（光学工程专业论文）isg型混合动力汽车驱动防滑研究.pdf

a b s t r a c t 摘要 论文疆i s g 黧混合动秀汽零隽疆究j c | 象，耱霹i s g - ：型滢会凌力汽鬈茨特殊 结构，利用电机介入对驱动防滑进行控制，以提高车辆的童动安全性和行驶稳 定饿为目标，对混合动力汽车的驱动防滑问题进行研究，为将来混合动力汽车的 动力学控割方嚣豹完善奠定一定豹基础。 零文在幂j 雨发动机进行驱劲防滑控箭鹃蒸礁上，结会泡税反应迅逮及时虽 力矩易控制的特点，再联合电机进行驱动防滑控制。重点研究驱动防滑控制策 略以及驱动防滑过程中动力分敞两方面的内容。 嚣先，禳撂实际研究懿霉簧建立了惫耩发镌辍、黄麓系、轮骆、蘩攀、毫 机在内的车辆数学模型。 其次，针对车辆系统的复杂性和防滑控制系统的特点，主要对三种控制策 骆楚 簿了磅究。蛰凳采疆了p i d 控铡建立7 誊辆豹驱动爨滢控铡嚣。程越基璐 上叉结合p i d 和模糊控制各自豹特点，设计了p i d 模糊掩瘩l 器。考虑汽车在行 驶过程其行驶参数将经常发生变化，采用传统的控制方法往往不能保诋在任何 傍况都能得到最佳的控制效果，即鲁棒性比较差。为此，义采用了漏模变结构 控籁方法，建立了驱动防涝涝模交结 奄控翱嚣，将其成功穗应矮予驱韵转浮控 制系统。 最后，利用所建立的车辆模型和驱动防滑控制策略，在起步加速和弯道行 驶两秘典型工援下霹究了i s g - h e v 豹驱动薅溪控割。采麓嚣秘控裁方法遴嚣驱 动防淆控制。同时述研究了在戴过程中的驱渤力矩的动态分配，为以后熨际i s g 型混合动力汽车驱动防滑控制的设计提供了一定的理论依攒。 关键溺；混合麓力，驱动防渗羧锈，模赣p i d 控锈，交续聿簿控裁，韵力分爱 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e st h ei s g - h e va st h er e s e a r c ho b j e c t 。i ta i m s 越t h es p e d a l s t n l c t u r eo fi s g h e v ，r i s e st h ee l e c t r i c a lm o t o rf o rc o n t r o lo fa s r ( a n t is l i p r e g u l a t i o n ) t h ee n h a n c e m e n to ft h ev e h i c l e sa c t i v es a f e t ya n ds t a b i l i t y t h i sw i l lb e u s e f u lf o r t h ed e v e l o p m e n to f d y n a m i cc e n t r e lo f l s g - h e vi nt h ef u t u r e t h ee l e c t r i c a lm o t o rc a nt e s p o n s eq u i c k l ya n di t st o q u ec e ne a s i l yb ec o n t r o l l e d ， s ob e s i d e st h e 嗽o fe n g i n et h ee l e c t r i c a lm o t o rc a l lb eu s e dd u r i n gt h ec o n t r o lo f a s p t h ek e y p o i n t so f t h er e s e a r c ha l ea b o u tt h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ed i s t r i b u t i o n o f t h et o q u ei n a s p f i r s to fa 1 1 f o rt h er e q u i r e m e n to ft h er e s e a r c ht h i sp a p e rh a sb u i l tt h em a t h m o d e l so f e n g i n e , t r a n s m i s s i o n ，t i r e , t h ew h o l ev e h i c l e , e l e c t r i c a lm o t o r s e c o n d l yc o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ev e h i c l es y s t e ma n dt h e t r a i to ft b e a s r s y s t e m , t h i sp a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c ho nt h r e ed i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s f i r s t l yt h ef i dc o n t r o l l e rf o ra s r i sf o u n