（车辆工程专业论文）混合动力电动汽车传动系的建模与仿真.pdf

摘要 随着人们对环保、节能的日益关注，人们对汽车排放和经济性也越来越重 视。在这个背景下，混合动力电动汽车成为了种较好地减轻排放和节约能源的 车型。一般地，我们将混合动力电动汽车分为串联、并联和混联三种结构类型。 本文从能量流的角度，描述了串联和并联混合动力电动汽车的区别，并以 并联混合动力为例，分析了混合动力传动系的几种布置形式，同时，建立了并联 式混合动力电动汽车传动系模型，并将该模型嵌入a d v i s o r 中，对模型和控制 策略进行了仿真研究。 汽车传动系各部件问参数匹配的协调与否，对车辆整车性能有很重要的影 响，因此，建立合理的部件仿真模型，选用合理的控制策略，对研究混合动力电 动汽车的性能有重要意义。论文中的传动系模型是基于a d v i s o r 的，模型包括 c v t 模型、主减速器模型、车轮和半轴模型等。所有建模数据来源于a d v i s o r 。 为了让模型具有通用性，所有描述零部件性能的参数都设置为可变的，通过修改 参数，可以改变仿真模型中零部件的性能。例如：傣动啦3 和3 s 裹示的是两种 不同的主减速器。 论文中的整车模型是在论文中所建立的传动系模型基础上，将a d v i s o r 中的发动机和电机、电池等模型结合起来形成的，仿真所选用的驾驶工况是经过 修改的c o m m u t e r 工况，修改后的工况有较长的制动过程，对研究论文中的 控制策略比较合适。 再生制动可以明显改善汽车的性能，特别是对于频繁停车、启动的汽车。 本论文为仿真选用的控制策略，是对国外学者吲关于再生制动过程中引入c v t 速比控制的控制策略的一种验证和探讨。在考虑电机大小、电池s o c 和车速的 同时，引入c v t 速比控制后，即使是再生制动，c v t 的速比也根据电机最佳工 作曲线的要求来变化，而不是一味地追求再生电机所回收的转矩。 在控制策略上，本文还探讨了“e c m s ” 3 5 】( 最小等量消耗策略) 。该策略 不直接对比电池的电量消耗和发动机的燃油消耗，而是使用等量因子来对两者进 行均衡。 从仿真结果来看，本文验证的再生制动控制策略，由于增加了再生制动过 程中c v t 的速比控制，从而使得电机也在其最佳工况下工作。通过a d v i s o r 里c o m m u t e r 循环的仿真结果表明；该控制策略与只追求将电机回收转矩最大 化的策略相比，在工况末，电池的s o c 提高了3 ，燃油经济性也有所改善。 关键词：混合动力，传动系，建模，仿真 a b s t r a c t t h ed e m a n df o rm o r ee n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya n df u e le f f i c i e n tv e h i c l eh a s b e e ni n c r e a s e di nr e s p o n s et og r o w i n gc o n c e r n so nt h ec l e a ne n v i r o n m e n ta n ds a v i n g e n e r g y i nt h i sc o n t e x t ，t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) h a se m e r g e da sav i a b l e s o l u t i o nt om e e tt h o s er e q u i r e m e n t si ns h o r tt om i d t e r m a m o n gm a n yd i f f e r e n t h y b r i dm o d e s ，t h et h r e eg e n e r a l l ya c c e p t e dc l a s s i f i c a t i o n sa r es e r i e s ，p a r a l l e l ，s e r i e s a n dp a r a l l e l t h ed i f i e f e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tc l a s s i f i c a t i o n so fh e vi sd e s c r i b e di nt h i s p a p e ra n dap a r a l l e lh e v t r a n s m i s s i o ns y s t e mm a t h e m a t i