（动力机械及工程专业论文）并联式混合动力电动汽车（phev）控制策略及仿真研究.pdf

j ：京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 在能源危机和环境保护的双重压力下，电动汽车是实现汽车工业持续发 展的重要方向。混合动力电动汽车( h e v ) 以其形式灵活、可实施性强的特 点，成为本世纪电动汽车研究开发的重要方向之一。作为混合动力电动汽车 的核心控制器件，动力总成控制单元( p c u ) 是混合动力电动汽车开发的关 链环节，而控制策略又是控制单元的核心内容。计算机仿真技术是现代控制 系统设计开发的必要手段，进行仿真系统的研究对h e v 控制策略的研究具 有十分重要的意义。 本文针对并联式混合动力电动汽车( p h e v ) 动力总成控制系统的研究 开发首先在深入分析p h e v 动力系统结构、运行模式以及总成控制系统 结构和功能的基础上，研究了p h e v 动力总成控制单元的能量分配控制策 略、回馈制动控制策略和动态协调控制策略。 基于上述工作，本文根据开发中的e q 6 1 1 0 并联式混合动力城市客车建 立了整个系统的数学模型，包括动力系统、传动系统、汽车行驶动力学以及 控制系统模型。开发了用于并联式混合动力汽车p c u 的设计与开发的仿真 系统，建立了m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下的系统仿真模型。 最后，利用自主开发的仿真系统对能量分配控制策略、回馈制动控制策 略、动态协调控制策略进行了仿真研究。对不同的能量分配控制策略的控制 性能进行了对比研究；对回馈制动系统进行了h e v 运行过程的能量消耗计 算，分析了不同运行工况下回馈制动的应用效果，并对回馈制动的基本控制 参数对回馈控制效果的影响进行分析；提出了一系列协调控制的方案，以获 得更好的汽车动态性能，并在仿真中验证了这些方案的合理性。 关键词：混合动力电动汽车、动力总成、控制策略、仿真 北京交通大学硕士学位论文目录 a b s t r a c t u n d e rt h ep r e s s u r eo f e n e r g yc r l s l sa n de n v i r o i m l e n t a lp r o t e c n o n ，e l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) i sc o n s i d e r e da st h eb e s tw a y t or e a l i z et h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n t o fa u t o m o b i l ei n d u s t r y a st h em o s ti m p o r t a n tb r a n c ho fe v ，h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) b r i n g si n t e r e s t sf o ri t sf l e x i b l es t r u c t u r ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n t h ec o n t r o l s t r a t e g y o fp o w e r t r a i nc o n t r o lu n i t ( p c u ) ，w h i c hi so fg r e a t i m p o r t a n c et oh e v i s p i v o t a lf o rh e vd e v e l o p m e n t t h es i m u l a t i o ni sv e r y n e c e s s a r y t oa s s i s tt h em o d e r nc o n t r o l s t r a t e g i e sd e v e l o p m e n t ，s os t u d y i n g c o n t r o ls t r a t e g i e ss i m u l a t i o ns y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t t o w a r d st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp c uo fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( p h e v ) ，f i r s t l yt h ec o n t r o ls t r a t e g ya n d c o n t r o ll o g i c ，r u n n i n gm o d e so f p h e va n dt h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e e ns t u d i e da f t e ra n a l y z i n g