（动力机械及工程专业论文）车用并联混合动力系统瞬态过程控制技术研究.pdf

中文摘要 混合动力电动汽车开始走向产业化的时期，对其控制策略的研究无疑具有 重大现实意义。控制策略的研究手段包括仿真、控制原型开发、硬件在环仿真 和系统性能测试。本文通过对各种混合动力系统的共性分析，提出了混合动力 系统控制策略开发平台的框架，给出了混合动力系统各个功能模块在控制策略 开发的不同阶段可采用的形态以及他们之间的连接关系。为了拓展混合动力控 制策略仿真的设计空间，设计了统一化模型接口，提出了基于神经网络的发动 机缩放建模方法，并通过实验证明了该建模方法能够达到仿真优化需要的精度。 基于d s p a c e 系统和发动机动态试验台架，采用模块化和分层设计方法， 设计了测试系统的功能模块，部分功能模可实现仿真形态和实物形态置换组合， 以满足不同测试的需要，实现了系统模块组合的柔性化。设计完成了系统各种 信号协调连接，完成了d s p a c e 系统、测功机系统和混合动力总成的集成。在所 设计的测试平台上进行了并联混合动力测试，实验表明测试平台能实现循环工 况模拟、再生制动控制、模式切换控制、换挡控制等过程的测试，测试平台达 到了预期的测试功能，为并联混合动力瞬态过程控制技术研究奠定了实验基础。 并联混合动力能量管理和瞬态过程动力控制都需要发动机的实时转矩。本 文通过发动机自动化测试，建立了发动机瞬态转矩的查表模型、神经网络拟合 模型，并提出了基于神经网络的发动机平均值模型。对三者的实验验证表明， 它们都能达到一定的转矩估计精度。但前两种模型的适应性较差，而基于神经 网络的平均值模型根据实时测得的进气压力和喷油流量进行转矩估计，具有更 好的适应性，也能对节气门变化率不高时的发动机动态转矩进行估计。 本文提出了基于模型预测的电机调速闭环控制策略，用于模式切换控制， 它不依赖于对发动机瞬态转矩的精确估计，比单纯根据估计的发动机转矩进行 电机转矩补偿控制具有更好的控制鲁棒性。仿真和实验表明所提出的控制策略 能够有效降低混合动力模式切换过程中的输出转矩和转速波动，实现模式的平 稳切换。该控制策略适用与普通并联混合动力，也适用于p l u g i n 混合动力。 提出了行星齿轮机械变速器方案，通过去除液力自动变速器的变矩器形成 的机械自动变速器具有更高的传动效率，同时也保留了其换挡操作的方便性。 分析了行星齿轮机械变速器在并联混合动力系统中应用的可行性，对其进行了 换挡过程的动力学建模，提出了电机调速主动同步的控制策略，对变速器的加、 减挡过程进行了仿真研究，结果表明所提出的电机调速主动同步换挡控制策略 能有效降低换挡过程中变速器输出转矩的波动，实现平顺换挡。 关键词： 并联混合动力，瞬态过程，模式切换，换挡 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to fm a s s p r o d u c i n go fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) ，s t u d y i n g t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fh e vi ss i g n i f i c a n c e s i m u l a t i o n ，p r o t o t y p ed e v e l o p m e n t ， h a r d w a r e i n - t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o na n ds y s t e mb e n c ht e s ta r ee m p l o i e dt o a d d r e s st h e h e vc o n t r o lp r o b l e m i nt h i sp a p e r , ap l a t f o r mf r a m e w o r kw a sp r e s e n t e df o rt h e d e v e l o p m e n to fh e v c o n t r o ls t r a t e g yb ya b s t r a c t i n gt h ee s s e n t i a lf a c t o r so ft h eh e v s y s t e m t h es y s t e mw a sm o d u l a r i z e d ，t h es t a t e so ft h em o d u l e sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i p f o rd i f f e r e n td e v e l o p i n gs t a g ew a sd e s c r i b e d t oe x p l o r eal a r g ed e s i g ns p a c ef o rh e v , au n i v e r s a li n t e r f a c ed e f i n i t i o nf o rm e t a - m o d e lw a