d e d c o n s i d e r i n gt h et r a i t so f p i da n df u z z y l o g i cc o n t r o l , t h ep n f ，z z yi sd e s i g n e d t h ev e h i c l ep a r a m e t e r sa r eo f t e nv a r i a b l e w h e ni ti sr u n n i n g , s ot h et r a d i t i o n a lc a nn o to f t e ng a i nt h eo p t i m a lc o n t r o le f f e c ti n e v e r ys i t u a t i o n t h ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lw i t h s l i d i n gm o d ei s 拽s p e c i a l n o n - l i n e a rc o n t r o lm e t h o da n di th a ss t r o n gr o b u s t a n di tc a nb ee a s i l yr e a l i z e d 啊艟 v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o li ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di n a s i l f i n a l l yw i t l lt h eb u i l tm a t hm o d e l sa n dt h ea s rs t r a t e g i e s , t h i sp a p e rh a sd o n e s o m er e s e a r c ho fa s ra b o u tt w ot y p i c a ls i t u a t i o n s ：s t a r ta n da c c e l e r a t e , d r i v ei na c u r v e t h i sp a r a t c a p hu s e st w oc o n t r o lm e t h o d s i ta l s od e s i g n st h em e t h o do ft h e d y n a m i cd i s t r i b u t i o no f t h et o t a lt o q u e a n ds u p p l i e saf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ed e s i g n o fa s rf o rt h ei s g _ h e v k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce l e c t r i c a lv e h i c l e , a n t i - s l i p - r e g u l a t i o n ，p i d - f u z z y , v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ，d y n a m i cd i s t r i b u t i o no f t h et o q u e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1混合动力汽车的研究背景以及重要意义 目前世界汽车工业可持续发展所面l 临的两大难题是环境污染和石油资源匮 乏，环保和节能是2 l 世纪汽车技术的一个重要发展方向。混合动力汽车( h e y ) 正是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。混合动力汽车是传统内燃机 车辆与电动车辆的有效组合，它继承了电动汽车低排放的优点，又发扬了石油 燃料比能量和比功率高的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济 性。 世界汽车工业在其发展1 0 0 多年内，虽然在节能、污染、排放和其他若干 方面都取得了显著的改善和长足的进步，但是其尾气排出的污染物仍是当今地 球大气的主要污染源。解决汽车尾气排放问题是发展汽车工业的当务之急。混 合动力汽车的发动机经常工作于排放性能较好的中等负荷区域，可最大限度地 降低汽车有害气体的排放。 据预测地球上现己探明的石油储藏量只能够人类充分使用4 0 - 5 0 年“1 由于 传统汽车的后备功率较大，而发动机大部分时问( 尤其在市区行驶时) 是运行在 中小负荷的低效率区，这不可避免地导致汽车油耗上升。因此，开发低油耗的 混合动力汽车具有非常现实和深远的意义。 为了减少汽车的废气污染，同时也为了节省不可再生的宝贵石油资源“。各 国的捧放法规日趋严格。1 9 9 3 年美国成立了“新一代汽车联合体( p n g v ) ”由美 国政府牵头，组织了三大汽车公司、国家实验室和各国立大学共同开发能将燃 油经济性提高3 倍以上，又能达到2 0 0 4 年排放要求，且能以现行成本生产的新 一代汽车。