t h ep o w e r t r a i ns t r u c t u r e b a s e do i lt h ea b o v ew o r k ，t h ew h o l es y s t e mm a t h e m a t i cm o d e l sh a v eb e e n c o n s t r u c t e d ，i n c l u d i n gp o w e r t r a i n ，d r i v e t r a i na n dc o n t r o ls y s t e mi nr e s p o n s et o e q 6 l1o h e v a tt h es a t i l e t i m e ，am a t l a b s i m u l i n k 、s t a t e f l o w b a s e d s i m u l a t i o nm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e d f i n a l l yu s i n gt h ep h e vp o w e r t r a i n s i m u l a t i o ns y s t e mm e n t i o n e da b o v e ，t h e e n e r g yd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g y 、r e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g y a n d d y n a m i c c o o r d i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e ns t u d i e d ，t h ee f f e e t so fd i f f e r e n t e n e r g yd i s t r i b u t i o n c o n t r o l s t r a t e g i e sh a v eb e e nc o m p a r e d ；t h ec o n t r i b u t i o n o f e c o n o m i cp e r f o r m a n c e so fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mh a sb e e nc a l c u l a t e d ，t h e e r i c t si nd i f f e r e n tc y c l es i t u a t i o n sh a v eb e e na n a l y z e d ，t h ee r i e c t so fd i f f e r e n t c o n t r 0 1p a r a m e t e r so f r e g e n e r a t i v eb r a k i n go n t h ep e r f o r m a n c eo fh e vh a v ea l s o b e e na n a l y z e d as e r i e so fc o o r d i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sh a v eb e e nb r o u g h t f o r w a r d ，a n dt h e yh a v eb e e np r o v e dr e a s o n a b l et h r o u g hs i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，p o w e r t r a i n c o n t r o ls t r a t e g i e s ，s i m u l a t i o n 北京交通大学硕士学位论文第一童缮论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 当今世界汽车的保有量已达到了近7 亿辆，并且还在以每年几千万辆的 速度增长着。自二十世纪九十年代以来，能源与环保成为世界发展的两大主 题。对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车频繁起停造成的内燃机变 工况( 特别是加速、低速、怠速) 运行是造成尾气排放严重、耗油率高的主 要原因之一。电动汽车( e l e e 缸 i cv e h i c l e s ，e v s ) 是取代传统内燃机汽车、 满足零排放的最终选择，但是目前电池的能量密度、充电时间、价格、寿命 等问题仍未得到理想的解决，从而限制者电动汽车的发展。因此，自1 9 9 5 起，世界许多著名汽车生产厂商己将研究的重点转向了可实施性较强的混合 动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e s ，h e v s ) ”j 。 混合动力驱动是指按照工况要求匹配使用两种动力源，即发动机驱动 和电力驱动。两种动力的合理匹配可以使内燃机保持在最佳油耗经济区运 转，同时使排放得以改善。