（动力机械及工程专业论文）并联式混合动力客车自动变速耦合箱的simulink与adams联合仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 能源和环境的压力使得电动汽车迎来了发展的高潮。随着电子技术的成熟， 已有多种电动汽车产品投放市场。纯电动汽车由于续驶里程的制约和电网改造的 困难，因而混合动力车辆成为目前发展的重点。 混合动力车辆的种类多种多样，其具体的结构设计也各不相同。本文主要的 研究对象是并联混合动力汽车。而现存的并联混合动力汽车传动系采取了两种技 术路线：一种为离合器、动力合成装置和变速器分开，为独立的结构，其缺点是 联接传动机构零件多，空间布置及系统装配困难；另一种为高度集成方式，典型 结构为行星齿轮机构，它的优点是空间尺寸很小，十分紧凑，其缺点是对于发动 机和电机要求按照机构所允许的空间尺寸重新设计，而无法从现存的发动机和电 机系列中选型，而且加工困难，控制布置困难。 本文提供一种集离合、动力合成、变速功能于一体的自动变速动力耦合器。 由于是在机械式变速箱的基础上改进所得，其结构简单，改动小，投入小，不但 集动力合成，变速功能于一体，而且减少了过渡传动零件，结构紧凑。系统的控 制执行机构为电子气阀控制执行机构，工作原理单一，易于实现自动控制。 在本文所提出的新型自动变速动力耦合器前提下，提出了一种以转矩控制策 略为基本规则并且结合发动机经济性与排放性的稳态能量管理策略，它以发动机 稳态效率特性为基础，结合蓄电池状态和电机特性，以转矩作为能量管理策略中 最主要的控制变量，合理地对发动机和电机的输出动力进行实时分配。 本文利用u g 软件对并联式混合动力客车耦合箱动力系统进行三维建模，并 利用a d a m s c o n t r o l s 和姒t l a b s i 叫1 i n k 对并联式混合动力客车动力系统进行 了联合控制仿真分析，对耦合箱的设计进行校正，并建立了一个简易的虚拟仿真 系统，对所提出的以转矩控制策略为基本规则并且结合发动机经济性与排放性的 稳态能量管理策略进行可行性验证，为以后基于此自动变速动力耦合器的控制策 略的进一步研究与应用提供一切帮助。 关键词：混合动力系统，自动变速动力耦合器，控制策略，联合仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e 饵v ) i sn o wu n d e r g o i n gad e v e l o p m e n ta p e xu n d e rt h ep r e s s u r e o fe n e r g yr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n tp r e s e r v a t i o ni s s u e s m o r ea n dm o r ee vr e l a t e d p r o d u c t sh a v e b e e np u t i n t ot h em a r k e tw i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g i e s p u r ee vi sd i f f i c u l tt om a i n t a i ns u f f i c i e n td r i v ed i s t a n c ed u et os e v e r a l t e c h n o l o g yd i f f i c u l t i e s t h u s ，t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( r m v ) i sn o wb e i n gp a i d m o r ea t t e n t i o n t h e r ei sm u c hd i f f e r e n tt y p eo fh y b r i de l e c t d cv e h i c l e s ，b u tv a r i o u si ns t r u c t u r a l t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa b o u tt h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e b u tt h e e x t a n tp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ep o w e rt r a n s m i s s i o na d o p t e dt w ok i n d o f t e c h n i c a lr o u t e s ；o n ek i n di st h a tt h ec o u p l i n g 、t h ep o w e rs y n t h e s i z e ra n dt h e t r a n s m i s s i o ns e p a r a t e ，i nt h ei n d e p e n d e n ts t r u c t u r e b u ti th a sm a n ys h o r t c o m i n g st h a t t h e r ea r em a n yt