sd e s i g n e d ，a n dan e u r a ln e t w o r k b a s e ds c a l i n gm o d e l i n gm e t h o df o re n g i n ea n de l e c t r i cm a c h i n ew a sp r o p o s e d b e n c h t e s ti n d i c a t e dt h a tt h es c a l i n gm o d e lc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n tf o rs i m u l a t i o n t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h eh e vt e s ts y s t e ma r ed e s i g n e dw i t h m o d u l a r i z a t i o na n dh i e r a r c h i c a lm e t h o d v i r t u a lp a r t so rp h y s i c a lp a r t sa r eo p t i o n a lt o m a k eu pv a r i o u st y p e so ft e s ts y s t e m s ，s ot h es y s t e mi sf l e x i b i l i t yt os a t i s f yd i f f e r e n t o fc o n t r o ls t r a t e g yd e v e l o p m e n tp u r p o s e t h ed e s i g n e dt e s ts y s t e mc a ni m p l e m e n tt h e r e g e n e r a t i o nb r a k i n gt e s to fh e v p r o p e ri n t e r f a c e sw e r ed e s i g n e dt oi n t e g r a t et h e d s p a c es y s t e m ，d y n a m o m e t e rs y s t e ma n dh y b r i dp o w e r t r a i n s o m et e s t sw e r e i m p l e m e n t e do nt h ed e s i g n e dt e s ts y s t e m t h ef u n c t i o n so fd u t yc y c l es i m u l a t i o n ， r e g e n e r a t i v eb r a k et e s t ，h e vm o d es w i t c hc o n t r o l t e s ta n dg e a rs h i f tc o n t r o lt e s tw e r e v a l i d a t e d t h et e s ts y s t e mm e e tt h ee x p e c t e df u n c t i o n s ，t h i sm a d eaf o u n d a t i o nf o r t h e s t u d yo f t h et r a n s i e n tp r o c e s sc o n t r o li nt h i sp a p e r f o re i t h e re n e r g ym a n a g e m e n to rt r a n s i e n tp r o c e s sc o n t r o l ，i ti se s s e n t i a lt o o b t a i nt h et o r q u eo ft h ee n g i n e b a s e do na u t o m a t i ct e s td a t a ，al o o k u p t a b l em o d e l a n dn e u r a ln e t w o r km o d e lw e r ec o n s t r u c t e d t h i sp a p e rc o m e su pw i t han e wt y p eo f n e u r a ln e t w o r k sb a s e dm e a nv a l u ee n g i n em o d e l e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e t h r e et y p e so fe n g i n em o d e l sa l lh a v ec e r t a i na c c u r a c yf o re n g i n et o r q u ee s t i m a t i o n ， b u tt h er e p e a t a b i l i t yo ft h ef o r m e rt w ot y p