cm o d e li sb u i l d ，w h i c hc a n b eu s e dw h e nr e s e a r c h i n gh e vs t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g y m a t h e m a t i cm o d e li n t h i s p a p e r i sb u i l tb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k ， c o m p o s e do fc v tg e a r b o xm o d e l ，f i n a ld r i v em o d e l ，w h e e la n da x l em o d e la n ds oo n a l lt h o s ed a t au s e di nm o d e l i n ga r ef r o ma d v i s o r i no r d e rt om a k et h i sm o d e lc a n b eu s e di nc o m m o ns i t u a t i o n ，a l lt h o s ep a r a m e t e r st h a td e s c r i b i n gt h ec o m p o n e n t s c h a r a c t e ra r ec h a n g e a b l e f o re x a m p l e ，r a t i o n3a n d3 5m e a n st w od i f f e r e n tf i n a l d r i v e s c o n t r o ls t r a t e g yu s e di nt h i sp a p e ri sd i f f e r e n tf r o ms o m eo t h e r si nr e g e n e r a t e c o n t r 0 1 f e wc o n t r o ls t r a t e g yu s e dg e a r b o x sr a t i o nc o n t r o lw h e nt h ev e h i c l ei s r e g e n e r a t i n g h o w e v e r , m o t o r se f f i c i e n c yi nr e g e n e r a t i n ga l s os h o u l db ec o n t r o l l e di n o r d e rt om a k et h eb e s tu s eo fm o t o r 2 7 1 ，n o tf u rm a x i m i z et h em o t o r t o r q u eo n l v a tt h e s a n l et i m e ，o fc o u r s e ，m o t o rc a p a c i t y , b a t t e r ys o ca n dv e h i c l ev e l o c i t ya r ea l s o c o n s i d e r e d a tt h es a m et i m e ，c o n t r o ls t r a t e g y “e c m s f 3 5 1i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e qw h i c h i sc l e a r l yr e c o g n i z e dt h a tt h ee l e c t r i c a l e n e r g ya n dt h ef u e le n e r g ya r en o td i r e c t l y c o m p a r a b l e ，b u ta ne q u i v a l e n c ef a c t o ri sn e e d e d t h ee q u i v a l e n c eb e t w e e ne l e c t r i c a l e n e r g ya n df u e le n e r g yi sb a s i c a l l ye v a l u a t e db yc o n s i d e r i n ga v e r a g ee n e r g yp a t h s l e a d i n gf r o mt h ef u e lt ot h es t o r a g eo fe l e c t r i c a