而混合动力汽车正是具备上述要求的新一代车辆。 自7 0 年代石油危机之后，美国以及欧洲一些国家就开始对电动汽车( e v ) 进 行研究开发，但由于电动汽车的电池技术还没有取得突破性进展，因而电动汽 车距离市场化的目标仍然有一定的距离”1 。8 0 年代开始对混合动力汽车进行研 究，到9 0 年代以后，对混合动力汽车的研究逐步得到发展。由于混合动力汽车 比传统内燃机汽车更清洁，又弥补了电动车辆行驶里程短等缺点，以及能源多 第1 章绪论 样化，在不远的将来，混合动力将成为路面交通运输车辆动力的一种发展方向。 1 2 混合动力汽车种类与特点 混合动力电动汽车( h e v ) 是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动 力单元( a p u ) 的汽车，其中 p u 是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发 电机组。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在 一起，以实现它们之间的良好匹配和优化控制，这样可充分发挥内燃机汽车和 电动汽车的优点，避免各自的不足，达到低排放和低油耗的目的。 混合动力汽车的实现形式多样化，传统的分类是根据内燃机是否与驱动轮 有直接的机械连接，分为串联式混合动力汽车，并联式混合动力汽车，混联式 混合动力汽车。 串联式驱动系统的原理如图i 1 所示原动机直接带动发电机发电，电能 通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车，将电池作 为原动机输出和电动机需求功率间的中转装置。串联式结构适用于市内常见的 频繁起步、加速和低速运行工况，可以使原动机在最佳工况点附近稳定运转。 虽然串联式结构使整个驱动系统排放较低，但是燃油经济性还有待提高，这主 要是因为在电能与机械能的转化过程中存在效率损失。这种系统主要应用于城 市大客车，在轿车中运用较少。 图1 i 串联式混合动力传动系统结构图 并联式驱动系统原理如图1 2 所示。发动机与电动机可以分别独立地向汽 车提供动力，不需要先把发动机动力转化为电力，因此更像传统的汽车动力传 动系。由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换， 所以系统效率较高，燃油消耗也较少但由于发动机与车辆驱动轮之间有直接 2 第1 章绪论 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。混 联式混合动力驱动系统。 l - 知毫t 璺- 麓哺t 一氯涟蕾电气鞠 图l2 并联式混合动力传动系统结构图 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其原理如图1 3 所示。发动机 发出的一部分功率通过机械传动输送给驱动桥，而另一部分则驱动发电机发电。 发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合 装置传送给驱动桥“1 。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作：当汽 车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主它充分发挥了串联式和并联式的 优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结 构上保证了在更复杂的工况下仍能使系统在最优状态下工作，所以更容易达到 控制捧放和油耗的目的，因此是最具影响力的h e v 。 一机械联续 电器联结 图1 3 混联式混合动力传动系统结构图 1 3 国内和国外混合动力汽车的发展现状 第1 章绪论 混合动力电动汽车的研究与开发已在世界范围内由点向面地扩展，发展相 当迅速。发达国家的许多研究成果已走出了实验室，并开始进入市场，如丰田 的p r i u s 混合动力电动汽车已经形成小规模批量生产。在中国政府国家8 6 3 计 划的推动下，中国的汽车制造企业和科研机构在混合动力汽车方面也取得了很 大的发展。 上世纪8 0 年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资进行电动汽车和混 合动力汽车实用车型的研制和开发。进入2 1 世纪后，各国加快了h e v 的产品 化的进程，相继推出不同的h e y 产品，很多车型都显示出了优良的环保与节能 性能。 1 9 9 1 年德国大众汽车公司第一次推出了“济科”( c h i c o ) 混合动力电动微 型汽车，最高车速为1 3 1 k m h ，o - - 8 0 k m h 的加速时间为1 9 s ，城市行驶时每 百公里3 2 l 的汽油消耗。 日本的丰田汽车公司是目前走在h e y 开发最前沿的汽车公司，也是世界上 最早开始进行h e v 研究的汽车公司之一。早在1 9 9 7 年，丰田公司就在世界上第 一个推出了名为p r i u s 的混联式混合动力电动汽车“1 。