e so fm o d e li sn o ts t e a d y t h en e u r a l n e t w o r kb a s e dm e a nv a l u ee n g i n em o d e lo b s e r v et h ee n g i n et o r q u eb ym e a s u r i n g i i i n t a k ep r e s s u r ea n df u e li n j e c t o rf l o wr a t e ，i th a sm o r eb e t t e rr o b u s t l l e s s 锄d c a n f e e d b a c kt h et r a n s i e n te n g i n et o r q u ei ft h ec h a n g e r a t eo ft h r o t t l ei sn o tt o om g h f o rt r a d i t i o n a lh e v a sw e l la sp l u g - i nh e v , i ti sv e r yi m p o r t a n tt oh a v eg o o d m o d es w i s ha n dg e a rs h i f tp r o c e s s t h i sp a p e rc o m eu pw i t ha m o d es w 毗c o n t r o l s t r a t e g yo fm o d e l p r e d i 嘶eb a s e d m o t o rs p e e dr e g u l a t i o n ，i td o s en o td e p e t a do nt h e a c c u r a t ee n g i n et o r q u ee s t i m a t i o na n dh a s b e t t e rr o b u s t n e s st h a nt h eo n l ye n g m e t o r q u eb a s e dt o r q u ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y t h es i m u l a t i o na n d t e s tr e s u i t st e s t l t l e d t h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s st h e o s c i l l a t i o no fo u t p u t t o r q u eo ft h ep a r a l l e lh y b r i dp o w e r t r a i n ，a n d r e a l i z e das m o o t hm o d e s w l t c n i no r d e rt oa d d r e s s t h eg e a rs h i f t i n gc o n t r o lp r o b l e m ，ap l a n 咖呵g e 锄n g a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( p g a m t ) w a sp r o p o s e d 。t h e t o q u ec o n v e r t e r o fah v d r a u l i ca u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nw a sr e m o v e d t of o r map g a m t ，w h i c l l t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n e yw a si m p r o v e d w i t h o u ts a c r i f i c i n gt h ec o n v e n i e n c eo f t h eg e a r s h i r i n g 1 1 1 i sp 印e ra l l a l y z e dt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s r e q u i r e df o rp g a m t i nt h e p a r a l l e lh y b r i dp o w e r t r a i n ，m o d e l e dt h ed y n a m i co ft h ep g a m t , p r o p o s e d ag e a r s h i f t i n gc o n t r o ls t r a t e g y t h a tu s et h ee l e c t r i cm o t o ra s t h ea c t u a t o rt oa c t i v e l y s v n c k o n i z ec l u t c h d i s k st or e a l i z ec