r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t sj o i n s ，a n ds o m ed i f f i c u l t i e si ns p a t i a l a r r a n g e m e n ta n ds y s t e ma s s e m b l y ；a n o t h e rk i n di st h eh i g h l yi n t e g r a t e sw a y , t h e m o d u l a rd e s i g no ft h ep l a n e t a r yg e a r s ，i t sm e r i ti st h a tt h es p a t i a ls i z ei sv e r ys m a l l ， e x t r e m e l yc o m p a c t a st h es a m e ，i t ss h o r t c o m i n gi sv e r ye v i d e n c e i tr e q u e s tr e d e s i g n t h ee n g i n ea n dt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r ya c c o r d i n gt ot h es p a t i a ls i z e ，s oi su n a b l et o c h o o s ef r o mt h ee x t a n ts e r i e so fe n g i n ea n de l e c t r o m o t o r , m o r e o v e r , m a c h i n i n ga n d a r r a n g e m e n td i f f i c u l t y t h ef o l l o w i n gp a p e ri n t r o d u c e sak i n d o fah e ws e l f - s h i f t i n gt r a n s m i s s i o n c o u p l i n gb o xw h i c hc o l l e c t sc l u t c h ，t h ep o w e rs y n t h e s i sa n dt h es p e e dc h a n g e f u n c t i o n a si m p r o v ef r o mt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nf o u n d a t i o n ，i t ss t r u c t u r ei s s i m p l e ，m o d i f i e ss l i g h t l ya n di n v e s t ss l i g h t l y n o to n l yc o l l e c t i o np o w e rs y n t h e s i s ， s p e e dc h a n g ef u n c t i o ni nab o d y , b u tr e d u c e dt h et r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t sa n d c o m p a c ti ns t r u c t u r e t h ee x e c u t ec o n t r o ls y s t e mi st h ee l e c t r o n i ca i rv a l v ec o n t r o l i m p l e m e n t i n g , t h ep r i n c i p l eo fw o r ki ss u p p l e n e s s ，e a s yt or e a l i z et h ea u t o m a t i c c o n t r 0 1 p r o p o s e dt h ea u t o m a t i cs h i f tc o u p l i n gt r a n s m i s s i o ni nt h i sp a p e r , o u en e w k i n d o fe n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi sa d v i s e d , w h i c ht a k et h et o r q u ec o n t r o ls t r a t e g ya s t h ef u n d a m e n t a lr u l ea n dc o m b i n et ot h ee n g i n ee f f i c i e n c yw i t he c o n o m i c a la n d e m i s s i o n b a s eo ne n g i n es t a b l es t a t ee f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，c o m b i n et ot h e c o n d i t i o no fa c c u m u l a t o rc e l la n