在日本1 0 1 5 工况下燃 油经济性指标达到了每百公里3 5 7 l ，c o ，n o x 和h c 的捧放水平仅相当于日本 现行法规的1 1 0 。丰田p r i u s 混合动力汽车自上市以来已经在全球卖出了超过 1 2 万辆，成为到目前为止市场表现最好的混合动力汽车。 日本的本田汽车公司独立研制开发的i n s i g h t 混合动力车也已经实现量产。 该车实现了且前全世界最低的油耗( 每升汽油可行驶3 5 k m ) 和最洁净的捧放( 每 行驶l k m 仅排放8 0 9 二氧化碳) ，并且创造了一次加油行驶1 5 0 0k m 的纪录。 福特汽车公司在2 0 0 0 年北美国际车展上推出了其开发的p r o d i g y 混合动力 家庭概念车该车采用福特p 2 0 0 0 l s r 混合动力系统。在2 0 0 1 年北美国际车展 上，福特公司又推出爱仕( e s c a p e ) 混合动力s i n 概念车，获得广泛关注。2 0 0 2 年和2 0 0 5 年福特公司再次推出福克斯( f o c u s ) 新一代燃料电池混合动力轿车 和e s c a p e 混合动力轿车，前者2 0 0 4 年已小批量生产。 2 0 0 6 年4 月2 8 日，通用汽车、戴姆勒一克莱斯勒集团与宝马集团在维也纳 首次发布了其联合开发的完全混合动力系统“1 。借助两种电子无极变速( e c v t ) 模 式以及四种固定传动比，完全混合动力系统能通过电机实现车辆的提速和制动 能量回收。现有的内燃发动机机稍作改进就可以与完全混合动力系统匹配，这 使其在成本上更具竞争力。 4 第1 章绪论 另外其他一些汽车公司也都推出了自己的h e v ”1 。日产的t i n o 、现代的 c l i c k 等都是具有代表性的车型。目前混合动力汽车在发达国家已经只益成熟， 正在进入实用化、商品化阶段。 国内2 0 世纪9 0 年代末期开始了混合动力汽车的研发工作。1 9 9 9 年，清 华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻 型客车。2 0 0 1 年底，国家8 6 3 电动汽车科技攻关项目正式启动，第一批项目 中主要是混合动力汽车开发，目前正在进行当中。其他一些汽车公司和高校也 在这方面做了许多工作。一汽集团和东风汽车集团联合所在地高校和研究所， 在各自的客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车；东风电动车辆股份 有限公司已开发出混合动力轿车，其中e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车实现了产品 系列化、通用化、标准化设计：天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型 客车，排放达到欧i 标准，燃油经济性提高1 5 以上；北京嘉捷博大电动车有 限公司和常州客车厂合作开发了我国第一辆以燃气涡轮机作为动力机的混合动 力电动大客车，排放指标低于2 0 0 8 年将在欧洲开始执行的欧v 标准。 据悉，长安集团也已加快了混合动力汽车的下线准备，其研制的具有完全 自主知识产权的“羚羊”混合电动车已产出样车。有消息称，2 0 0 6 年长安首款 混合动力汽车就将上市。奇瑞、华普等汽车厂家目前也在紧张地秘密研制自己 的混合动力车型。我国通过国家。八五”、“九五”甚至“十五”电动汽车的科 技攻关，在h e v 方面已经积累了一定的技术基础和经验，正向商品化阶段迈进。 1 4i s g - 型混合动力汽车综述 轻度混合动力系统具有节能环保且成本低的特点。目前制造成本最低，最 容易实现批量生产的是采用起动机发电机电动机一体化技术的i s 6 ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) 型轻度混合动力汽车只需要对内燃机进 行改造就可以了，比较容易在现有传统内燃机汽车上实现，而且轻度混合方式 混合程度小，电机功率低，尤其适合在轿车上实现。这种系统的混合程度较高， 可以达到3 0 左右，目前技术已经成熟，应用广泛。 1 4 1 组成结构 第1 章绪论 i s g 型轻度混合动力汽车动力单元主要由原动机，包括发动机及牵引电机， 载荷均衡装置或能量管理单元、动力传动系统组成。 图1 4 整车系统方案 i s g - 埘4 v 中一般使用较低功率的发动机，这是因为加速和爬坡时并不只是由 发动机单独提供功率，而是由电动驱动装置及能量存储单元( f g 池组、储能飞轮 或者超能电容器) 与发动机一起驱动汽车行驶。 电机是电气驱动系统的核心，电机的性能、效率直接影响电动汽车的性能， 此外，电机的尺寸、重量也影响到汽车的整体效率。当前成功开发的i s g - 姗i v 中多采用直流永磁无刷电机，其峰值功率约为l o l s k w 能量管理系统是提高混合动力汽车经济性、动力性和减少废气捧放水平的 关键，该系统包括储能单元、能量管理单元和混合动力系统中央控制单元。常 用的储能单元有电化学电池、燃料电池、飞轮电池及超大容量电容等。i s g - m t v 多采用电化学电池( 包括铅酸电池、镍氢电池、银离子电池和钠硫电池等) 。