l u t c h - t o c l u t c hg e a rs h i f t i n g ，s i m u l a t e d t h e 脚c e s so fu ps h i f ta n dd o w ns h i f t t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea c t l v e s v n c h r o n i z i n gb ym o t o rs h i f tc o n t r o ls t r a t e g y c a r te f f e c t i v e l yr e d u c et h eo s c i l l a t i o no f t h eo u t p u tt o r q u eo ft h et r a n s m i s s i o nd u r i n g t h ec o u r s eo fg e 皴s h i t t i n g k e y w o r d s ：p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cp o w e r t r a i n - t r a n s i e n t p r o c e s s ， w o r km o d es w i t c h ，g e a rs h i f t i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另t l ：d i i 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：立芝率啦日期：垒嘭龇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：雄导师( 签名) ：日期：驾笸秒 武汉理工大学博：e 学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1混合动力汽车的发展概述 高效清洁并且满足汽车市场对成本和可靠性的要求的汽车动力是汽车业所 面临的重大挑战。过去一段时间，为了达到以上的目标，人们对由电池驱动的 纯电动汽车技术开发做出了很多的努力【l 】。不幸的是电池的续行里程短，充电时 间长，比功率小等弱点仍然没有得到克服。在向燃料电池汽车过渡的过程中， 公认的最有前途的是由内燃机、电动机、能量存储装置等组成的混合动力汽车。 目前已经有混合动力汽车产品进入市场，并且几乎所有的汽车制造企业都对它 的开发给予了浓厚的兴趣。混合动力系统中加入了电机驱动后为经济性的提高 和排放减少带来了很大的好处，因为它可以使内燃机避开怠速、低速、低负荷 和满负荷等低效工作区，而处于高效率、低排放的工作区域，而且可以回收汽 车的制动能量。 有些学者就传统内燃机汽车、纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电 动汽车就效率、动力性能、排放性能和成本等方面进行了比较全面的比较和分 析1 2 - 5 】，由于目前的技术水平、成本、汽车有关的基础设施和市场状况等原因， 混合动力是近期首选的节能清洁电动汽车方案。 1 1 1 1 普通混合动力 目前世界上许多的汽车企业都生产出了自己的混合动力汽车。混合动力汽 车的各个部件系统的研究也在不断取得进步，混合动力的研究为电机技术、电 池技术、电子控制技术以及内燃机技术均带来了发展的机遇侧。此处所说的普 通混合动力是相对于现在正在兴起和发展的p l u g i n 混合动力而言。根据当前 的发展水平1 ，市场上可见的混合动力汽车按照混合度可分为微度混合，电机功 率大约2 5k w ，电压1 2 v ，作起动机和发电机用，主要实现发动机的快速起动 以避免发动机怠速工作和回收部分制动能量，在城市工况可节省燃油5 一1 0 ， 成本略有提高，如雪铁龙c 3 。轻度混合动力电机功率在1 0 - 2 0 k w ，电压1 0 0 到 武汉理工大学博士学位论文 2 0 0 v ，电机和发动机集成在发动机飞轮位置，城市工况下节油2 0 - - 3 0 ，制 造成本提高2 0 一3 0 ，如本田i n s i g h t 和本田c i v i c 。完全混合动力汽车电机功 率约5 0 k w ，电压2 0 0 v - - 3 0 0 v ，城市工况下可节油3 0 一5 0 ，制造成本提高 3 0 - - 4 0 ，如丰f f lh i g h l a n d e r 。当前混合动力汽车的发展方向主要是：一是全 混合以提高燃油经济性和降低排放，但成本高成为发展的障碍；二是微度和轻 度混合，其优势是成本较低，结构紧凑。混合动力的关键技术包括驱动电机、 能量转换器( 发动机和燃料电池) 、储能装置( 电池、超级电容等) 和控制策 略几个方面。 1 1 1 2p l u g i n ( 可充电式) 混合动力汽车 p l u g i n 混合动力汽车是能够从电网进行充电的混合动力汽车。在传统的混 合动力上加上充电装置就可变成p l u g - i n 混合动力。与传统的电量平衡式混合动 力相比，它能够使用电能代替部分化石能源，从而减少汽车对化石能源的依赖 性，也减少汽车有害气体的排放i l o ，】。 