h e v 既保持了电动汽车超低排放的优点，又发 挥了传统内燃机汽车高比能量的长处，因此在电池技术瓶颈未被突破的情况 下，h e v 代表着二十一世纪初汽车发展的一个重要方向。 九十年代以来，各大汽车公司通过使用先进的开发手段，已在较短的开 发周期内相继推出了采用不同布置形式和控制策略的h e v 产品，如克莱斯勒 公司的道奇无畏e s x 2 轻度混合动力汽车、日本本田j - v x 混合动力概念跑 车、三菱自身发电电力汽车、美国洛杉矶水利局的l a 3 0 1 并联混合动力轿车 以及沃尔沃v o l v of l 6 串联混合动力汽车【3 j ，这些h e v 都显示出了优良的环 保与节能性能。目前，丰田混合动力系统( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ，t h s ) 的 p r i u s 混合动力电动汽车【4 1 ，以其优良的性能和合适的价格成功地打入了国内 市场。这标志着h e v 市场的逐渐成熟。 我国政府也一直十分重视电动汽车辟昆合动力电动汽车的发展，国家科委 在“中五”规划中制定的战略目标是，争取在发展电动汽车、混合动力电动 北京交通大学硕士学位论文 第一童绪论 汽车的电池、能量管理系统、驱动控制等关键技术上基本保持与世界同步。 并且目前已将h e v 的开发列为国家高技术研究发展计划( “8 6 3 ”计划) 的重 大研究课题之一。目前清华大学和广州电车公司已分别开发出了混合动力中 巴和大巴的试验车。 12 p h e v 控制策略的研究和发展 混合动力汽车何以具有优良的经济与排放性能呢? 在混合动力电动汽 车中，控制策略是整车的神经中枢，它与发动机e c u 、电机e c u 、变速器 控制器以及各种传感器和执行器进行通讯，经过控制逻辑运算发出控制指 令，从而使汽车运行在定的运行模式下。 控制策略包括两个层面的内容，一方面，控制策略协调整车各部件的工 作以满足基本的工况要求。即对于司机发出的信号能够指挥动力总成各部件 以一定的方式配合工作加以满足，不应出现在设计能力范围内的需求无法得 以实现的情况。另一方面，多部件的系统组成和混台动力驱动方式的特点又 对控制提出了“优化”的要求。对于既定的工况要求，一般会有多于一个的 满足方式；例如，对于某一驱动功率，可以有多种匹配方式：这就需要综合 考虑控制的方向、结果以及影响，达到一个最佳或较佳的效果。一般来讲， 混合动力单元发动机是主要的优化对象，我们希望将其控制在从某种角 度考虑的工作优化区域：但是兼顾工况要求和优化目标是一件较困难的事 情，甚至是相互矛盾的：对于一个给定的优化区域，工况的不稳定变化和电 池等重要部件的状态将可能使控制对象不得不在某些时候偏离这个区域，这 样，在综合考虑偏离的程度和频度后，这个区域就可能被重新确定。这是制 定控制策略的难点和关键。 随着h e v 汽车技术的不断发展，控制策略的研究日益得到各国政府以 及世界各大汽车公司的重视，包括日本丰田公司的p r i u s 、本田的i n s i g h t 车都 有一套相对独立的控制策略，综合各神控制思想，有以下几种典型的控制策 略： 1 电力辅助控制策略。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 电力辅助( e l e c t r i ca s s i s t ) 控制策略是并联式混合动力电动汽车较为普遍 采用的一种控制策略。其主要思想是：将热力发动机作为汽车的主驱动源， 电力驱动系统作为辅助驱动源，电动机对发动机的输出转矩起“削峰填谷” 的作用，同时将电池的s o c 值保证在一定范围内。 这里，较为关键的是发动机的优化工作区域的确定。电力辅助策略将实 现高燃油经济性作为主要优化目标。我们知道，高燃油经济性区域接近于发 动机的高负荷率区域，但优化区域的确定还应综合考虑电机的工作能力和电 池的充放电能力，使控制结果能够满足工况的能量需求。 电力辅助控制策略以经济性能和荷电状态值为控制目标，在满足动力性 能的基础上可以获得较好的经济性能，但其控制效果比较粗糙，其性能不能 达到“最优”，另外没有考虑排放性能。 2 全域管理控制策略”1 全域管理控制策略的主要思想是：在某一工况下，计算满足工况需求的 发动机电机的任一扭矩组合所对应的能量消耗，求其最小值对应的发动机、 电机的扭矩作为优化计算的输出。按照此方法对所有工况点进行计算，将计 算结果保存并制取与汽车行驶工况相对应的最优发动机、电机扭矩m a p ， 并将电机、发动机的m a p 储存在汽车的控制器中，进行实时的查寻、调用 p j 。此策略考虑到了保持电池电量平衡的问题，解决方法是通过当前s o c 值与目标s o c 值的差值对电机的m a p 进行修正( 增加或减少相应的扭矩) 。 可以通过用一个非线性的惩罚函数来解决这一问题。在s o c 目标值附近， 补偿系数比较小，在s o c 值上、下限值附近，补偿系数比较大，这样可以 增大充、放电力度，使s o c 值迅速回到目标值附近1 9 。 在样车上试验，全域管理控制策略具有极好的燃油经济性能( 其燃油效 率是传统汽车的1 5 倍) ，电池电量也保持在合理的范围内。在制取电机的 最优m a p 图时，可以采用离线的方法，减少了在实际控制中的实时计算量， 因此降低了控制器对硬件的要求，有利于降低成本。