这 是因为电化学电池技术比较成熟，且成本相对较低。 动力传动系统用于均衡、传递并调节混合动力源的输出转矩与功率，以满 足整车动力驱动的需要。主要包括扭矩或转速合成器、离合器、变速器、传动 轴、驱动车轮等。 上面四个单元都有各自的控制管理器。所有的控制子系统，通过c a n 总线 向多能源动力总成管理系统发送子系统运行信息，同时接受多能源总成管理系 统的控制命令，混合动力系统的控制协调通过多能源总成管理系统实现。如图 1 5 所示： 6 第1 章绪论 图1 5 混合动力系统多能源总成管理系统 1 4 2i s g - 功能分析 i s g - 姗i v 可以实现自动起停功能、功率补偿功能及高效大功率电能输出功 能。 ( 1 ) 自动起停功能 传统的车用起动机只将内燃机加速至起动转速( 例如2 0 0 r p m ) ，i s g 作为电 动机在短时间内( 通常加速时间仅为0 1 s 一0 2 s ) 将内燃机加速至怠速转速( 例如 8 0 0 r m ) ，然后内燃机才开始缸内的燃烧过程“。自动起停功能的实现过程如下： 如果汽车较长时间处于空载状态，例如在路口等红灯时，内燃机一直处于怠速， 控制系统会自动令内燃机停止运行，同时i s g 也停止工作，需要起步时，i s g 在 0 1 - 0 2 秒的短时间内完成起动任务 ( 2 ) 功率补偿功能 内燃机在低速大负荷时的燃油经济性和排放性能均不佳，通常情况下内燃 机在此工况下的转矩输出有限，如果需要内燃机在低速大负荷时能够提供较大 的功率就必须选用更大排量的内燃机，这样虽然满足了动力性的要求，但牺牲 了燃油经济性。i s g 可以在内燃机低速大负荷时工作在电动机状态，提供一部 分辅助功率，提高低速时内燃机的动力性能。 ( 3 ) 高效大功率电能输出 i s g 用作发电机时可以提供6 - 1 0 k w 功率输出，全转速范围内的效率8 0 以 7 第1 章绪论 上。i s g 高效大功率的电能输出能力远远优于传统的车用发电机，它不仅能使 电动助力转向、电动制动以及电子动气门等需要较大功率供电的新兴汽车电子 技术得到充分的应用，而且原先由齿形皮带驱动的汽车附件，如空气调压缩机 等，都可以由专用的电动机带动，并控制电动机运行在最佳工况点，提高整车 效率。 ( 4 ) 其余功能 除了以上三个主要功能以外，还具有以下几个功能。i s g 可以将汽车减速或 制动时的动能转换成电能，为车载电池进行充电，提高燃油经济性。i s g 取代飞 轮的作用，可以通过自身的转动惯量以及在电动机和发电机之间来回切换状态， 平衡内燃机曲轴的波动，成为有源飞轮而起到减震器的作用。内燃机附件全部 采用电动方式驱动，齿形皮带及齿轮组可以全部省掉，同时可以省去传统的发 电机和电动机，内燃机附件的布置就可以更加灵活。 1 4 3 控制策略“。“ 发动机的效率在低速时偏低，扭矩也较小，而在中高负荷时效率较高，负 荷再大时效率又会下降。为了尽量使发动机在高效率下工作，可以根据i s g 的 结构特点制定具体控制策略如下： 起动时，i s 6 作为电动机状态在短时间内( 通常为0 1 o 2s ) 将内燃机加 速至怠速转速，然后内燃机开始缸内燃烧过程，随后离合器结合，开始行驶循 环。 当汽车巡航或以较低速度行驶时，如果此时蓄电池的荷电状态值b s o c 低于 其限定的最大值b s o c t o p 时，使i s g 转换至发电机状态，向电池组充电。但若 此时蓄电池b s o c 等于或大于其限定值时，为了延长蓄电池的使用寿命，i s 6 不能 向蓄电池充电。 当汽车加速或爬坡时，令i s gi 作在电动机工况，提供一部分辅助扭矩：但 在i 挡时，i s 6 均不助力。 当汽车处于怠速空载状态时，内燃机停止运行，同时i s g 也停止工作；需 起步时，i s g 作为电动机在短时间内完成起步任务。 当汽车减速或制动时，i s g 处于再生制动工况。 第1 章绪论 1 5 驱动防滑研究综述 1 5 1 汽车驱动防滑的基本原理“” 汽车在路面上行驶时，其驱动力取决于发动机输出扭矩和传动系的传动比， 但要受到路面附着条件的限制。汽车在行驶时，其路面附着系数并非是一个常 数，而是一个与车轮滑转程度有关的变量回。驱动轮的滑转程度可用驱动轮滑 动率s 表示。 s ：v o - _ _ z x l 0 0 ；型x 1 0 0 ( 1 - 1 ) 圪 r o 式中7 一车轮滚动时瞬间圆周速度( m s ) ： v 车轮行驶速度( m s ) 彩车轮转动角速度( r a d s ) 汽车驱动能力的大小反映在路面最大附着系数的利用率上。汽车驱动时的 附着系数与滑动率的关系，如图8 所示 o a 乱 始 罅袖舯i 菇 图1 6 滑动率与附着系数之间的关系 从图1 6 中可以看出，当滑动率在0 - 3 0 时附着系数达到最大值。当滑动率 为1 0 0 时，即车轮完全滑转，纵向附着系数变小，横向附着系数几乎为零，此 时产生的驱动力最低，对于后轮驱动的汽车会失去方向稳定性，对于前轮驱动 的汽车会失去转向能力。为了最大程度利用附着系数，获得最大的驱动力，得 9 第1 章绪论 到较好的方向稳定性和转向稳定性，汽车a s h 系统通过自动调节发动机的输出 转矩、驱动轮制动力矩调节等手段控制驱动力，确保车轮滑移率维持在最佳范 围内，以获得最好的驱动效果。