le n e r g y f r o mt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，w ec a nf i n dt h a t ，t h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g a l g o r i t h mi n c l u d i n gt h ec v tr a t i oc o n t r o lp r o v i d e si m p r o v e ds o ca sm u c ha s3 p e r c e n tf u rc o m m u t e rd r i v i n gs c h e d u l e k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，t r a n s m i s s i o n ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n i l 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 混合动力电动汽车概述 1 1 1 混合动力电动汽车结构分类 按能量合成的方式，混合动力电动汽车主要分为串连、并联和混联式三种。 串连式混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 主要出发动机、 发电机和驱动电机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电机采用“串连” 的方式组成s h e v 的驱动系统： 并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e l h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) 是由发动机、电 机两大动力总成组成，发动机、电机采用并联的方式组成p h e v 的驱动系统。 电机的动力可以在发动机输出轴处、变速器输出轴处或者是驱动轮处进行组合； 混联式混合动力电动汽车( p a r a l l e ls e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 是综合 s h e v 和p h e v 结构特点组成的，由发动机、发电机和驱动电机三大动力总成组 成。由于发电机必须安装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作 用，也才能保持发动机稳定运转并进行发电，因而驱动电机的动力要与车辆驱动 系统相结合，只有在变速器输出轴处或者是驱动轮处进行组合。 1 1 2 目前的混合动力电动汽车代表车型 由于各国对汽车排放要求曰益严格、燃油价格又不断攀升，混合动力电动 汽车己经开始热销起来，像事田公司的0 6 款h i g h l a n d e r 、福特公司的0 6 款 r x 4 0 0 ，还有已经占有部分市场份额的p r i u s 、i n s i g h t 、e s c a p e 等，构成了 目前混合动力电动汽车的代表车墅。 1 2 仿真技术的应用现状 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的运行状态及其随 时间的变化过程。通过对仿真试验的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参 数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。 武汉理 _ 大学硕士论文 1 2 1 仿真技术的优点 通过运用仿真技术，我们可以将原本需要耗费大量财力物力和时间的试验、 研究，在计算机上生动地表现出来。对汽车丌发而言，在新车型开发初期，可以 利用仿真完成汽车传动系动力性匹配、预计燃油消耗等方面的计算。 1 2 2 仿真的方法 一般将仿真方法作如下分类1 1 2 】： 1 、逆向仿真方法 逆向仿真法是假设汽车能够按照给定的驾驶循环的请求行驶轨迹( 汽车行驶 速度、道路坡度和汽车动态质量) 来行驶，从而反推汽车各总成应如何工作。这 个模型不需要驾驶员的特性参数，驱动汽车所需的转矩直接从驾驶循环计算而 来，再转化为上级总成直接提供的转矩，同时汽车前进的线速度被转化为发动机 或电机的转速。这种计算方法逐个部件地沿着传动系统向后执行，与车辆的实际 功率流的方向相反，最后计算出满足循环工况要求的燃料和电池能量。