但只考虑了经济性目标， 而没考虑排放等性能指标。 北京受通穴学硕士学位论文第一章绪论 3 自适应控制策略“” 美国能源部( d o e ) 的可再生e 源实验室( n e e l ) 研究和发展了一种新的 控制策略：自适应( a d a p t i v e ) 控制策略，这种控制策略考虑了影响燃油经济 性和排放特性的发动机的动态工作状况。 按照并联式混合动力电动汽车的工作特点，发动机与电动机以机械耦合 方式承担整车的驱动功率。因而，汽车工况所需要的转矩可以表示为发动机 转矩和电动机转矩之和。这样，当一个转矩值确定时，另一个也就相应得到 确定。自适应控制策略就是对于每时刻的工况需求分别计算所有可能的电机 工作点产生的总油耗、总n o x 、h c 、c o 、总p m ( 微粒) 的排放量，将数 值代入一个定义了不同权值的函数，求得使这个函数值最小的工作点作为控 制的输出。 自适应控制策略具有实时选择发动机、宅机工作状态最优点的功能，综 合考虑了经济性能和排放性能，但自适应控制策略寻优过程的计算量大，对 硬件的要求比较离。 1 3 仿真技术在混合动力电动汽车控制系统开发中的应用 对于混合动力电动汽车的开发而言，控制策略的制定应经过反复的推敲 和验证，因为它的优劣将直接关系到整车性能的好坏，而计算机仿真技术则 是制定、优化和验证控制策略必不可少的有力工具。通过建立组件模型，开 发者可以迅速的测试自己的构想，综合评测系统性能，并在此基础上快速设 计出更多的解决方案以满足更高的技术要求。 1 混合动力电动汽车仿真软件的介绍 目前国外的h e v 专用仿真分析软件多数是研究机构和高校为科研课题 而开发的。这些软件主要包括美国国家可再生能源试验室( n r e l ) 开发的 a d v l s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 和a v l 公司开发的汽车仿真软 件c r u i s e 。 a d v i s o r 是基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境的h e v 专用仿真软件， 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 它很好地体现了模块化的软件工程思想，能够方便、直观地实现以下功能： 分析能量在h e v 各部件之间的分配；比较不同试验循环标准下的油耗、排 放情况i 优化传动比从而减少燃油消耗等。研究人员能够通过设置一定的控 制策略函数，模拟扭矩、转速和功率在各个组件间的传递，预测汽车在各种 循环工况下的动力性能、经济性能、排放性能以及各组件的平均效率。 a d v i s o r 中的组件模型主要基于大量的经验数据，从而避免了过于细致的 组件建模，同时“屏蔽”掉了许多外界参数的影响，具有较高的可信性和鲁 棒性。因此，a d v i s o r 先后被福特、通用、克莱斯勒及些研究机构选 为h e v 的辅助开发工具。 但a d v i s o r 只能用于控制策略的研究，不用于控制器的设计开发 z “。 由于它是采用能量逆向建模的思路，因此其控制策略不能直接移植到控制单 元中，不能用于硬件在环仿真。而必须使用正向能量仿真模型才可以达到上 述目的。而且现有的a d v i s o r 版本其模型结构是固定的，不能进行改变， 因此对其功能进行进一步开发有困难。 a v lc r u i s e 是用于仿真研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制 动性能的高级仿真分析软件 4 2 】。可以用于车辆开发过程中的动力传动系的 匹配、车辆性能预测等。能够对混合动力车和电动汽车进行建模仿真和性能 模拟。软件提供了多种计算模式，可以对整车动态和静态的性能进行模拟分 析。a v lc r u i s e 软件一种高度灵活的建模仿真工具，它可以布置结构多 变的混合动力车。组件库由电动机、内燃枫、电池组以及动力传动系的连接 组件模型组成，该软件把任意布置型式车辆的机械系统、电气系统和控制系 统融合在一个模型之中。并为m a t l a b s i m u l i n k ，c c 上+ 与f o r t r a n 中 丌发的控制系统提供了接口。 2 m a t l a b s j i l l u l i n k ，s t a t e f l o w 仿真软件的简要介绍 m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱是一个功能非常强的仿真开发系统，它将不 同的元件、计算环节、控制环节等进行了熨装，并可以将一段程序封装为具 有输入、输出接口的模块，很好的体现了模块化的的编程思想。通过基于 m a t l a b s i m u l i n k 仿真语言的可视化编程，可以方便的实现各组件的编程以及 北京交通大学硕士学位论文 第一蕈绪论 系统结构与能量管理策略的设计与优化。 s m t e f l o w 也是m a t l a b 软件的一个功能强大的工具箱，这个工具箱定义了 一系列的事件和规则，用一种通用的语言在各个事件问进行通讯和状态转换， 是实现控制算法的强有力的工具。 