因此汽车a s h 系统的工作原理就是通过某些控 制手段，使驱动轮滑移率控制在峰值附着系数所对应的滑移率附近，以便获得 最大的驱动力，改善汽车的驱动性能等。 1 5 2 车辆防滑控制技术研究的历史和现状“ a s r 系统是伴随着a b s 产品化发展起来的，实质上它是a b s 基本思想在驱动 领域的发展和推广。别克( b u i c k ) 公司在1 9 7 1 年研制了由电子控制装置自动中 断发动机点火以减小发动机输出扭矩，从而防止汽车驱动轮发生滑转的驱动防 滑控制装置，这可以说是现代驱动防滑控制系统a s r 的最初雏形。 进入到8 0 年代中期以后，a s r 技术不断地得到完善。世界上最早的产品化 的汽车电子驱动防滑装置是1 9 8 5 年由瑞典沃尔沃汽车公司试制生产的，该系统 称为电子牵引力控制( e t c ) 。1 9 8 6 年，b o s c h 公司率先将a b s 技术与a s r 技术结 合起来，推出了具有制动防抱死和驱动防滑转功能的防滑控制系统a b s a s r 。 1 9 8 7 年b o s c h 公司在原有的a b s a s r 的基础上开始大批量生产两种不同形式的 汽车驱动防滑系统：一种是可保证方向稳定性的完全通过发动机扭矩控制的 a b s a s r ；另一种是既可保证方向稳定性，又可改善牵引性的驱动轮制动力调节 与发动机输出扭矩调节综合控制的a b s a s r 。同年九月，日本t o y o t a 公司在其 生产的c r o w n 牌轿车上安装了t c s ，它采用了发动机副节气门调节和驱动轮液压 调节联合控制的方式。 进入九十年代，许多新的控制技术和方法应用到了a s r 上。丰田公司开发 出了一种新型的牵引力控制系统，它仅控制节气门开度和发动机扭矩输出，而 不涉及制动力调节。1 9 9 3 年，b o s c h 公司新开发出了第五代a s r 系统，其结构 更紧凑，可靠性更强，而且其成本也大大降低。另外，新的牵引力控制系统采 用了模糊控制逻辑，增强了汽车在各种路面上行驶的稳定性。由于车轮的滑转 率随着不同路面和不同车速而不断变化，模糊控制能够获取最佳滑转率，从而 使得汽车稳定性和加速性最佳，并减小轮胎磨损。以前这一技术存在两个问题， 其一是机械部件结构复杂；其二是当车轮滑转率超出限定值时，系统无法正常 运行。而现在这些问题都得到了很好的解决，所以其具有很好的应用前景。 l o 第1 章绪论 1 5 3 汽车驱动防滑的主要控制方法和控制策略“” 发动机是汽车的动力源泉，通过调节发动机输出扭矩，就可以控制传递到 驱动轮上的驱动力矩，从而调节驱动轮的滑移率。对于化油器式发动机，发动 机输出扭矩有三种方式：点火参数调节、燃油供给调节和节气门调节。对于电喷 式发动机，常用的调节方式有燃油供给调节和点火参数调节。 ( 1 ) 点火参数和燃油供给调节 减小发动机转矩输出的最简单方法是按一定的顺序停止向气缸内喷射燃油 或改变点火时间甚至中断对某一缸的点火。点火参数调节是一种响应迅速( 响应 时间为3 0 - 1 0 0 m s ) 的控制方式，对于保证车辆方向性较为有效，但舒适性较差， 所以对于性能要求不高的车辆可以单独使用该控制方式。燃油供给调节是指减 小供油量或暂停供油，即当发现驱动轮发生过度滑转时，电子调节装置将自动 减小供油量，甚至中断供油，以减小发动机的输出扭矩，燃油供给调节是现代 电控内燃机中比较容易实现的驱动防滑控制方式，尤其对于电喷式发动机是驱 动防滑的主要控制方式。 ( 2 ) 节气门调节方式 节气门开度调节是化油器式发动机进行驱动防滑控制的主要控制方法。它 是指改变节气门的闭合程度，它有两种方式：一种是机械式调节，另一种是电子 式调节。机械式调节的节气门是在原节气门体的基础上，串联一个副节气门。 副节气门设置在发动机节气门体由加速踏板控制的主节气门上方，由步进电动 机控制。副节气门由步进电动机控制其开度，在a s r 不工作时，步进电动机未 通电，副节气门处于全开位置，发动机进气量由主节气门控制；当a s r 工作时， 步进电动机根据a b s a s re c i j 的指令控制副节气门的开度，使副节气门处于开 启一半至全闭位置。节气门开度调节工作平稳，控制车辆方向性好，易于与其 它控制方式配合使用，但它响应较慢。 ( 3 ) 驱动轮制动力矩调节 驱动轮制动力矩调节是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩，使车轮转速 下降，把滑移率控制在理想的范围内。它主要应用在左右车轮的路面附着情况 不一样的情况下。通过对低附着系数路面上的驱动轮施加制动力，可以充分利 用高附着路面的附着条件，提高汽车的驱动力。 ( 4 ) 差速器锁止控制 第1 章绪论 电子控制可变锁止差速器，又称为防滑差速器可以根据路面条件在一定程 度上锁止，使左右驱动轮的输出扭矩根据锁定比和路面情况而不同。防滑差速 器控制，在差速器向车轮输出端的多片离合器片上，以增减液压实现锁止控制。 ( 5 ) 离合器或变速箱控制 离合器控制是指当发现汽车驱动轮发生过度滑转时，适当减弱离合器的接 合程度，使离合器主、从动盘出现相对滑转，从而减小传输到半轴的发动机输 出扭矩。