逆向仿真 方法中汽车传动系统各部件在不同转矩和速度下的效率特性和其它特性已经事 先被测试出，各部件的效率可以直接计算确定，所以逆向仿真方法计算速度很快。 逆向仿真方法的缺点是它假设循环工况被满足，但是当循环加速度超出传动系统 的能力时，汽车实际的加速度必然小于循环加速度，而逆向仿真方法不能正确反 映出这种真实情况，并且这种假设也不适合计算汽车的最佳性能。 逆向仿真方法中使用的各种特性通常是在稳态时测试出来的，它们在计算 能量消耗中不包括动态效果。这样它不能处理实际车辆中的可测量数据，例如在 模型中不存在诸如节气门和制动器位置等控制信号，因此在控制策略的仿真中， 不能直接对加速踏板和制动踏板等控制信号进行建模，必须将其转化为对车辆加 速度的处理，仿真效果不好，这进一步妨碍了动态系统的仿真和控制系统的开发。 2 、正向仿真方法 正向仿真方法与逆向仿真方法的主要区别是车辆仿真系统包括了驾驶员模 型，驾驶员模型用来模拟油门开度信号和靠4 动信号，以保证汽车的驾驶循环轨迹 与要求的循环轨迹相吻合。节气门的命令被转化成发动机和电动机的转矩，其中 发动机产生的转矩送到变速箱模型，然后根据效率和传动比计算转换转矩，该转 矩再按照车辆中实际功率流的方向向前传送，直到计算出轮胎的驱动力和汽车的 速度。 正向仿真方法能准确地计算整车性能，便于系统的详细设计和动态模拟。 武汉理工大学硕士论文 因为正向仿真方法能处理实际传动系统中的测量数据，车辆控制器能在仿真过程 中有效地丌发和测试。动态模型也很自然地被包括在正向仿真方法的车辆模型 中，正向仿真方法也很适合计算节气门全开情况下的最大加速度能力。正向仿真 方法的主要弱点是计算量大，速度通常要比采用逆向仿真方法的软件要慢，传动 系统的功率计算依赖于车辆状态。其优点是各部件之间的联系更加接近于车辆的 实际情况，这种计算方法比逆向仿真方法的计算结果更准确。 1 2 3 各大汽车公司的仿真应用 当一辆汽车还处于概念设计阶段时，为了评估它的燃油经济性，污染物排放 以及驾驶舒适性等，三菱公司开发了一套传动系虚拟模型。该模型包含：发动机 模块、变速器模块、控制模块、驾驶员模块、其他诸如催化剂模块、附件模块等。 其仿真基本思路是：将汽车的每个组成部件分别建立为单独的模型，而且每个单 独的模型经过封装，能够进行性能估算。整车的虚拟模型，便是将各个单独的模 型联合在一起的结果”“。 丰田和奥迪也在运用d s p a c e 进行整个动力与传动系统的仿真；通用运用的 则是r t l a b 和a m e s i m 来进行汽车传动系统设计过程中的仿真。 1 3 传动系概述及简化模型 汽车传动系的基本功用是将汽车发动机的动力传给车轮，它的首要任务是协 同发动机工作，以保证汽车能在不同工况下正常行驶，并具有良好的动力性和燃 油经济性。 1 3 1 汽车传动系概述 从结构角度而言，传统汽车传动系包括离合器、变速器、传动轴、万向节、 主减速器、半轴以及差速器等。传动系将发动机产生的驱动力矩和转速，以一定 的要求传递到车轮。 传统汽车传动系的布置方案分为发动机前置前驱动、发动机前置后驱动、发 动机后置后驱动、发动机中置后驱动以及全轮驱动等几种形式。 对混合动力电动汽车而言，传动系的布置形式取决于发动机和电机的组合方 式。 武汉理j = 大学硕十论文 1 3 2 汽车传动系简化模型 汽车传动系 组成可简化为图 l l 所示的结构， 即汽车传动系简 化模型“。具体来 图1 1 ：汽车传动系简化模犁 说，车载能源用于能源存储或进行能源的初始转化以向动力生成装置直接供能： 动力生成装置用于把其他形式的能量转化为可以用于直接驱动车轮转动的机械 动能：特性场转化装置用于实现动力生成装置工作特性场和车辆行驶特性场之间 的匹配，以保证车辆的正常行驶。 1 4 课题的主要研究内容、目的和意义 电动汽车在节能、环保等方面的意义重大，这种被称为“零排放”的汽车吸 引着全世界的目光。据统计，2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 力吨，预计2 0 1 0 年后 将超过1 5 亿吨，帽当于科威特一年的总产量。国家环保中，b 预测：到2 0 1 0 年， 我国汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 1 1 7 】。传统的内燃机汽车在国外丌发 的历史已有百年，中国费了很大的力气却仍然只是抓住了尾巴。相比之下，电动 汽车还属于产业化初期，尚未形成新的工业体系，中国和其他国家一样处在同 条起跑线上，因此中国在电动汽车领域参与世界的竞争是公平的。 本课题研究的主要内容是传动系的建模和仿真，在建立离合器、 c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 、主减速器、车轮和半轴的仿真模型基 础上，调用a d v i s o r 中的发动机和电机、电池等模型构成整车模型，从而进 行仿真试验，以验证所提出控制策略对车辆性能的改善。 