1 4 本课题的主要研究内容 1 课题来源： 本课题是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “e q 6 11 0 h e v 多能源动力 总成新型控制系统的研究”课题中的部分。 2 本课题的主要研究内容： 1 。对p h e v 多自2 源动力总成系统进行系统分析，研究p h e v 中发动机、 电机、电池、传动系统等组件的特性，并建立各组件的动态数学模型。 2 深入研究p h e v 动力总成控制系统的控制策略和控制逻辑，对现有 的控制策略进行改进和优化。 3 研究分析系统仿真方法，基于动态数学模型和控制系统的控制策略， 应用m a t l a b s i m u l i n k 和s t a t e f l o w 仿真语言编制和调试p h e v 动力总成控 制系统的仿真软件。 4 利用开发的仿真软件对p h e v 进行仿真研究，分析采用不同控制策 略、不同试验条件下p h e v 的运行情况以及控制参数的变化对整车综合性能 的影响；分析回馈制动对整车性能的贡献，不同的控制参数对回馈制动性能 的影响：研究合理的控制逻辑和控制时序，使整车的运行达到动态协调的目 的。从以上几方面优化控制策略，使整车获得理想的匹配方案，指导动力总 成控制单元的实际开发。 北京交通大学砸二卜学位论文 第二章p h e v 动力总成控制系统分析 第二章p h e v 动力总成控制系统分析 本章的研究工作以北方交通大学和东风汽车公司、华中科技大学合作开 发的e q 6 1 1 0 并联式混合动力城市客车的动力总成及其控制系统为研究对 象，根据整车设计方案确定的动力系统机电耦合方式进行p h e v 多能源动 力总成控制系统的设计。 2 1p h e v 动力总成系统构成 东风e q 6 1 1 0 混合动力城市客车的动力总成系统结构如图2l 所示。 图2 1p h e v 动力总成系统结构 1 电机2 发动机3 变速嚣d 离合器5 扭矩耦夸器6 电机控制器 7 动力总成控制单元( p c u )8 油门执行器9 发动机e c u i0 ，电池 1 1 差速嚣1 2 车轮i3 x 轴执行器14y 轴执行器15 离备器执行嚣 l6 电机转速传感器 17 发动机转速传感器18 主驱动轴转速传感器 由图可知，e q 6 1 1 0 混合动力城市客车的动力总成系统属于典型并联式 结构，主要包括动力总成控制单元( p c u ，p o w e r t r a i nc o n t r o lu n i t ) 、作为动 北京交通大学硕士学位论文 第二章p h e v 动力总成控制系统分析 力源的发动机和电机以及构成传动系统的离合器、扭矩耦合器、变速器、主 传动轴等。 e q 6 1 1 0 馄合动力系统中的动力源主要包括康明斯i s b e i 5 0 共轨式电喷 柴油机，开关磁阻电机，镍氢动力电池，传动采用6 档自动机械式变速器 ( a m t ，a u t o m a t e dm a c h i n et r a n s m i s s i o n ) 。 主要计算参数如下： 整车参数： 整各质量( k g ) ：1 1 0 0 0 ； 总质量( k g ) ：1 5 5 0 0 1 前后轴荷( 埏) ：5 5 0 0 1 1 0 0 0 0 质心高度( m ) ：o 8 ( 估计) 发动机参数： 形式及类别：柴油共轨、电喷、四缸型 型号：i s b e l 5 0 排量：39 9 l 额定功率转速( k w r m i n ) ：1 1 0 k w 2 5 0 0r m i n 最大扭矩转速m r m i n ) ：5 5 0 1 2 0 0 1 7 0 0 油耗：依据发动机万有特性曲线( 整车单位提供) 扭矩：依据速度特性曲线( 整车单位提供) 电机参数： 型式：开关磁阻电机 功率( k w ) ：5 0 峰值功率( k 脚) l o o 驱动扭矩与效率：依据电机特性曲线( 电机开发单位提供) 制动扭矩与效率：对称于驱动特性曲线( 分析估算) 电池参数： 型式：n i m h 电池 单韦电池电压( v ) ：1 2 电池节数：2 8 北京交通人学坝：卜学位论文 第二二章p h e v 动力总成控制系统分析 电池连接形式：串联 电池组电压：3 3 6 v 充放电特性：依据特性图 传动系统 耦合器：电机减速比：1 5 发动机减速比：1 变速器：6 档机械变速器； 各档速比( 1 6 档) ：6 9 3 8 ，3 9 9 6 ，2 5 1 1 ，1 7 5 7 ，1 3 0 6 ，1 主减速器速比：6 1 6 6 2 2p h e v 动力总成控制系统构成 p h e v 动力总成的控制系统包括多能源动力总成控制单元( p c u ) 、发 动机电控单元( e c u ) 、电机控制器、a m t 控制器及动力电池管理系统，其 中p c u 是p h e v 动力总成系统的控制核心，是并联式混合动力电动汽车整 车运行传感和反应体系中的关键控制部件，其性能的优劣将直接影响整车性 能的好坏。在整车设计中，p h e v 动力总成控制系统信号内容与传输关系如 图2 2 所示。 