de l e c t r o m o t o r , w i t ht h et o r q u ea st h em o s tm a i n c o n t r o lv a r i a b l ei nt h ee n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y , r e a s o n a b l yc a r r i e so nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 r e a l t i m ea s s i g n m e n tt ot h ee n g i n ea n dt h ee l e c t r o m o t o ro u t p u tp o w e r t h i sp a p e ru s e st h eu gs o f t w a r et oc a r r yo nt h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo ft h e p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sa u t o m a t i cs h i f t c o u p l i n gt r a n s m i s s i o n ，a n d c o n n e c t i n g s i m u l a t i o nt oa u t o m a t i cs h i f t c o u p l i n g t r a n s m i s s i o n b yu s i n g a d a m s c o n t r o l sa n dm a t l a b s i m u l i n l t h e ng i v i n gs o m ea d j u s t m e n tt ot h e a u t o m a t i cs h i f tc o u p l i n gt r a n s m i s s i o nd e s i g n e s t a b l i s h e das i m p l eh y p o t h e s i z e d s i m u l a t i o ns y s t e mt oc a r r i e so i lt h ef e a s i b l ec o n f i r m a t i o na b o u tt h et o r q u ec o n t r o l s t r a t e g y , i ti sh e l pf o rl a t e rf u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i ds y s t e m ，a u t o m a t i cs h i f tc o u p l i n gt r a n s m i s s i o n ，c o n t r o l s t r a t e g y , c o n n e c t i n gs i m u l a t i o n 1 1 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，除了文中特别加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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：垒鳇日期：丝2 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) 日期：硐孓o 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车概述 在当今社会，众多燃油汽车排放所造成的空气质量的日益恶化和石油资源的 渐趋匮乏，使得开发低排放、低油耗的新型清洁汽车成为当今汽车工业界的紧迫 任务。混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 对解决目前的能源危机和 环境问题，有着其无法比拟的优势，是目前最佳的选择。 混合动力汽车一般都是由两个动力源组成，即内燃机和电机。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，在节约燃料的同时又使得排放 得以改善圆。所以混合动力汽车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，混合动 力汽车代表着二十一世纪初汽车发展的一个重要方向。 相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车，混合动力汽车有诸多显着的特点。它 既继承了石油燃料高比能量和高比功率的长处，弥补了纯电动汽车续驶里程短的 不足，又发扬了纯电动汽车作为“绿色汽车”节能和低排放的优点，显着改善了 整车燃油经济性能和排放性能，达到两种车辆优点的折衷统一。1 。特别值得一提 的是，通过对电机的精确控制，混合动力汽车可吸收汽车的相当一部分制动能量， 以电能的形式重新存储在储能装置中，实现了能源的直接再生。 电动汽车的发展必然也随之带动了自动变速器在电动汽车上的广泛应用。