在控制策略上，本论文引用了国外学者的两种控制策略：1 、再生制动过程 中引入c v t 速比控制f 2 7 1 ；2 、发动机消耗和电池消耗等量的控制方法p 列。 对于变速装置为c v t 的混合动力电动汽车，在再生制动时，如果不考虑电 机的工作状态，只考虑电机的功率大小和电池的容量，就会发现：电机作为发电 机工作时的效能不一定是最高的。引入c 速比控制后，即使是再生制动，c v t 的速比也根据电机最佳工作曲线的要求来变化，从而改善电机在再生制动过程中 的工作效率。论文的第四章对该控制策略进行了仿真试验。 对于发动机消耗和电池消耗等量的控制方法【3 5 j 提出了在一个循环工况下， 发动机所消耗的能量和电机消耗的能量相等的方法。该方法的主要特征是：在一 4 武汉理工大学硕士论文 个循环工况即将结束时，如电池的消耗比发动机的消耗多，则需要发动机给电池 充电；该控制策略的关键在于发动机和电机的功率耦合前两者功率的加权系数。 通过这个系数( 论文中将这个系数称为等量系数) ，控制一个循环里任一时刻发 动机和电池的消耗。该策略是一个探讨性的，并没有在做详细的仿真分析。 研究目的：运用m 棚a b s i m u u n k 模块，结合a d v i s o r 等插件，构建 出混合动力电动汽车的传动系模型，并通过基于a d v i s o r 的新型控制策略，进 行仿真试验，从而研究不同控制策略对混合动力车辆性能的影响。这样，可以通 过仿真技术，寻求一个日臻完善的仿真模型和控制策略。 研究意义：传动系是汽车的重要组成系统，影响到汽车的动力性、经济性以 及排放等诸多方面。研究混合动力电动汽车传动系的建模及控制策硌，能为改善 混合动力电动汽车的动力性及经济性提出有益的建议。本论文所验证的带c v t 速比控制的再生制动控制策略，就较再生制动时不考虑电机效率的策略更利于改 善混合动力电动汽车电池的s o c 状态和车辆的经济性。 武汉理t 大学硕士论文 第2 章传动系的仿真建模 2 1 仿真建模的理论和方法 2 1 1 仿真建模的理论和方法概述 所谓模型，就是根据仿真的目的把关于实际运行过程的本质部分信息抽象 成有用的描述形式，用来描述过程的运动规律。它是过程的一种客观写照或缩影， 是分析过程和预估、控制过程行为特性的工具。系统的数学模型是建立系统数字 仿真模型的依据。它是通过对系统的实际运动机理的研究和观测，在忽略次要因 素的基础上进行抽象的种数学描述，从而获得实际系统的适合研究目的的简化 近似模型。建立数学模型的过程是一种探索过程，它与建立仿真模型和仿真试验 是不可分的。通常建立数学模型的过程划分成以下几个阶段b 3 1 ： 1 ) 、确定被仿真系统的实体、属性、活动以及环境对系统的影响； 、建立模型的框架； 3 ) 、对模型中的结构进行选择和配置； 舢、确定待选择的参数； 5 1 、进行参数估计，获得确定的数学模型。 在建立数学模型后。为了对数学模型进行确认，要根据数学模型建立数字 仿真模型，由仿真试验的结果与实际观测的数据进行比较来验证数学模型的正确 性。在建立模型的过程中，上述各个阶段将会反复进行，它们是交融在一起的， 实际是一个迭代过程。事实上，通常是根据对实际系统的经验知识相已知的定理、 定律及原理，首先给出个假定的概念模型。利用这个概念模型经过上述各个阶 段，再建立数字仿真模型，进行仿真试验。根据试验结果通过一定的方法修正模 型的框架、结构和参数，使得模型具有与实际系统更加相似的特性。在建模过程 中，上述各个阶段并不是严格区分的，而是各个阶段互相渗透。 建立数学模型大致有三种方法： 1 ) 、演绎法：根据构成动力学系统的实体、属性和活动的假设和基本原理， 通过逻辑推导，从理论上建立描述系统中各部分的数学表达式或逻辑表达式。这 种方法是从一般到特殊，将数学模型看作从已知前提下经过演绎而得到的结果。 试验数据和观测数据用来证实或否定演绎所用的原始假设或原理。 、归纳法：根据观测结果推导出与观测结果相一致的模型。这是一个从特 殊到一般的过程。它是基于对系统的试验和运行数据建立系统数学模型的方法， 即根据系统的输入输出数据的分析和处理来建立系统的模型。这种方法也称为系 统辨识方法。 武汉理工人学硕士论文 3 ) 、演绎归纳结合法：对于那些内部结构和运动规律基本清楚的系统，如航 大飞行器的飞行轨道，电子电路组成的系统，建立数学模型时均可采用演绎法； 对于那些内部结构和特性尚不清楚的系统则一般采用归纳法。