HEV動態(tài)協(xié)調(diào)算法設(shè)計應(yīng)用研究

混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是在電動汽車發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種低油耗、低排放、續(xù)駛里程長、價格適中，兼具純電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車優(yōu)點的新型汽車，它具有良好的燃油經(jīng)濟性和極低的排放，對傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不會造成很大沖擊及無需改變現(xiàn)有能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點，正日益受到廣泛的關(guān)注。由于在技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等方面的綜合優(yōu)勢，HEV 被認為是目前最切實可行的清潔汽車方案。

從結(jié)構(gòu)和功能方面抽象，混合動力系統(tǒng)可以分成“串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)”，“并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)”，“串并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)”和“復(fù)雜式混合動力系統(tǒng)”四類。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)存在兩類核心的控制問題：1)穩(wěn)態(tài)或動態(tài)過程中多個動力源的能量分配和效率優(yōu)化；2)動態(tài)過程中多個機械動力源的相互配合協(xié)調(diào)工作。前者屬于并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略的研究范疇，能量管理策略是迄今為止并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)控制算法中研究的最為廣泛的內(nèi)容之一。而對后者的研究進展卻鮮有報道，尤其涉及到具體的控制方法。由于發(fā)動機與電動機動態(tài)特性存在明顯不同，在狀態(tài)切換過程中，當發(fā)動機和電動機的目標轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大幅度變化時，如果仍然只按照各自的目標值進行控制[3]，將使得發(fā)動機和電動機實際輸出的轉(zhuǎn)矩之和產(chǎn)生較大波動，與需求的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的誤差，從而導(dǎo)致動力傳遞不平穩(wěn)，影響整車動力性能，甚至惡化駕駛性能。所以使得當發(fā)動機和電動機目標轉(zhuǎn)矩發(fā)生大幅度變化或者突變時，必須進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制。

1.控制系統(tǒng)特征分析

多能源動力總成控制器通過直接信號連接或數(shù)據(jù)通訊方式向部件控制器發(fā)送控制指令，同時也接收部件控制器返回的部件運行的主要參數(shù)，從而完成各項控制功能?？刂葡到y(tǒng)的具體實現(xiàn)方法如下：1)多能源動力總成控制器采集加速踏板行程、制動踏板行程、鑰匙開關(guān)位置和AMT換檔桿位置等信號，同時根據(jù)部件控制器反饋的信號向部件控制器發(fā)出控制指令；2)發(fā)動機控制器接收多能源動力總成控制器發(fā)送的噴油脈寬信號完成相應(yīng)的燃油噴射，并將發(fā)動機轉(zhuǎn)速反饋至多能源動力總成控制器；3)電動機控制器接收多能源動力總成控制器發(fā)送的目標轉(zhuǎn)矩信號和控制方式字信號，控制電動機轉(zhuǎn)矩，并將電動機轉(zhuǎn)速反饋至多能源動力總成控制器；4)ISG控制器接收多能源動力總成控制器發(fā)送的ISG起動和停止信號，控制發(fā)動機起動；5)AMT控制器在需要換檔時向多能源動力總成控制器發(fā)出換檔請求，在換檔請求被允許后，AMT控制器根據(jù)車速信號以及直接獲得的當前加速踏板行程、制動踏板行程和AMT換檔手柄信號，進行換檔操作，并將當前的檔位信號，離合器狀態(tài)以及車速反饋至多能源動力總成控制器；6)電池控制器接收多能源動力總成控制器發(fā)送的強電允許信號，將電池電壓接入整車強電系統(tǒng)，并將電池的SOC值，電池電壓以及電流反饋至多能源動力總成控制器，當電池電量減少時，電池控制器還向多能源動力總成控制器發(fā)出充電請求信號。

2.基于扭矩的控制算法

在整個汽車動力系統(tǒng)中，發(fā)動機作為汽車的動力源，負責(zé)整個系統(tǒng)的動力供給，即把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為整車系統(tǒng)的機械能，通過傳動機構(gòu)實現(xiàn)整個車輛動力系統(tǒng)的扭矩傳輸。對于整個汽車動力傳動系統(tǒng)而言，發(fā)動機曲軸的輸出扭矩首先通過離合器，然后通過變速器、萬向節(jié)軸、驅(qū)動橋、半軸，最后到達驅(qū)動輪，從而實現(xiàn)了整個系統(tǒng)動力傳動鏈的能量傳遞與轉(zhuǎn)化。