现 代电动汽车的传动机构多采用自动变速器，其中丰田公司的p r i u s 的传动机构就 是采用的是连续可变传动比自动变速器( f 咖“1 ，我国东风电动汽车公司研发的 一款并联式混合动力城市公交客车采用的是电控机械式自动变速器( 朋功。但是 正在开发的许多电动汽车，尤其是混合动力汽车，由于受结构布置和反馈控制等 复杂因素的影响而在传动系统中没有使用自动变速器，这样虽然使动力总成结构 更加简单、控制更加容易，但是由于汽车行驶工况复杂，固定的传动比，使得汽 车驱动轮的转矩和转速的变化范围始终受到限制，这样不得不在一定程度上以牺 牲汽车的动力性和经济性为代价。随着电动汽车的全面开发和应用，尤其是混合 动力汽车技术的不断优化和完善，自动变速器的应用将越来越广泛“1 。 1 2 双轴并联混合动力汽车概述 混合动力车辆的种类多种多样，其具体的结构设计也各不相同。本文主要的 研究对象是双轴并联混合动力汽车。并联式结构的发动机和电动机以机械能叠加 武汉理工大学硕士学位论文 的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系 提供驱动转矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电机既可以作 为电动机又可以作为发电机使用，发动机则可以直接通过传动机构驱动车轮，因 此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。并联式混合动力汽 车可以在比较复杂的工况下使用，但是对内燃机工作状态的优化和对能量系统的 管理则提出了更高的要求。 在典型的并联式混合动力系统中，发动机以常规模式( 传统汽车的工作模式) 工作，但只承担部分车辆驱动行驶功率。 典型的并联式混合电动车的工作模式如图1 - 1 嘲： ( 1 ) 车辆起动、轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电动机单独驱动，工作 模式如图1 - 1 ( a ) ( 2 ) 车辆正常行驶时由发动机单独驱动，加速、爬坡时，电动机和发动机 同时工作，工作模式如图1 - 1 ( b ) 。 ( 3 ) 车辆在减速肺0 动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆 部分动能以向蓄电池组充电，工作模式如图1 - 1 ( c ) 。 超霸一 ( b ) ( c )( d ) b ：车载电池组；e ：内燃机；f ：燃油箱；g ：发电机；m ：电动机；p 功率转换器 t ：变速箱= = ：机械联结；= 二：电缆连接；_ ：功率流。 图1 1 典型并联混合电动汽车工作模式 ( 4 ) 典型并联式混合动力系统在电池组s o c 过低时，不能利用发动机对其 随车充电，只能采用外界电源补充充电，工作模式如图1 - 1 ( d ) 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 新型自动变速动力耦合器概述 现有的以燃油和电为能源的混合动力电动汽车的动力总成，一般由发动机、 主离合器、电机、动力合成装置、变速器、蓄电池、传动轴、后桥及车轮组成。 为了实现离合，动力合成和变速功能，现存的装置采取了两种技术路线：一种为 离合器，动力合成装置，变速器分开，为独立的结构，其缺点是联接传动机构零 件多，空间布置及系统装配困难；另一种为高度集成方式，典型结构为行星齿轮 机构，它的优点是空间尺寸很小，十分紧凑，其缺点是对于发动机和电机要求按 照机构所允许的空间尺寸重新设计，而无法从现存的发动机和电机系列中选型， 而且加工困难，控制布置。 本文的目的在于提供一种集离合、动力合成、变速功能于一体的自动变速动 力耦合器，并对内燃机工作状态的优化和对能量系统的管理提出一种新的方案策 略。其具体结构如卜2 图： 新型自动变速动力耦合器混合动力客车的混合动力结构，是在机械式自动变 速器的基础上增加转矩合成装置完成发动机和电动机的转矩的合成，作为汽车的 驱动力。除了电机、电池等电力辅助单元外，其结构更类似于传统汽车。 图1 - 2 新型自动变速动力耦合器 其优点为：发动机可以单独驱动汽车，发动机发出的机械能可以直接传 到驱动桥，以提高效率，降低能量损失，减少燃油消耗；采用电动模式发电 模式，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行历程。在较大功率要求的 场合，两套系统可以同时驱动汽车，由电机提供额外功率，发动机工作于理想工 况区域：两套系统都可以单独工作，因而系统整体可靠性较高。 其缺点为：由于安装两套动力系统，整个传动系统的质量较大；由于 3 武汉理工大学硕士学位论文 发动机与车辆驱动轮之间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到 汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则需要复杂的控制 系统和控制策略，对控制单元要求高。 1 4 课题研究的目标和内容 本论文以武汉理工大学汽车学院的“混合动力城市客车多能源动力总成实验 台架”为依托，重点研究新型自动变速动力耦合器的实用性和控制策略。主要研 究内容如下： 1 新型自动变速动力耦合器的结构及工作原理的研究。 2 运用u g 三维c a d 软件建立自动变速耦合箱的三维立体模型。 