变速箱控制是指通过改变传动比来改变传递到驱动轮的驱动扭矩，以 减小驱动轮滑转程度的一种驱动防滑控制。由于离合器和变速箱控制的响应较 慢，变化较突然，一般不能单独使用。而且其控制结构较复杂。成本高，再加 上压力和磨损等问题，其应用受到一定的限制。 ( 6 ) 采用电控悬架实现驱动车轮载荷调配控制 在各驱动车轮的附着条件不一致时，可以通过电控悬架的主动调整使载荷 较多地分配在附着条件较好的驱动车轮上，使各驱动车轮附着力的总和有所增 大：也可以通过悬架的主动调整使载荷较多在分配在附着条件较差的驱动车轮 上，使各驱动车轮的附着力差异减小，从而有利于各驱动车辆之间牵引力的平 衡，提高汽车的行驶方向稳定性。这项技术较为复杂，成本也较高，所以在a s r 系统中一般很少采用。 1 5 。4 汽车驱动防滑控制系统研究的关键技术及难点”1 ( 1 ) 节气门开度调节与制动力矩控制协同工作 与a b s 系统不同，a s r 是由反应时间不同的制动控制和发动机控制等组成的 多环系统。各环节怎样协同工作才能使驱动力调节效果达到最佳，需要经过反 复试验和分析研究。 ( 2 ) 执行机构滞后的影响 a s r 系统在各个传递环节上需要消耗时间，这样驱动力矩的调节就存在时间 上的滞后，累积后就会脱离要求的控制范围，影响驱动力矩调节效果。 ( 3 ) 电子控制单元的抗干扰问题 干扰可通过各种途径侵入到控制系统中，造成控制信号的混乱，导致一系 列严重后果。另外，在a s r 控制期间，离合器处于接合状态，传动系统的振动 和冲击都会对a s r 控制带来困难。因此系统对抗干扰能力的要求很高。 第1 章绪论 ( 4 ) 汽车行驶过程中的道路识别技术 目前大多数a s r 控制系统都采用基于最佳滑移率控制为目标的控制方法， 而在实际的控制器的研究过程中，由传感器采集车轮转速及车身的加速度信号， 并由此获得车辆的滑移率的信息；并以车辆滑移率门限值为主、车轮加速度门 限值为辅的控制方法和控制逻辑算法对车辆的执行系统进行控制以优化驱动力 的分配，保证车辆充分地利用地面的附着力。 ( 5 ) 新的控制理论和控制算法的研究 在a s r 系统的控制理论和控制算法方面，目前国内外该项技术领域的技术 人员进行了大量的研究，也获得了一定的成果。新的控制方法、理论和控制算 法不断地被提出，在 s r 方面都有所应用，并在车辆上进行了大量的试验。 ( 6 ) 新型防滑传感器技术的开发和研究 目前在大多数a s r 系统中，滑移率都是通过测量车辆的非驱动轮和驱动轮 转速并经一定的数学换算而得到的，忽略了诸多外部因素的影响，不能够准确 地反映车轮的滑转状态。近年来，人们不断探索采用非接触式传感器测取，但 它对环境的要求较为苛刻，而且在冰雪路面上其功效要受到影响。就a s r 系统 而言，高效能、低价格的传感器的开发将会大大推动a s r 技术的推广和应用。 ( 7 ) a s r 系统的集成化、轻量化研究以及拓展 a s r 系统的集成化、轻量化是目前a s r 系统的一个难点，也是其未来的发展 方向。在国外，将a s r 系统的控制元件与执行元件一体化的研究己经有所进展， 而将a s r 技术与v d c ，d s c 等系统的集成化更是未来发展的主流 1 6 本文的研究内容 本课题对同轴并联的轻度混合式( i s g _ l 删、，) 混合动力汽车，在起步加速阶段 联合电机进行驱动防滑控制。针对传统的驱动防滑控制中发动机的反应滞后； a s r 系统在各个传递环节上需要消耗时间，这样驱动力矩的调节就存在时间上的 滞后，累积后就会脱离要求的控制范围，影响驱动力矩调节效果。考虑到i s g 一 混合动力汽车的特殊的机构方式以及电机的特性，可以利用电机在驱动防滑中 发挥作用。根据电机的外特性曲线，电机在低速时能够提供较大的力矩，本文 所研究的i s g 在低速时能够提供大约正负7 2 n m 的峰值扭矩，根据所研究的发 动机的外特性曲线，发动机的峰值扭矩大约在1 1 0 n m 左右。对比两者可以发现， 第1 章绪论 在低速时通过电机的介入能够比较有效得改变总的输出力矩，从而有效地控制 驱动防滑。另外电机的响应时间大概在卜2 m s ，而发动机的响应时间却达到 5 0 0 m s - l s 。电机的转矩响应远比发动机要快而精确，并且改变方向比较容易。 基于以上分析可知，利用电机可以快速有效地进行驱动防滑。本文主要研究三 方面的内容，第一是建立本文研究所需要的相关模型。第二是研究驱动防滑的 控制策略，将一些常用的控制策略与本文具体的驱动防滑要求相结合，研究出 适合驱动防滑的的控制器。第三是研究驱动防滑中不同执行器之间的协同工作， 具体就是驱动防滑过程中力矩的分配方法。 1 4 第2 章动力传动及车辆系统动态模型 第2 章动力传动及车辆系统动态模型 作为防滑控制研究的基础，车辆模型必须准确反映车辆的行驶特性，才能 在防滑系统的研究中得出正确的结论。两自由度的模型简单直观，能够直接写 出传递函数，使系统控制大大简化。但是它忽略了系统的非线性，特别是左右 轮胎与路面之问的复杂关系，所以本文采用七自由度的车辆模型来进行研究。 在发动机特性的研究中，本文根据车辆防滑系统实际的控制需要，建立发动机 的动态反应模型，从而能比较正确地模拟发动机的动态反应特性，本模型主要 考虑曲轴转速和节气门开度对发动机输出扭矩的影响，能基本反映出发动机的 输出特性。