如果將以功率作為最主要的控制變量的能量管理策略稱為功率管理策略，那么功率管理策略最大的優(yōu)點是在計算功率傳遞的過程中只需考慮傳動系統(tǒng)各部件的效率，而不需要考慮具體的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，更不需要考慮變速器的速比等因素，簡化了能量分配過程。與功率管理策略相比，轉(zhuǎn)矩管理策略最大的特點就是以轉(zhuǎn)矩作為最主要的控制變量，在發(fā)動機和電動機之間對轉(zhuǎn)矩而不是功率進行合理的分配。選擇轉(zhuǎn)矩作為最主要的控制變量的原因一方面是因為，在車輛實際運行過程中，當變速器和離合器均接合時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速與車速具有一定比例關(guān)系，在發(fā)動機或電動機之間進行功率分配還受到兩者轉(zhuǎn)速變化的限制，而分配轉(zhuǎn)矩更為直接。但更重要的是，轉(zhuǎn)矩管理策略是為動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法服務(wù)的，動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法通過對轉(zhuǎn)矩的控制達到控制目標，算法中將涉及到總需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機和電動機目標轉(zhuǎn)矩等多種轉(zhuǎn)矩信號，因此，轉(zhuǎn)矩管理策略必須識別出總轉(zhuǎn)矩需求，并通過對發(fā)動機、電動機和電池等部件效率的優(yōu)化確定發(fā)動機和電動機的目標轉(zhuǎn)矩?？梢哉f，轉(zhuǎn)矩管理策略并不是獨立的，而是與動態(tài)協(xié)調(diào)控制算法形成一個整體，解決動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題。轉(zhuǎn)矩管理策略由三部分組成：1)識別總需求轉(zhuǎn)矩；2)確定狀態(tài)切換條件；3)確定目標轉(zhuǎn)矩。

3.動態(tài)協(xié)調(diào)算法及控制流程

轉(zhuǎn)矩管理策略將確定在目標狀態(tài)中發(fā)動機和電動機的目標轉(zhuǎn)矩，在部分狀態(tài)切換過程中，狀態(tài)切換前后的發(fā)動機和電動機目標轉(zhuǎn)矩發(fā)生了突變，需要在狀態(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。雖然發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩不能完全由噴油脈寬指令進行控制，但是，動態(tài)協(xié)調(diào)控制的目標并不是使發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩盡快響應(yīng)目標轉(zhuǎn)矩，而是在兩者響應(yīng)各自目標轉(zhuǎn)矩的過程中，如何保持兩者的轉(zhuǎn)矩之和在狀態(tài)切換過程中的波動盡可能減小。如果將發(fā)動機和電動機視為一個動力源，發(fā)動機和電動機各自轉(zhuǎn)矩變化的過程只是動力源的內(nèi)部過程。在這樣的提條件下，既然電動機的轉(zhuǎn)矩可以通過轉(zhuǎn)矩指令直接控制，而且轉(zhuǎn)矩變化的時間常數(shù)非常小，動態(tài)協(xié)調(diào)控制中，可以通過電動機轉(zhuǎn)矩對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩補償?shù)姆绞綇浹a發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不能完全控制的問題。要實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)矩對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的補償?shù)谋匾獥l件是可以反饋發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機轉(zhuǎn)矩反饋通常有兩類方法：1)利用轉(zhuǎn)矩傳感器信號直接反饋；2)利用估計或觀測的方法反饋，包括線性觀測器，非線性狀態(tài)觀測器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器等。用傳感器直接測量發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的方法成本較高，有效使用期短，在實車上安裝困難，一般只在試驗研究中采用，作為其他發(fā)動機轉(zhuǎn)矩反饋方法的參考，因此只能選用轉(zhuǎn)矩估計的方法反饋發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。

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