3 在a d a m s 软件中建立自动变速动力耦合器动态力学的仿真模型。 4 对运用新型自动变速动力耦合器的并联式混合动力客车的能源控制策略 进行研究，并在s i m u l i n k 建立传动系统控制的仿真模型，包括发动机模型，电 动机模型，自动变速动力耦合器模型和整车模型；制定出比较完善的并联式混合 动力客车的能源动力总成控制策略。 5 对运用自动变速动力耦合器的并联式混合动力客车的能源控制策略的 实现过程进行仿真分析。 6 实验验证。 本课题就是从创造性、探索性的角度尝试设计一种新型自动变速动力耦合 器，并对基于该新型自动变速动力耦合器的并联式混合动力客车能源控制策略进 行研究，通过上述的研究过程和研究方法确定该项设计的可行性。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动变速动力耦合器的结构与工作原理 2 1 自动变速动力耦合器的结构 该项设计是在机械式变速箱的基础上改进得到的。在传统的6 档变速箱上， 根据车况与实际的需求，我们只取其中的2 档：2 档和4 档，由于电机的反转功 能，我们也取消了传统机械式变速箱的倒档齿轮，增加了动力耦合装置，并将传 统的机械式变速箱的手动拨叉机构改为了电子气阀控制执行机构，其结构图如图 2 1 所示。 ii 。剞一i l 一 r 片爿。5i1 ： i s 占z 6 t ， z 1z 3 z 2z 4 过渡轴s 3 j - 王 = 一 z 7 了ril 一 电茸l 轴s 4 王i _ l f 1 轴s 2 图2 - 1 自动变速动力耦合器的结构示意图 该自动变速动力耦合器，其结构特征包括：箱体；输入轴s 1 、输出轴s 2 、 过渡轴s 3 、电机轴s 4 ；常啮合传动齿轮z 1 、z 2 ；一档变速传动齿轮z 3 、z 4 ；二 档变速传动齿轮z 5 、z 6 ；电机耦合传动齿轮z 7 ；同步器c 1 ；换档电子气阀控制 执行机构f l 及轴与箱体之间的滚动定位轴承。其中齿轮z l 、z 2 、z 4 、z 6 、z 7 分别通过花键固定在各自的轴上，齿轮z 3 、z 5 通过花键固定在空套在轴2 上的 套筒上面。轴s l 左边外接发动机，电机轴s 4 右边外接电动机，轴s 2 右边输出 动力到车轮。 该自动变速动力耦合器具有以下特点： 1 ) 由于是在机械式变速箱的基础上改进所得，其结构简单，改动小，投入 5 武汉理工大学硕士学位论文 小，不但集动力合成，变速功能于一体，而且减少了过渡传动零件，结构紧凑， 减少了整体空间尺寸和整体的质量。 2 ) 轴s 1 、轴s 3 、轴s 4 、根据系统工作的要求，既可以作为转矩轴，也可 以作为发电轴。因而可实现的工作模式多，自由度大。 3 ) 系统的控制执行机构为电子气阀控制执行机构，该控制执行机构工作原 理单一，易于实现自动控制。 4 ) 系统均为机构传动，传动效率高，其箱体的零件主要为齿轮和轴，加工 成本低。 2 2 自动变速动力耦合器的工作原理 2 2 1 纯电动 离合器c 1 分离，内燃机e 停机，电机m 为驱动状态。 则：n 2m n 4 x 考i z s 互一l 考x 瓦z s ( 2 - 1 ) 此时电动机提供整车的驱动力。 2 2 2 发动机模式 离合器c 1 接合，内燃机e 处于工作状态，同步器向右接合，电机m 为空转状 态。 则：n 2 = n - i x - 象1 2 乏五。五乏瓦z 5 ( 2 - 2 ， 或者：疗：；吩”z z l 2x i z 3 互一五乏云z s ( 2 3 ) 2 2 3 混合动力并联方式 内燃机e 处于工作状态，离合器c 1 接合，同步器向左按合，电动机m 处于 工作状态。 为了保证在轴s 3 上的同速，与内燃机相联的轴s 1 上的固定齿轮z 1 与过渡 轴z 3 上的齿轮z 2 的速比必须和与电机轴s 4 上的齿轮s 7 与过渡轴z 4 上的齿轮 z 2 的速比相同，同步器向左接合，转速与转矩通过齿轮z 3 输出到车轮。 则：超：一，l l z z 2 ，x z z j 3 或n ：- n 。z z 4 ，x z z j 3 ( 2 4 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 设电动机驱动转矩为正转矩，电动机处于发电状态则为负转矩： 则：e - 互卺象+ 考象 - 5 ， 2 2 4 起动发动机 离合器c 1 接合，同步器处于中间，电机m 为驱动状态。由电机m 起动发动 机，当达到发动机起动转速时，发动机供油系统供油，点燃发动机，然后电机 m 1 转变为空转状态或发电状态。 2 2 5 倒车 离合器c 1 分离，同步器向左接合，电机m 反向旋转。 2 2 6 减速时制动能量回收 离合器c 1 分离，电动机m 处于发电状态，同步器向左接合。 2 2 7 停车 离合器c 1 分离，同步器处于中间状态。 2 3 自动变速动力耦合器的控制策略 混合动力电动汽车与传统的内燃机汽车和电动汽车不同，它一般至少有两种 车载能量源，其中一种为具有高能量密度的能量源，另一种为具有高功率密度的 能量源。利用两种能量源的特性互补，实现整车系统性能的改善和提高。要实现 两者之间相互协调工作，这就需要有良好的能量管理策略，对发动机和电动机的 工作状况和动力输出( 功率、转矩) 进行控制能量管理策略是提高混合动力电动汽 车混合驱动系统效率的核心算法，是混合动力电动汽车控制领域中的研究重点 m 。