p l u g i n 混合动力可以是并联、串联或混联，目前没有证据说明那一种形式 最具有综合的优势。它的工作模式可以有以下几种： 纯电动模式：发动机停止工作，只有电机驱动汽车行驶，s o c 下降。 电量平衡模式：电池的s o c 被控制在较小的变换范围，和传统电量平衡式 混合动力一样。这种情况下汽车消耗的能源来自燃料。 根据车速、发动机转速、发动机转矩、环境温度、电池温度、大气条件等 参数，汽车在以上工作模式之间切换，也可以通过驾驶员手动切换。 通常，按照能量管理模式，延长里程式p l u g i n 混合动力开始工作于纯电动 模式，当s o c 低于一定水平后转入电量平衡模式工作。 从结构型式上看，并联式设计相对较好，因为串联式设计的燃油经济性不 够高，而成本却很高l i 2 。 电池的容量越大，燃油经济性越高，排放也越少，但是电池容量的增加主 要受到成本的限制。镍氢电池和锂离子电池因具有性能优势而更有前途，铅酸 电池虽然价格低，但工作于电量耗尽模式会影响其寿命，且电池的比功率不高。 p l u g i n 能够连续行驶较长的距离而不需要充电，对基础设施的要求不高。 p l u g i n 混合动力综合了普通混合动力续驶里程长，和纯电动汽车对石油依赖小， 排放低，同时对配套基础设施要求较低等优点，因而成为目前的研究热点，尤 2 武汉理工大学博士学位论文 其是在美国得到了最大的重视和最多的研究，有望成为一种十分有前途的混合 动力型式。 1 1 2 混合电动汽车的开发具有重要现实意义 石油资源的有限和环境保护的迫切需要，加上汽车产销量的逐年上升和对 石油需求的大量增加，迫使全球汽车工业寻求节能和环保的新型汽车动力系统， 电动汽车开发和实现大量生产的步伐加快。我国为了实施可持续发展和汽车工 业的跨越发展，高度重视电动汽车的研究和开发，为此设立了“8 6 3 电动汽车 重大专项。充电式的纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力汽车目前都得 到了不同程度的发展。纯电动汽车存在储能装置( 电池) 的能量密度不够高， 车辆的行驶里程短，充电的时间长，成本高等问题需要继续研【9 】，目前难以满足 汽车性能的需要。燃料电池汽车的开发也还存在诸多的技术难题需要解决，包 括氢气的制取和储存、燃料电池电堆的成本高，需要庞大的燃料供给基础设施 建设等问题，还处于开发的早期阶段，近一段时间还不能进入大量应用。混合 动力汽车是目前能够实现大量生产的可行的电动汽车类型【3 ，5 ，1 3 , 1 4 j ，受到人们特 别的关注，主要的原因如下： 混合动力汽车将传统的内燃机驱动与纯电动驱动方式相结合，利用电池和 电机系统的配合来优化内燃机的效率，并且回收汽车的制动能量，使整车经济 性和排放性能较纯内燃机驱动有很大提高。当汽车停车时，发动机可以停机以 避免发动机怠速工作；车速低于某预设值时可使用电机单独驱动车辆，避免发 动机在低负荷的低效率区工作；发动机处于中高负荷时可以通过调节发动机的 转矩和转速来优化其效率，若有功率剩余，可用于驱动电机向蓄电池充电，若 驱动功率不足，可用电动辅助发动机驱动汽车，避免了发动机高负荷时造成的 效率下降。基于这些原因，单由发动机驱动的汽车转变成混合动力汽车时，发 动机尺寸可以减小，对原车的结构改动小，还可以利用电机实现汽车更加灵活 的控制性能，比如防抱死制动( a b s ) 和汽车稳定性控制( v s c ) 。 混合电动汽车除了自身的优点外，也有与纯电动及燃料电池电动汽车的比 较优势。它有比纯电动汽车长的行驶里程，和传统汽车的动力性能相当。如果 制取氢气的原料仍然来自石油，从油井到车轮的总体经济性比较上，并联混合 动力汽车的经济性不比燃料电池汽车差，制造成本较燃料电池汽车低。另外， 混合动力电动车可以继续使用原有的燃油供应等基础设施，不必像燃料电池电 3 武汉理工大学博+ 学位论文 动车那样需要庞大的基础设施建设【1 ，6 ，1 5 , 16 1 。 总之，在燃料电池汽车技术未获得突破性进展之前，混合动力电动车将在 一段时间内扮演清洁节能电动汽车的主要角色，对其的开发和研究具有重大意 义。 1 1 3 并联混合动力系统瞬态过程控制是实现其性能优势和大量生产 的关键 1 1 3 1 提高并联混合动力汽车的燃油经济性和降低排放 并联混合动力系统的主要控制问题包括：内燃机和电机之间的能量管理 优化控制问题；发动机起动、动力系统状态切换、加减速、加减载荷及换挡 等瞬态过程控制问题。 对于第一类问题已有大量的研究，但基本所有的文献中对系统效率的优化 都是基于发动机的稳态效率特性进行的，没有考虑发动机在起动和加减速过程 中油门操作特性对系统燃油经济性及排放的影响。从统计的我国城市道路循环 工况特征参数来看，汽车加速时间占整个行驶时间的比例约为2 0 州5 【l m o j ， 克服加速阻力需要动力系统提供额外的转矩，发动机在加速或加载过程中的燃 油经济性和排放性能都较相应的稳态工况变差甚至恶化，加速过程对汽车的燃 油经济性和排放性能有重要影响。对混合动力电动车，由于可以利用电机转矩 来提供加速转矩的需要，从而限制发动机油门的变化率以降低油耗和排放，但 过多使用电机必然使电池的电量下降变快，需要发动机对其频繁充电，否则需 要更大容量的电池组。