动力总成控制器p c l 图2 2p h e v 动力总成控制系统 a 1 发动机转速发动机故障 b 1 电机转速电机故障 l l 电池故障电池s o c ( 1 l 离舍状态换档请求档位信号 e 1 ：加速踏板制动踏板车速上电完成 a 2 ：发动机启动发动机油门 b2 ：电机状态电机；日i d2 ：离舍器动作电机调运停车充电 e 2 ：上电信号电机启动信号 北京交通大学硕l ：学位论文 第二章p h e v 动力总成控制系统分析 2 3 p h e v 动力总成控制系统功能分析 2 3 1 并联式混合动力系统运行模式 混合动力系统根据不同的机电耦合方式有不同的运行模式。在不同的运 行模式下，动力总成系统有不同的控制要求。总的来说，动力总成控制系统 就是要在满足整车驱动要求的前提下保证整车的经济性和排放性，即保证发 动机时刻处于理想的工作状态。 根据e q 6 1 1 0 混合动力城市客车确定的动力总成系统( 如图2 1 所示) ， 其主要运行模式包括【2 1 l ： 纯电机模式； 纯发动机模式： 发动机、电机混合驱动模式； 发动机驱动+ 电机发电模式： 回馈制动模式； 停车充电模式。 1 纯电机模式 在混合动力汽车起步和低速行驶时，相应的发动机运行工况偏离了较优 的工作范围，如汽车需求的牵引负荷偏小或者发动机运行转速过低，油耗和 尾气排放情况较差，这时使混合动力系统处于纯电机运行模式，汽车的牵引 功率全部由电机提供，动力电池向电机提供能量，处于放电状态。发动机与 动力系统通过离合器的分离断开连接，发动机根据行车要求处于怠速或停机 状态。 2 纯发动机模式 当汽车行驶于相对稳定的工况时，如在高速公路上稳速行驶，汽车需求 的驱动功率符合发动机最佳输出功率的范围，发动机此时的经济性和排放性 都能较好的保证，而且动力电池的荷电状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) 处于 北京交通火学碗二卜学位论文第二章p h e v 动力总成控制系统分析 较高水平( 达到或超过设定上限) ，混合动力系统工作在纯发动机模式，汽 车的牵引功率全部由发动机提供。电机输出轴由于与变速箱的输入轴通过机 械式齿轮耦合装置相连接，电机转予始终随变速箱的输入轴旋转，电机的功 率输出通过切断电机定子励磁绕组的励磁电流归零。 3 发动机、电机混合驱动模式 在全负荷加速或重载工况下，当汽车行驶功率超过发动机最大输出功率 时，为了保证发动机工作在性能优化区域，电机要提供一部分汽车牵引功率， 使混合动力系统处于发动机、电机混合驱动模式，汽车的负载功率等于发动 机输出功率和电机输出功率之和。如果此时单纯由发动机驱动，则发动机动 力性能无法满足整车需要，且发动机的经济性和排放性能指标都将恶化，因 此在混合驱动模式下，电机起到提供峰值驱动功率的作用。 4 发动机驱动+ 电机发电模式 当动力电池的$ o c 值低于电池使用性能要求的下限，且发动机的运行 工况能够处于较优的工况范围，则根据当前动力电池的荷电状态来确定电机 的发电功率，此时混合动力系统工作在发动机驱动+ 电机发电模式，发动机 提供汽车牵引功率和电机充电功率之和。处于发电状态的电机成为变速箱输 入轴上的一个负载，利用发动机发出的汽车牵引功率以外的富余功率进行发 电，对动力电池充电。 5 回馈制动模式 回馈制动模式是指利用汽车减速或下坡行驶时，使电机处于发电状态给 电池充电，即动力总成系统提供一定的负扭矩用于车辆制动。回馈制动模式 是电动汽车的重要模式，是实现p h e v 经济性的一个重要途径。考虑到制 动距离和制动时间的要求，p h e v 制动的实现有时采取回馈制动与机械制动 相结合的复合制动方案。 6 停车充电模式 停车充电模式是指由于动力电池s o c 处于较低的水平，利用汽车停靠 北京交通火掌硕：【学位论文第二章p h e v 动力总成控制系统分析 间隙，使电机处于发电状态，由发动机带动电机发电从而给电池充电的模式。 此时动力系统的离合器处于结合状态，而变速箱处于空档状态，这样电机作 为发动机负载，发动机的输出功率全部提供给电机为电池充电。 2 3 2 控制系统功能分析 从混合动力系统不同运行模式可以看出，动力总成控制系统首先具备的 功能是能够依据汽车运行的状态及驾驶员的驾驶意愿按照预先设计的控制 策略选择合理的混合动力运行模式，保证混合动力汽车在使用中满足人们对 汽车经济性和排放性的要求：在同一运行模式内部，在满足整车动力性能设 计要求的前提下，按照一定的优化目标( 发动机性能，动力电池性能等) 对 动力系统能量的流动进行规划控制；由于汽车的运行工况是不断变化的，在 同一时刻混合动力系统只能工作在一种运行模式下，所以动力总成控制系统 还要完成混合动力系统不同运行模式的平顺切换，保证汽车驾驶的舒适性。 由于e q 6 1 1 0 混合动力城市客车的动力系统采用了自动机械式变速器 ( a m t ) ，因此在不同运行模式下的换档操作也是动力总成控制系统需要考 虑的重要控制问题。动力总成系统的换档操作必须严格地按照机械式变速器 换档操作时序进行，在换档过程中，动力总成控制单元与a m t 控制器相互 协调配合，对各个动力组件之间的动作顺序和动作时间进行良好的控制，以 减小换档时的机械冲击。 除了以上动力总成控制系统的主要控制功能，汽车的起步控制、制动控 制、动力系统故障处理等也是动力总成控制单元的重要控制内容，需要在控 制系统的软硬件设计上全面地加以考虑。 