并联式混合动力电动汽车( p h e v ) 能量管理策略可分为以下三类：基于模糊逻 辑神经元网络等的智能型能量管理策略；基于规则的稳态能量管理策略；基于 优化算法的动态能量管理策略”1 。在p h e v 运行过程中，其混合驱动系统中发动 机和电机相互独立，两者之间存在能量的耦合和分离。所以在p h e v 的能量管理 策略中要实现发动机和电机相互协调工作，关键是如何合理地对两者之间的输出 动力进行实时分配。 本文提出的转矩控制策略属于基于规则的稳态能量管理策略，它以发动机稳 态效率特性为基础，结合蓄电池状态和电机特性，以转矩作为能量管理策略中最 武汉理工大学硕士学位论文 主要的控制变量，合理地对发动机和电机的输出动力进行实时分配。运用u g 三 维c a d 软件建立自动变速耦合箱的三维立体模型，然后导入a d a m s 软件中建立其 动态力学仿真模型，在联合s i m u l i n k 软件，在其中完成自动变速耦合箱的控制 过程编写，最后运用s i m u li n k 与a d a m s 联合对转矩控制策略作仿真分析。 2 3 1 发动机运行区域划分 在混合动力汽车各部件的配置确定下来之后，如何优化控制策略是实现混合 动力汽车低油耗、低排放目标的关键所在。在满足汽车动力性和其它基本技术性 能以及成本等要求的前提下，针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要 实现能量在发动机、电机之间的合理而有效的分配，使整车系统效率达到最高， 获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。 1 ) 原发动机运行区域划分9 1 由发动机的万有特性曲线图可知，发动机在低速或者小负荷时的运行效率较 低，在中高负荷时的运行效率较高。而电机具有低速大转矩的特性。在并联式混 合动力电动汽车运行过程中，可以通过电动机与发电状态的切换对车辆驱动能量 进行调节分配。在发动机稳态效率特性图的基础上，结合电机特性，对并联式混 1 0 0 0 2 。【m 3 0 0 04 0 0 0 5 0 ( 发动耘错速r m l i , n - j 图2 2 原发动机稳态效率特性图 合动力电动汽车的发动机运行区域进行如图2 2 的划分。并联式混合动力电动汽 车在低速小负荷时一般运行在纯电动模式下，避免发动机的怠速及低负荷工况。 在车辆正常行驶中，根据车辆驱动需求和发动机理想工作点，并联式混合动力电 动汽车运行在混合模式下( 发动机驱动+ 发电、发动机驱动+ 电动) 。在车辆驱动需 求较高时，并联式混合动力电动汽车运行在助力模式下。 图中，曲线a 为电机辅助发动机工作的“发动机最大转矩曲线”；曲线b 为 盼 柏 m磔客要帮利 武汉理工大学硕士学位论文 发动机运行的最优效率曲线；曲线c 为根据效率损失最小化原则确定的“发动机 工作最小转矩曲线”。由曲线a 、c 将整个发动机稳态效率特性图分成了“助力模 式”、“混合模式”和“纯电动模式”3 个运行区域。 2 ) 新发动机运行区域划分 如上所示的发动机运行区域划分没有考虑到电机控制的一些不利因素，虽然 电机的控制比较容易实现，但在上面的划分中，特别是在曲线b 的运行过程中， 电机将在不停的电动与发电之间变化，有时电机根本跟不上这种充放电的变化， 这大大影响了电机的性能与寿命。在曲线a 的运行中，发动机处于理论上的最大 输出转矩，当外界车况有一点变化时，电机在电动和发电之间的变化更加剧烈， 并且发动机也不能够达到理想的最大输出转矩。在考虑在发动机经济性的情况 下，在此情况下我们提出一种新的发动机运行划分，更加接近实际和便与电机的 控制与性能的保持。如图2 3 所示。 mm ei 0 w 转速缸n 1 图2 - 3 新发动机稳态效率特性图 图中，我们将发动机的工作状况全部定义成稳态工况，曲线a 为发动机驱动 + 发电模式，曲线b 为发动机驱动+ 电动模式，曲线c 为发动机工作最小转矩曲线。 这样，发动机将一直工作在稳态的状况下，电机的变动也只是在电动或发电单项 中变动，这使的电机的控制变的更加的可行与实际，整套系统的可行性与稳定性 也大大增加。 2 3 2 蓄电池状态判定 并联混合动力电动汽车运行过程中，电机电动和发电状态的切换小仅与车辆 9 渤 掷 珊 敬 栅 m 嚣 拼 拿| 错 村 辑 j t ，梨嚣 武汉理工大学硕士学位论文 的行驶需求有关，还与蓄电池的充放电要求有关蓄电池的充放电要求由蓄电池的 s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 决定“”。荷电维持型并联混合动力电动汽车在整个行驶循 环工况中需要维持蓄电池s o e 值在优化范围内，避免蓄电池过度循环( 过度充、 放电) 。蓄电池状态主要根据电池的s o e 来确定本文根据蓄电池的充放电效率曲 线( 图3 ) ，将蓄电池的状态分为以下5 个区域： 1 ) 只充电区：1 区( s o e 0 8 ) 其中设置充放电区域的2 区、4 区是为了防止蓄电池s o e 在门限值0 。3 和0 8 左右波动时引起蓄电池频繁充放电的振荡。 戛_ ，、3 区 4匿十 l 区 -厂 ，区 。 。 - o o 。i o 20 30 40 50 60 7 0 8 0 9 1 荷电状态c 图2 - 4 蓄电池s o c 状态的划分 2 3 3 转矩控制策略实现 混合动力电动汽车转矩管理策略的核心是把车辆行驶需求转矩合理地实时 分配给发动机和电机，从而提高混合动力电动汽车混合驱动系统的效率。