频繁充放电不一定能够达到混合动力系统的能量效率最 优，且电池的寿命也会降低；大容量的电池组增加了整车的重量，不利于经济 性的提高，也使汽车的成本增加。所以应该对发动机的油门瞬态操纵特性进行 优化，建立相应的模型进行包括瞬态性能的整车燃油经济性评估，为实现混合 电动车瞬态程中的燃油经济性和排放性能优化提供理论依据。 并联混合动力系统的一大优势之一是可以避免发动机的怠速运转，但这样 对发动机的起动性能提出了更高的要求，尤其是在市区行驶工况，可能需要发 动机的频繁起动和停机，而发动机的起动对经济性和排放性能都很不利 2 1 l 。对 并联混合动力，可使用电机拖动发动机起动，由于电机拖动转速比传统的起动 机起动转速高，能否利用这个特点减少传统发动机起动的燃油加浓程度，从而 4 武汉理1 1 j 大学博+ 学位论文 减少起动过程的燃油消耗和排放，需要对发动机的起动过程中的供油策略进行 研究和标定【2 2 , 2 3 。 汽车使用工况复杂，有很多的瞬态过程，如起步、自由加速、急加速、紧 急制动等。汽车在按道路循环工况行驶时，其驱动力和功率则呈现动态变化的 特点，车辆的能量消耗也应随之发生瞬态的变化。在这些瞬态过程中，电动汽 车能量究竟如何合理分配、如何实现瞬态过程的优化控制对于解决混合动力汽 车实际应用问题无疑具有重大意义。 1 1 3 2 实现并联混合动力系统动力输出和传递的平稳与连续 并联混合动力系统中有发动机和电机两个动力源，两个动力源存在多种配合 工作模式，如纯电动、发动机驱动、发动机驱动+ 电机辅助、发动机驱动+ 发电 机充电等。根据汽车行驶的需要，动力系统在这些工作模式间相互切换，形成 许多对单个动力源来说的不连续瞬态过程，加上发动机的转矩响应时间常数与 电机有较大的差异，要维持混合动力系统总的动力输出的平稳和连续，就必须 对这些瞬态过程中两个动力源的动力输出进行协调控制。需要解决的控制问题 有：发动机的快速平稳起动；发动机进入驱动前的转速和离合器结合过程 控制；状态切换造成的对发动机需求转矩产生突变时( 如由电机功率辅助切 换到发动机驱动并向电池充电) ，发动机与电机转矩的协调控制；汽车总需求 转矩产生较大波动时电机和发动机的转矩协调控制【2 4 - 3 1 。 并联混合动力电动车的换挡不能由驾驶员控制，而由总成控制器发出换挡命 令，换挡过程涉及到发动机动力中断与恢复、电机的动力中断与恢复、换挡执 行机构控制和离合器控制等控制问题。这些控制问题解决的品质好坏直接影响 混合动力电动车的动力性能，驾驶性能，可靠性和耐久性。这方面的研究也是 混合动力系统实现其性能优势的关键坏节之一。 并联混合动力系统瞬态性能研究涉及非线性、非连续、多自由度系统特性 分析与描述及建模与仿真方法，发动机燃油供给和转矩、转速调节策略，系统 动力学控制等诸多问题，是影响混合动力电动车驾驶性能、可靠性和耐久性的 关键，是并联混合电动车实现大量生产和为用户所接受的重要因素，具有重要 的理论研究价值和工程应用价值。 5 武汉理工大学博士学位论文 1 2 混合动力系统控制技术的发展现状 在并联混合动力汽车系统零部件参数确定的前提下，对混合动力系统控制 问题的研究主要集中在两个方面：一是车辆行驶过程中两个动力源一发动机 和电机之间的能量分配，实现最佳的燃油经济性；二是各种瞬态过程中控制 系统动力平稳传递，防止各种运动件间的冲击和振动，实现最佳的驾驶性能。 1 2 1 混合动力汽车城市行驶工况的研究 汽车的行驶工况是影响燃油经济性和控制策略的重要因素，通过对典型道 路工况的统计学研究可以为汽车的设计和开发提供依据，并且作为考核汽车性 能的运行工况。各国根据自己的情况研究并提出了各种典型道路循环工况。我 国也把道路循环工况研究作为8 6 3 项目之一开展研列3 2 j 。 对于混合动力汽车，工况对其燃油经济性的影响较传统汽车更大，是其参 数配置设计和控制策略设计的重要依据【3 3 1 。行驶工况主要有模态工况和瞬态工 况两大类，其中瞬态工况更适合控制策略设计的需要【3 4 3 5 1 。从对欧洲、日本、 美国以及我国上海、北京、武汉等城市循环工况的特征参数分析来看，加速所 占时间比例为2 0 4 5 ，大部分在3 0 以上，减速时间2 0 3 1 ，停车频率 最高时两次停车平均间隔时间为3 3 s t 2 0 , 3 6 , 3 7 1 。这些研究表明，瞬态工况在城市汽 车工况中占有很重要的比例，不仅混合动力汽车瞬态工况下的燃油经济性和排 放优化及控制策略研究具有重要影响，而且对实现系统的平稳、可靠运行的瞬 态过程动力传动控制具有更加重要的意义。 1 2 - 2 混合动力汽车研究开发手段 混合动力汽车主要的研究方法有建模仿真分析、动力总成及整车试验。 1 2 2 1 建模仿真 这是采用最多的一种研究方法，已有许多成熟的商业仿真软件面世，比 较著名的有美国可再生能源国家实验室( n i 迮l ) 开发的a d v i s o r ，a r g o n n e 美国国家实验室( a n l ) 开发的p s a t ，奥地利a v l 公司开发的c r u i s e 等。 以a d v i s o r 为代表的后向仿真软件，是作为整车性能分析工具而开发的。 