传动系统模型考虑了变速箱对力矩传递的影响，而轮胎模型的研究 则主要基于统一轮胎的理论模型，比较正确地反应了轮胎的特性。简化的电机 模型也能较好体现电机的动态特性 2 1 发动机模型* ” 由于发动机的测试成本昂贵，在8 0 年代初，国外学者就通过对发动机物理 特性的研究建立了发动机数学模型。以此分析发动机的动态特性并用于检验发 动机的控制策略。 现在有许多面向各种应用的不同复杂度的发动机模型。目前在用于空燃比 控制的动态发动机模型中，比较常用的包括平均值发动机模型( m e a nv a l u e e n g i n em o d e l ，m y 嘲和基于各缸控制的发动机模型( c y l i n d e r - b y - c y l i n d e r e n g i n em o d e l ，c c e m ) 平均值模型忽略了一个工作循环内不同曲轴转角时各 缸的差别，对各缸的工作状态差异进行平均处理，而重点着眼于整机的动态特 性。基于各缸控制的发动机模型考虑到了各缸之间在混合气形成、进排气阶段、 压缩及燃烧做功阶段的差异，进行分缸控制。由于模型的复杂度在很大程度上 影响发动机控制的复杂度，所以通常希望在满足要求的前提下，发动机模型有 较少的参数和较低阶次，以便于控制和参数整定。 发动机平均值模型相对于基于各缸控制的模型简单，不需要很大的模型运 算量，具有较高的整体精度，能够模拟发动机的动态响应过程，已足够进行发 1 5 第2 章动力传动及车辆系统动态模型 动机非线性控制和工况预测。 2 1 1 模型描述 平均值模型是一种典型的面向控制分析的发动机模型，它的建模思想是基 于发动机的一个或几个循环来预测平均的外部变量( 如曲轴转速和进气管压力) 和内部变量( 如空气流速和充气效率) 的值。它具有既可以描述发动机的动态 特性，又不需要很大的模型运算量的特点，因而此类模型在发动机电控系统设 计中和发动机实时模拟系统的开发中得到广泛的应用。 发动机平均值模型主要包括三个子模型，即气路模型、油路模型和动力输 出模型。如图2 1 所示： 2 1 2 气路子系统建模： 图2 1 发动机平均值模型 半均值发动召l 楔型昀仝气质量流于模型，到迸气霄胜力状态万程式( m p s e ) ， 是由速度一密度法给出的。首先对理想气体状态方程两边曲微分得到： m r t = p v ( 2 - 1 ) 拓丢( 矧 z ， m 2 石i 茁j 懈屹j 拓甓一等 倍s ， 1 6 第2 章动力传动及车辆系统动态模型 ；：孕二。+ 丝 。 ( 2 4 ) n 2 百+ 苛l 喵1 其中，办是进气管绝对压力，单位为b a r ，是进气管容积，单位为升， r 是气体常数为2 8 7 x1 0 一，l 进气管温度，单位为k 由于几乎在所有工况下 热传导很小压力随时间的变化远比温度的变化大很多，所以忽略上式中最右边 的项。 对进气管空气流应用质量守恒定律得： 坍。= 肌_ 一m 。( 2 - 5 ) 埘* 是进入气缸的空气质量流量，单位为k g s ，m a t 是节气门处的空气质量 流量，单位为k g s 。于是有： ；。：争( 二。一二。) ( 2 6 ) ，越= i 产t 坍耐一所舯j l z o j m 。主要是发动机转速和进气管压力的函数( 肌。= f ( n ，) ) ，肼一主要是 节气门开度和进气管压力的函数( 研m = ， ，p m ) ) 。 2 1 3 气缸入口处空气流量建模 由速度一密度公式得：j ；l ”“几) = 瓦丞亏( 靠) 开，其中是发动机排 量，容积效率( 刁。) 表征气缸的充气效率，研究表明它是发动机转速和进气管 压力的非线性函数。 ( 月，儿) ：s 伽) 一盟 p m ( 2 - 7 ) 而墨( 厅) ，乃( 厅) 随转速变化很小，d a v et r u m p y 等在对多种相差较大的发动机 研究的基础上，得出充气系数和进气管压力( m p a ) 的关系如下 玎“( ) ：0 9 5 2 一0 0 7 9 3 ( 2 8 ) p 因此有： 1 7 第2 章动力传动及车辆系统动态模型 二础，以) = 盎( 墨以训雄 ( 2 - 9 ) n 为发动机转速，单位为千转分。 2 1 4 节气门处空气流量建模 对通过节气门处空气质量流模型的研究是基于熵流公式给出的，它给出了 节气门空气质量流关于节气门开度和压力比的关系。为了更加精确地描述节气 门处流体问题，对其进行适当修改，使用拟合后的函数： 埘m ，k ) - = m a r l 届( 口) 屈( b ) ( 2 - 1 0 ) 施= q 三拦 p l ( a ) = l - a l c o s ( 口) + c o s 2 ( 口) ( 2 - 1 2 ) 胁) ：珐历万跏只 【压( 弗) = 1 ，其它 见瑚怕1 舻历万 其中q 为节气门体流量系数，d 为节气门体内腔直径，单位为m ，p 。为大 气压力l b a r ，? 为大气温度取2 8 8 k ，曰为气体常数为2 8 7 x 1 0 4 ，七。= 2 k 晴一1 ) ， k 是空气比热比为1 。4 0 1 ( 1 5 摄氏度时) ，只是节气门两侧的压力比 p ，= 以p 一，节气门有效进气面积近似为三d 2 届 ) ，节气门处的等熵