混合动 力电动汽车在运行过程中，车辆行驶需求转矩t r e q 是由驾驶员的油门踏板开度 a c e ( ) 其变化率a c e 决定的“。在忽略车辆传动系统功率损失的情况下，车辆 行驶需求转矩t r e q 、发动机输出转矩t e ，电机转矩t m ，满足如下关系： t r e q = t e + t m ( 2 6 ) 式中，t m 为正数表示电机处于电动状态，蓄电池放电；t m 为负数表示电机处于 发电状态，蓄电池充电。 1 0 。 瞄 晰 眈 静脚铤 武汉理工大学硕士学位论文 i 、s o c 控制模式建立 s o c 边界条件 1 ) 当s o c s o c h i g h 时，车辆关闭再生制动能量回收系统，发动机置于停机 状态。 s o c 与路段判别 1 ) 进入纯电动路段前保持s o c y s o c h i g h ； 2 ) 进入爬长坡路段前保持s o c ) s o c h i g h ； 3 ) 下长坡前，保持s o c = s o c m i d ；如果s o c o 7 ，发动机置于小功率输出状态。 2 、实际线路工作模式建立 下面根据发动机和蓄电池等状态参数，分别列出3 种运行模式下的转矩分 配。其中，t e 为发动机目标转矩，t e _ m i n 为发动机最小转矩，t e _ m a x 为发动机 最大转矩，t m 为电机目标转矩，t i n _ m a x 为电机电动最大转矩，t m _ r e q 为电机发电 最大转矩，v e _ m a x 为车辆纯电动运行最大速度，s o c l o w 为蓄电池s o c 低，s o c h i g h 为蓄电池s o c 高。 纯电动模式( 启动模式) ： 由于发动机在低速时的运行效率较低，排放污染大，则此时 i f t r c q t m _ m a xa n dv v c h v c _ m a xa n ds o c h i g h s o c t h e n t c = o ，t m = t r e q 混合发电模式： i ft c _ m i n t r c q t c _ m a xa n ds o c s o c i o wa n dt i n d e b u g g i n g ，打开仿真调试对话框，如图5 一1 8 。 2 ) 在d e b u g g e r 栏选择0 1 1 来设置启动仿真调试程序。 3 ) 在s i n g l es t e p 中可以选择0 n 来开启单步仿真。 4 ) 调试程序可以在仿真过程中选择跟踪的对象( t r a c km a x i m u m ) e r r o r 为跟 踪最有可能出错的对象，正常情况下出错对象的数量应该逐渐减少；c h a n g e 为 跟踪变化最大的变量；f o r c e 为跟踪产生最大力的对象；a c c e l e r a t i o n 为跟踪产生 最大加速度的构件。这里选择e r r o r 。 5 ) 选择显示跟踪结果信息的方式。用t a b l e 或h i g l l l i g h t i n g 来显示对象信息。 6 ) 选择显示a d a m s s o l v e r 设置的轨迹图。 除了利用调试程序检查错误外，还可以利用仿真过程中样机的实时显示，直 观的检查仿真或样机设计的正确性。其中包括：利用u p d a t ee v e r yi t e r a t i o n 命令， 实时观察仿真结果：显示有关对象图标，在仿真过程中观察其变化；显示力图。 武汉理工大学硕士学位论文 第6 章基于a d a m s 和m a t l a b 动力系统模型的联合仿 真分析 6 1m a t l a b 软件简介 6 1 1m a t l a b 软件及其主要特点 m a t l a b 名字由m a t r i x 和l a b o r a t o r y 两词的前三个字母组合而成。2 0 世纪七 十年代后期，美国新墨西哥大学计算机科学系主任c l e v em o l e r 教授出于减轻学 生编程负担的动机，为学生设计了一组调用l i n p a c k 和e i s p a c k 库程序的“通俗 易用”的接口，此即用f o r t r a n 编写的萌芽状态的m a t l a b 4 ”。 经几年的校际流传，在“t t l c 的推动下，由l i t t l e ，m o l e r s t e v eb a n g e r t 合作， 于1 9 8 4 年成立了m a t h w o r k s 公司，并把m a t l a b 正式推向市场。从这时起，m a t l a b 的内核采用c 语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。 m a t l a b 以商品形式出现后的短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠 性，使原先控制领域里的封闭式软件包纷纷淘汰，而改在姒t l a b 平台上重建“2 1 。 在时间进入2 0 世纪九十年代的时候，m a t l a b 已经成为国际控制界公认的标准计 算软件。到九十年代初期，在国际上3 0 几个数学类科技应用软件中，m a t l a b 在 数值计算方面独占鳌头，而m a t h e m a t i c 和m a p l e 则分居符号计算软件的前两名 4 3 om a t h c a d 因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。 