真模型，主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖7所示為模式切換過程中，不對CVT速比進行控制的仿真結果。系統(tǒng)初始處于純電動狀態(tài)，由電機單獨驅(qū)動發(fā)動機，自動離合器處于分離狀態(tài)。當系統(tǒng)接到模式切換指令后，發(fā)動機啟動，離合器以最大速度結合（圖7a），CVT速比保持不變（圖7c）。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速比電機轉(zhuǎn)速低，當離合器結合時，發(fā)動機受整車慣性的反拖，轉(zhuǎn)速迅速上升（圖7d），由于離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差較大，使整車產(chǎn)生了較大的沖擊（圖7b）。

圖7 模式切換過程（無CVT速比控制）

圖8所示為采用本文提出的控制策略的模式切換過程。在發(fā)動機啟動后，離合器仍然以相同速度結合，但CVT根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行了控制，使離合器在傳遞轉(zhuǎn)矩前，降低了電機轉(zhuǎn)速，從而降低了離合器主從動盤轉(zhuǎn)速差。因此，整車在模式切換過程中的沖擊大大降低。

圖8 模式切換過程（采用CVT速比控制）

6 結論

（1）分析了插電式混合動力系統(tǒng)的主要工作模式，提出模式切換過程中利用CVT調(diào)速來控制電機轉(zhuǎn)速，從而提高模式切換品質(zhì)。

（2）建立了插電式混合動力系統(tǒng)的動力源模型、機電控制CVT速比變化模型。在此基礎上，以純電動／混合驅(qū)動模式切換為例，提出了模式切換過程的控制策略。

（3）搭建了搭載機電式CVT的插電式混合動力系統(tǒng)控制仿真模型，并進行了模式切換仿真。仿真結果表明，本文提出的控制策略與傳統(tǒng)的模式切換方法相比，能大大降低系統(tǒng)的沖擊度，提高系統(tǒng)的平順性，提高模式切換品質(zhì)。更加充分地發(fā)揮了機電式CVT在插電式混合動力系統(tǒng)上的優(yōu)勢，為其產(chǎn)業(yè)化應用奠定了相應的理論基礎。

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