它的所有的元件模型都是准静态的，不能单独用来预测汽车的振动、电磁场的 6 武汉理工大学博士学位论文 变化等快速动力学问题。解决这些问题时需要与其它软件结合使用。同时，各 种瞬态过程均未考虑，这些瞬态过程包括：发动机的急加速、自由加速、起 步、暖机等；发动机和电机组合工作的模式切换过程和换挡过程等。这些瞬 态过程会造成发动机的燃油经济性较稳态下降，汽车出现动力中断，传动系 统发生振动和冲击等问题。故软件只能用于分析评价汽车的准静态性能，不 能分析混合动力汽车在各种瞬态过程中的性能【3 8 3 9 1 。 以p s a t 为代表的前向式仿真软件，更符合实际驾驶情况，带有发动机暖机、 变速器换档、离合器结合等瞬态过程的模块，比后向仿真更实用一些，但它对 瞬态过程的考虑也仅限于加减速过程中各种元件的惯性影响，没有不包含发动 机的瞬态油门变化过程对整车燃油经济性的影响，发动机工作在瞬态工况时， 其燃油消耗仍然按照稳态来计算，这对能量管理策略的进一步优化仍然存在不 足。且发动机在状态切换时瞬间完成，需求转矩瞬间得到，这不符合实际的情 况。鉴于汽车在市区道路行驶过程中加速过程占到整个行驶实际的2 0 4 5 f 3 3 j ， 为了进一步优化混合动力汽车瞬态燃油经济性，需要把发动机瞬态燃油消耗特 性纳入到整车燃油经济性计算中。同时应当考虑发动机机和电机转速输出延迟 特性不同、发动机起动和停机、系统工作模式切换和换挡等瞬态过程的动力协 调控制问题。 1 2 2 2 动力总成及整车试验 动力总成试验目前主要有开发样车进行试验和台架试验两类。开发样车进行 试验时可以在底盘测功机【4 0 】或实际道路上对车辆的舯i - , , l l 厶匕i 化进行测试和评价，这样 做的优点能够给动力系统施加真实的道路负载，从而反应动力系统实际性能； 缺陷是样车的开发成本高，在混合动力总成装车之前难以考查整个动力系统控 制策略的优劣和性能的好坏，如果装车后要进行零部件参数或动力系统布局的 更改时，难度较大，给开发也带来了更大风险和成本，另外进行道路测试时试 验数据采集也比较困难。混合动力汽车台架试验可以实现从零部件到整车的各 种试验，试验过程易于操控，可以灵活修改混合动力系统的布局和配置，进行 多种方案的试验优化【4 l ，4 2 1 。但台架试验的困难在于进行整车的工况循环试验， 这时需要用测功机模拟各种道路负载，尤其是对整车各种惯量的模拟以及汽车 制动过程的模拟。要实现这些功能，需要测功机有较高的控制精度和高动态响 应性能，并且能够倒拖发动机。常用的电涡流测功机不能倒拖发动机所以不能 7 武汉理工大学博士学位论文 实现这一功能。使用交流电力测功机和好的控制系统可以实现这一功能，例如 a v l 发动机动态试验台。但应用这样的动态试验台架测试混合动力汽车整车性 能，除了道路负载的模拟外，还需要集成台架控制系统和混合动力汽车总成控 制器，驾驶员操纵命令的信息连接和交换过程，并且观察和测量混合动力系统 的各种参数变化情况，灵活实现混合动力汽车控制策略及各种瞬态过程的研究。 这方面的研究目前还未见有公开的系统报道。 1 2 3 混合动力汽车能量管理策略 在混合动力部件参数选定后，恰当的能量管理策略是混合动力汽车实现 燃油经济性提高和降低排放的关键，这使得能量管理策略成为混合动力汽车 研究中得到最多关注的问题。许多能量管理策略被提出来，主要包括以下几 类： 1 2 3 1 基于规则的能量管理策略 根据部件性能特性和工程经验选择控制参数，在控制参数的变化范围内， 使用一组阈值( 逻辑门限值) 将其划分成不同的区域，在不同的控制参数区 域，混合动力汽车按照不同的状态和能量供给模式工作，从而形成一组控制 规则。控制参数通常有车速、汽车行驶的需求功率或转矩、发动机的转矩、 电池的荷电状态( s o c ) 等。根据控制参数的阈值确定与否，又可以分成确 定规则能量管理策略和模糊规则能量管理策略，前者以精确的阈值来划分系 统的能量供应状态，后者对阈值进行模糊化处理后来决定系统的能量供应状 态 4 3 , 4 4 1 。 确定规则能量管理策略首先在商品化的混合动力汽车中得到应用【4 5 ，4 6 1 ， 因为它简单可行，且能实现一定控制性能。但由于它的阈值是确定的，而混 合动力系统存在很多变动因素，所以它的精度和适应性不够好。模糊规则能 量管理策略正好能够描述系统中的不确定状态【4 7 5 0 1 ，具有更好的适应性和鲁 棒性，被认为是更有前途的一种能量管理策略，但它必须依事先获得的专家 知识来进行控制。 也有应用神经网络对实现优化好的数据进行学习训练，利用神经网络的 泛化能力来实现对所有控制参数的获取的方法【5 卜5 3 1 ，但这种方法将对控制器 计算能力提出更高的要求。 8 武汉理工人学博士学位论文 由于规则的制定难以照顾到太多的因素，常以发动机尽量工作在高效率 区，电池电量平衡为目标，然而发动机效率的最优并不意味着整体效率的最 优，所以难以达到整个系统的效率的优化是这类能量管理策略存在的问题。 1 2 3 2 实时优化能量管理策略 以混合动力汽车在当前行驶工况下整车燃油消耗最小或能量损失最小、 排放最少，同时维持电池的电量平衡为目标【5 4 55 1 。这种能量管理策略需要根 据当前行车工况下各个部件的效率对多个能量分配备选点行计算，最后选择 燃油消耗最小或能量损失最小的备选点作为当前能量分配点。