总而言之，动力总成控制单元( p c u ) 从其它相关控制器中获得司机发 出的加速或制动控制信号，同时获得车速、发动机转速、档位信号、离合器 状态、电池s o c 等表征整车或动力系统运行工况的参数，按照一定的控制 策略，通过c a n 总线通讯或其它信号传输方式指挥发动机e c u 、电机e c u 、 a m t 控制器、电池管理系统等控制单元进行工作，对动力系统各个部件的 转速、扭矩、功率等参数进行协调控制，使混合动力汽车始终工作在合理的 北京交通大学顾士学位论文第二章p h e v 动力总成控制系统分析 运行模式下，满足人们对汽车动力性、经济性和排放性能的要求。 2 4 本章小结 p h e v 动力总成控制系统是根据整车设计方案确定的动力总成系统来 设计的，本章以e q 6 1 1 0 并联式混合动力城市客车的动力总成及其控制系统 为研究对象，对动力总成及控制系统进行了综合分析，具体完成了以下工作： 明确了动力总成系统的总体结构以及各部件的主要性能参数； 明确了混合动力电动汽车控制系统的构成情况； 对p h e v 动力系统运行模式进行了分析； 对控制系统的功能进行了分析。 本章对混合动力电动汽车的总体分析为下一步控制策略的研究和系统 建模奠定了良好的基础。 北京交通入学顺士学位论文第四苹p l i g v 动力总成系统模型的建立与实现 第三章p h e v 控制策略的研究 p h e v 在控制方面对整车提出了更高的要求制定合理的控制策略和控 制逻辑是优化能量流动、提高动力总成协调程度的核心，台理的控制策略 可以在相当大的程度上改善混合动力电动汽车的燃油经济性、排放性，以 及驾驶舒适性。本章控制策略研究的主要内容包括能量分配控制策略的研 究、回馈制动控制策略的研究和对动力系统动态协调控制的研究。 3 1 能量分配控制策略的研究 混合动力电动汽车良好的经济性能是靠合理的分配发动机、电机的功率 或扭矩来保证的，而能量分配控制策略即是完成这一任务的。它是指汽车 在某一工况下，发动机和电机功率分配计算的数学方法。控制策略根据优 化目标、约束条件和算法的不同而不同。下面将对本文应用的两种控制策 略：电力辅助控制策略和白适应控制策略进行分析。 3 1 1 电力辅助控制策略 电力辅助控制策略根据确定的控制逻辑，设定一系列的静态入口，从 而获得一个最狭窄的工作窗口作为发动机电机的工作区间。这是电力辅助 控制策略的基本思路。 电力辅助控制策略与自适应控制策略的共同之处在于两种控制策略都 以经济性能作为优化目标，同时保持s o c 值处于初始状态。不同之处在于 电力辅助控制策略不能根据实际工况进行实时判断，它的控制策略是建立 在一系列预先设定好的参数的基础之上的，这些控制参数是在某一确定循 环下优化辨识出来的【ij ，这也是电力辅助控制策略的控制性能受驱动循环影 响较大的原因。而针对不同的行驶工况或者实际的路况，其性能不能得到 最充分的优化。 北京交通大学硕士学位论文第四章p h e v 动力总成系统模型的建立与实现 概述 电力辅助控制策略，是并联式混合动力电动汽车较为普遍采用的一种 控制策略。其主要思想是：将发动机作为汽车的主驱动源，电力驱动系统 作为辅助驱动源，电机对发动机的输出扭矩起“削峰填谷”的作用，同时 将电池的s o c 值保证在一定范围内| 2 。3 j 。本控制策略应用于本田i n s i g h t ， 雪铁龙x s a r a 车型上，但在具体的实现上略有差别。 发 动 d i 扭 矩 t d 一驱：缸融矩 t e - - 发：= 力机扭矩t dj 。 夕 r ，一 jj le n a x t er d i 发动机o f f客动$ l o n 乓一 。一 。一 卜 l o f f 图3 ，1电力辅助控制策略的示意图 图31 是电力辅助控制策略的示意图，其中t 厝口t 都表示起点在横轴、 沿竖直方向的向量，分别代表扭矩耦合器的输出扭矩( 即驱动扭矩) 和发动 机的扭矩，并且分别以“”和“”符号进行了标示。由此，电机的扭矩 可以表示为正，和疋的向量差( 正值表示电动，负值表示充电) ， 即：亏沪，一霉 在图3 1 中，箭头符号标示了发动机的运行( o n ) 和停机( o f f ) 区域。 可以看出，发动机的最小扭矩线和最小转速线构成了发动机的起停分界线， 而最大扭矩线构成了发动机负荷的上限。 图3 ，1 横轴上的1 5 标号表示了五种典型的驱动工况( 未包含起动和制 动工况) 。1 表示混合驱动模式；2 表示s o c 2 s o c 。、且z ，为中等负荷时的发 15 北京交通大学硕士学位论文第四章p h e v 动力总成系统模型的建立与实现 动机单独驱动模式；3 表示s o c c s o c 一时，发动机以最大扭矩运行，利用 多余扭矩为电池充电的模式；4 表示i ，c 。且s o c2 s o c 。时的纯电动模 式；5 表示t ，c t ；。但s o cc s o c m 。时，发动机扭矩等于充电扭矩与驱动扭矩 之和，在驱动的同时，为电池充电。 电力辅助控制策略的具体描述 ( 1 ) 当汽车行驶速度低于某一速度时，或当需要的扭矩低于发动机优化 区域的最小扭矩点时，电机成为单一的驱动源，发动机关闭。 ( 2 ) 当工况需要的扭矩介于发动机优化区域的上下限情况下，发动机单 独工作。 ( 3 ) 当需要的扭矩超过当前转速对应的发动机的优化区域的最大扭矩 时，发动机工作在此上限水平，电机作为辅助驱动源，提供峰值扭矩，实 行混合驱动。 ( 4 ) 当电池荷电状态值较低时，发动机提供功率大于需要功率使发电机 为电池充电。 ( 5 ) 制动时，电机进行制动能量的回收。 这里，较为关键的是发动机的优化工作区域的确定。电力辅助控制策 略将实现高燃油经济性作为主要优化目标。我们知道，高燃油经济性区域 接近于发动机的高负荷率区域，但优化区域的确定还应综合考虑电机的工 作能力和电池的充放电能力，使控制结果能够满足工况的能量需求。 电力辅助控制策略的特点 ( 1 ) 控制目标简明：将发动机限制于优化工作区域，同时保证电池的荷 电状态值维持在一定的范围内： ( 2 ) 涉及并联式混合动力电动汽车所有的运行模式； ( 3 ) 比较好的考虑了充电的效率和力度：充电扭矩随荷电状态值的大小 而变化：当工况需要扭矩较小时发动机可以提供较大的扭矩输出以保证充 电强度： 北京交通大学硕士学位论文第四章p h e v 动力总成系统模型的建立与实现 ( 4 ) 电力辅助控制策略易于理解，易于编程实现，因此在商业汽车中得 到广泛应用。 ( 5 ) 发动机优化区域过大：受控制策略本身要求所限，不免会划分过大 的优化区域，使控制较为“粗略”； ( 6 ) 对电池荷电状态值控制过严：这里使电池的状态成为一个较为主导 的控制目标，而发动机也因为受电池的状态的制约较为被动( 可能在因对 电池的充电而偏离了优化区域中的相对“更优”的工作点) ； ( 7 ) 电力辅助控制策略的控制目标没有充分考虑排放问题。 下面是电力辅助控制策略的流程图： l 当前转速n el 。1 。1 p 。- 。 “8 11 1 ：! ：! ! ：! ! l y e s 一t e = t m a x 1 砥= t d t m a xi 五鬲i 鬲票百磊_ 一一 r e = t d , t m = o i 妻多一n 一叵巫三至三虽琵 图32电力辅助控制策略的流程图 北京交通大学硕士学位论文第四章p h e v 动力总成系统模型的建立与实现 图中：n 为转速，t 为扭矩，e 为发动机，m 为电机 为电池充电。 3 1 2自适应控制策略 友叙 d 为电剥抛 c 由于电力辅助控制策略不能对能量分配进行精确量化，因此其控制效 果不够优化。为了能够精确量化能量分配，迸一步提高控制的综合效果， 美国能源部( d o e ) 的可再生能源实验室( n r e l ) 研究和发展了一种新的控制 策略：自适应控制策略( s e l f - - a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y ) 。 自适应控制策略概述 自适应控制策略，它能够实时地对汽车实际的工作条件进行判断，从 而对动力传动系统的每一个瞬态工作点进行实时的优化计算，选择出最佳 的运行模式，以及实现发动机、电机的最佳功率或扭矩分配。 自适应控制策略以燃油经济性和排放性能共同作为优化目标2 ”1 。在 每一时刻，计算所有满足工况需求的发动机电机匹配方式下的油耗和排放 ( 泊耗、n o x 、h c 、c o 、p m ( 微粒) ) ，对油耗和排放性能指标进行加权 求和，其最小值所对应的发动机电机匹配方式即为此时优化的输出结果。 自适应控制策略具体实现步骤如下： ( 1 ) 确定电机扭矩工作范围。根据需求扭矩和发动机扭矩的大小不同， 电机可以工作在电动( 扭矩为正) 和发电( 扭矩为负) 的情况。工作范围 取决于需求扭矩、电机和电池的工作能力。电机的工作区间确定如下【12 】： a 当电机作为驱动源时，即输出扭矩为正值时，其范围取出下各值的 最小值。 - 需求扭矩： - 电机当前转速下的最大正扭矩； - 电池最大放电功率所对应的电机扭矩。 b 当电机作为发电机为电池充电时，电机负值范围取以下各值的最大 值。 北京交通大学硕士学位论文第四章p h e v 动力总成系统模型的建立与实现 需求扭矩与发动机当前转速下的最大正扭矩之差； - 电机当前转速下的最大负扭矩： - 电池最大充电功率所对应的电机扭矩。 ( 2 ) 计算在步骤1 中确定的电机的工作区间内，每一个电机工作点相 对应的发动机的油耗量。 ( 3 ) 计算每一个电机工作点的电机折合油耗量。这一步是整个控制策 略的难点，可以分为以下几个步骤： a 找出发动机油耗与电机扭矩的关系：它表示对应每一个电机扭矩 相应的发动机的燃油消耗。 b 找出电池s o c ( 荷电状态值) 变化与电机扭矩的对应关系：它表示 了每一电机扭矩点对应的s o c 变化大小，用a s o c 表示。当扭矩为正时， a s o c 是负值，表明电池在放电；而当扭矩为负时，s o c 是正值，表明电 池在充电：由于回馈制动可以回收“免费”能量，因此d ；o c 会有个修正值， 用a s o c 。表示。 c 将a 、b 中确定的两条曲线合二为一，得到发动机油耗与a s o c 的 对应关系图。横坐标表示的是a s o c ，正值代表充电，负值代表放电；纵 坐标代表发动机燃油消耗。 d 。找出电机的能量( 燃油) 消耗。方法是：在上一步骤得到的发动机 油耗与n e , o c 的关系图中，按照丛d c 的相反变化查总的能量消耗( 如 a s o c = - - 0 ，0 0 1 则按s d c = 0 0 0 1 查取所对应的油耗量) ，以此能量减去 发动机单独工作时对应的能量消耗( 即发动机油耗与电机扭矩的关系图中， 电机扭矩为0 时对应