m a t l a b 软件主要有以下几个特点： 1 ) 有高性能数值计算的高级算法，特别适合矩阵代数领域； ， 2 ) 有大量事先定义的数学函数，并且有很强的用户自定义函数的能力； 3 ) 有强大的绘图功能及具有教育和艺术学的图解和可视化的二维、三维图； 4 ) 基于h t m l 的完整的帮助功能； 5 ) 适合个人应用的强有力的面向矩阵( 向量) 的高级程序设计语言； 6 ) 与其它语言编写的程序结合和输入输出格式化数据的能力； 7 ) 有在多个应用领域解决难题的工具箱。 6 1 2s i m u i n k 模块简介 s i m u l i n k 模块是m a t l a b 软件提供的主要工具之一，也是目前在动态系统的 建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。全世界有成千上万的工程师都是用它 来建立动态系统模型，从而解决实际问题“。s i m i d i n k 模块是一个用来进行动 武汉理工大学硕士学位论文 态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它不仅可以进行线性系统仿真，也 可进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统 甚至混合连续一离散时间系统的仿真，它还支持多制采样率的系统仿真。 s i m u l i n k 有以下特点： 1 、建模方便快捷 在s i m u l i n k 提供的图形用户界面g u i 上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就 可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。 2 、易于进行模型分析 从建模角度讲，这既适于自上而下( t o p d o w n ) 的设计流程( 概念、功能、系 统、子系统、直至器件) ，又适于自下而j z ( b o u o m u p ) 逆程设计。从分析研究角 度讲，这种s i m u l i n k 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用 户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互 影响。 3 、有优越的仿真性能 在定义好一个模型后，用户可以通过s i m u l i n k 菜单或者在m a t l a b 命令窗口 中输入命令两种方式，选择一种集成方法来进行仿真。前者特别适合于交互式工 作，后者在进行仿真的批处理时非常有用。由于m a t l a b 和s i m u l i n k 是集成在一 起的，故可以在任何一个环境的任意节点上进行仿真、分析和修改模型。 图6 - 1s i m u l i n k 类库 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l i n k 的模块库( 如图6 - 1 所示) 按功能划分可以分为：连续模块 ( c o n t i n u o u s ) 、离散模块( d i s c r e t e ) 、函数和平台模t 臭( f u n c t i o n s t a b l e s ) 、数学模 块( m a t h ) 、非线性模块( n o n l i n e a r ) 、信号和系统模块( s i g n a l s s y s t e m s ) ，接收器 模块( s i n k s ) 和输入源模块( s o u r c e s ) 。 6 2 机电系统联合控制仿真的理论分析 a d a m s 提供了两种对机电一体化系统进行仿真分析的方法。一种是利用 a d a m s v i e w 提供的控制工具箱，控制工具箱提供了简单的线性控制模块和滤波 模块，可以方便的实现前置滤波、p i d 控制和其它连续时间单元的模拟仿真1 。 对于一些简单的控制问题，利用a d a m s v i e w 的控制工具箱，可以直接在 a d a m s v i e w 样机模型中添加控制模块，完成机电一体化系统的仿真分析。另一 种方法是使用a d a m s c o n t r o l s 模块。利用a d a m s c o n t r o l s 模块，可以将机械系 统的仿真分析工具与控制设计仿真软件有机的连接起来，实现以下功能： 1 ) 将复杂的控制添加到机械系统样机模型中，然后对机电一体化的系统进行 联合分析。 2 ) 直接利用a d a m s 程序建立控制系统分析中的机械系统仿真模型，而不需要 使用数学公式建模。 。 3 ) 分析在a d a m s 环境或者控制应用程序环境获得的机电联合仿真结果。 a d a m s c o n t r o l s 模块支持同e a s y s ，m a t l a b ，m a t r i xx 等控制分析软件进 行联合分析，本文介绍m a t l a b 软件m 1 。 对机械和控制系统进行联合分析，提供了一种全新的设计方法。在传统的机 电一体化系统设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系 统，但是他们各自