备选点的值可 以是确定的，也可以对其进行模糊化处理后进行计算。随机动态规划和解耦 控制等控制算法均有被应用【56 1 。 这种控制算法的优点是能够获得当前行车工况下的瞬时能量最优分配， 是可以在实车上得到运用的最优能量管理方案。在利用全球定位系统( g p s ) 或地理信息系统( g i s ) 预测前方一定范围的道路状况时，可以结合道路状况 实现能量管理的进一步优化【5 6 】。 它的局限在于需要事先知道混合动力系统中各个部件的效率和发动机的 排放水平；对多个备选点的运算需要较多的计算资源，对硬件是实时性提出 了高的要求；需要把电功率消耗转换成发动机的当量油耗，这些局限都对这 种能量管理策略的实际应用带来了困难，需要进一步的研究和完善【5 7 棚】。 1 2 3 3 全局优化能量管理策略 在事先知道汽车行驶的所有过程中所有工况参数的条件下，可以实现能 量管理的全局优化【6 0 1 ，有多种控制算法应用到这种能量管理策略中，如动态 规划算法【6 l 6 2 1 、随机动态规划算法【6 3 1 、遗传算法等畔6 6 】。这种策略的优点是 能够实现全局的能量优化管理，可以为其它的控制算法提供评价参考。缺点 是要知道所有的道路信息非常困难，缺少实际应用的可操作性，只能用于理 论分析。 1 2 3 4 瞬态过程的经济性和排放优化 上述的控制算法都是基于发动机问题工况下的燃油消耗进行计算的，没 有考虑发动机在动态工况下的燃油消耗与稳态工况的差异。在市区道路工况 9 武汉理t 大学博士学位论文 下，发动机存在频繁的起动、加速和减速等动态过程，其中加速过程占整个 运行时间的2 0 4 5 ，这些过程中发动机的燃油消耗及排放和稳态工况有差 异，这种差异与发动机的油门操作模式等动态参数有关，实现燃油经济性和 排放的优化应当对这些参数也进行优化。有少量的文献将这一问题纳入到混 合动力系统的控制当中【6 7 6 引，这方面很值得作进一步的研究。 1 2 4 并联混合动力系统传动控制研究现状 串联混合动力系统中发动机与车轮之间没有机械连接，始终由电机驱动 汽车行驶，动力传动相对并联和混联系统简单。此处仅针对并联和混联系统 的动力传动控制问题做总结。 1 2 4 1 发动机的起动和控制 并联混合动力为了避免发动机怠速工作，需要频繁起动发动机。当电机功 率不能满足驾驶员需求或电池的电量不足时，需要立即起动发动机进入转矩 输出状态，为了获得好的驾驶性能，要求发动机的起动要迅速且平稳。发动 机起动动力通常来自于i s g ( 如本田i n s i g h t 结构) 或驱动电机( 如丰田p u r i s m 结构或不带i s g 的并联系统) 。对带有i s g 的并联结构，并通过离合器将发动 机的动力连接切断，发动机的起动过程中的振动不会影响驾驶性能。对于类 似丰田p r u i s 的行星齿轮耦合装置，由于发动机起动过程中不能与传动系统脱 开，启动过程中的需要进行转矩的协调控制，主要采用电机进行转矩补偿以 减小起动带来的系统振动【6 9 。列。对于没有i s g 但又有纯电动工作模式的中度 或完全混合系统，需要使用驱动电机来起动发动机工作，尤其是驾驶员需要 车辆急加速，而发动机还处在停止状态时，对起动过程就提出了更高的要求。 这种情况下，电机在驱动车辆前进的同时提供发动机的起动动力，需要对电 机的转矩进行调节，同时，电机已经有一定的初速度，而发动机的转速为零， 需要操纵离合器通过滑摩转矩来带动发动机旋转，并且实现离合器的平稳控 制【7 3 ，7 钔。有文献提出发动机的起动最佳时机是变速器换挡过程的空挡时期， 这时可以切断电机与车轮的动力传递，电机可进入调速控制模式，以定转速 来起动发动机，但发动机的起动时刻和换挡时刻是否都能重合，起动需要的 时间延迟要多长，是否会使动力中断时间过长，发动机从被拖转到着火自传 的起动需求转矩是否有很大波动等问题均没有详细的文献报道，福特公司曾 1 0 武汉理工大学博士学位论文 进行了有关发动机起动过程的试验i _ 7 4 】，但没有没有相关的理论建模分析，所 以这方面仍然需要进一步的研究。 1 2 4 2 混合动力系统工作模式切换过程的协调控制 并联混合动力在工作模式切换的过程中可能出现发动机转矩和电机转矩 的突变，如由电机辅助发动机驱动切换到发动机驱动并向电池充电时，发动 机的转矩需要在短时间内较大幅度增加，电机转矩则有正直变成负值。由于 发动机的转矩响应存在比较大的滞后性，简单地快速增加发动机油门和降低 电机油门将带来系统输出转矩的波动和传动系统的冲击。协调控制的目标是 使切换过程中系统输出的总驱动转矩基本不变的情况下，实现平稳过渡，消 除冲击。目前已有部分文献报道了对这一问题的研究，主要采用的控制方法 是限制发动机油门变化的速率，根据电机转矩响应比发动机快很多的特点， 利用电机转矩来补偿发动机转矩的不足，以维持切换过程中总的输出转矩不 变2 8 ，7 5 1 。这种方法的关键在于能否实现对发动机在模式切换过程中的瞬态 转矩进行准确实时反馈。在切换过程中对发动机和电机的动态转矩获取，尤 其是发动机的动态转矩获取比较困难，目前尚无一种稳定实用的发动机动态 转矩获取方法，不少文献对这一问题进行了研究，主要的方法有：根据发动 机状态参数的m a p 图标定法【7 6 】；神经网络模型7