对介于上述两者之 间的系统( 即对于它们的内部结构和特性有一些了解，但了解又不多1 ，则采用演 绎和归纳相结合的方法，由它首先给出模型的框架和基本结构，再通过系统辨识 来确定模型中的待定部分， 数学模型是对所研究的系统及其运动过程的数学描述，这种描述应该反映 系统的物理机理，但是，模型的建立随所用的手段和研究工具而有差别。从理论 研究的角度往往要做出各种假定来简化数学模型这使得理论研究只能给出一 些局限约定性结果。相反，通过计算机仿真能够对一些物理机理还不太清楚、不 太了解的问题进行处理。因此，为计算机仿真建立的数学模型可以包含局部子系 统之间的复杂联系。模型中包含的量可以在运动过程中做复杂的变化和相互作 用。这样使得我们可以从为计算机仿真建立的数学模型中得到比由理论或实物试 验更加细致和深刻的关于系统变化的知识。不仅可以了解运动的结果而且可以 了解运动整体的与局部的细致过程。 。 2 1 2 传动系仿真建模方法概述 传动系统总体仿真建模方法【1 4 】：传动系统采用转速、转矩和转动惯量为变量 进行建模，各传动部件模型结构是前馈转矩、惯量和反馈转速，最终在整车模型 处进行动力学平衡。传动系模型中考虑了转矩损失并将所有的转动惯量都等效 到车轮处，各传动部件转速、转矩和惯量计算以及整车动力学平衡方程如下各式： 传动部件转速计算： 。= 0 ) o u i x i ( 2 1 ) 传动部件转矩计算： 兀一= ( r n m ) x 瑶( 2 2 ) 传动部件惯量计算： 山w u k + ，) ( i x ) 2 + ，“( 2 3 ) 整车动力性平衡方程为： ( m + 等) 粤- m 一+ n + r ) 】“( 2 4 ) r8 t 以上式中：撕为部件输入转速； n 枷为部件输出转速；几t 为部件输出转矩；死为部件输入转矩；为部件 转矩损失：i 。为部件传动比；厶t 为部件输出转动惯量；，k 为部件输入轴的转 动惯量；i ，：。为部件输出轴的转动惯量；矗部件输入转动惯量；m 为整车质量； r 为车轮半径：f f 为道路摩擦阻力；f w 为风阻。f i 为坡道阻力；f i 。为最终车 武汉理工大学硕士论文 轮处的驱动力或制动力； 删为总的等效转动惯量。 2 2 离合器建模 2 2 1 离合器的工作原理 1 、离合器的工作原理【1 5 】 离合器的主动部分和从动部分借接触面间的摩擦作用，或是用液体作为传动 介质( 液力偶合器) ，或是用磁力传动( 电磁离合器) 来传递转矩，使两者之间可以 暂时分离，又可逐渐接合，在传动过程中又允许踌部分相互转动。 目前在汽车上广泛采用的是用弹簧压紧的摩擦离合器( 简称为摩擦离合器) 。 摩擦离合器应能满足以下基本要求： 1 ) 、保证能传递发动机发出的最大转矩，并且还有一定的传递转矩余力； 2 ) 、能作到分离时，彻底分离，接合时柔和。并具有良好的散热能力； 3 ) 、从动部分的转动惯量尽量小一些。这样，在分离离合器换档时，与变速 器输入轴相连部分的转速就比较容易变化，从而减轻齿轮间冲击； 4 ) 、具有缓和转动方向冲击，衰减该方向振动的能力，且噪音小； 5 ) 、压盘压力和摩擦片的摩擦系数变化小，工作稳定； 6 ) 、操纵省力，维修保养方便。 2 2 2 离合器动作控制策略 离合器是汽车动力传动系统的重要部件，它依靠主从动片之间的摩擦力矩 来传递动力，并通过分离与接合来控制车辆动力传动系统的工作状态。 离合器的工作过程分析，如图2 1 所示【b 1 ： 以水平道路为例，离合器结合过程分为四个阶段，如图2 1 ，图中m 。为摩 擦力矩，n 。和n c 分别为主动片和从动片的转速。 第一阶段( o a ) ：消除空行程阶段，无转矩传递，结合速度应尽可能快， 以缩短起步时间； 第二阶段( a b ) ：离合器主、从动盘之间产生滑摩，但离合器传递的转矩 尚不能克服最大阻力矩，为了减少滑转。此阶段应快速结合； 第三阶段( b c ) ：达到半接合点后，离合器主、从动盘之间传递的转矩超 过最大阻力矩，转矩传递开始； 第四阶段( c d ) ：离合器主、从动盘已经同步，此阶段应快速结合。 8 武汉理丁大学硕士论文 如上所述，在混合动 力电动汽车中，其离合器 芒 工作过程归结为三个步 袋 骤，即完全的结合、滑转 蓝 状态和完全分离状态。对懿 于各个阶段的策略问题i 需要满足不同的工作条 菊 件：搭 ( 1 ) 完全结合状态 汽车在以一定的车 速匀速行驶的时候，此 图2 一l 汽车正常起步时离合器转速、摩擦力 时尽量让发动机在满负荷下工作， 以提高其燃油经济性。同时，在满足汽车行驶驱动力的要求下，可以将多余的能 量通过电机进行回收。 ( 2 ) 滑转状态 汽车起步加速，或者在换档加速、换档减速过程中，以保证汽车的平稳行 驶，防止发动机负荷的突变造成发动机的熄火或其它不良现象。 ( 3 ) 完全分离状态 汽车怠速或汽车减速过程中，此时也可以进行制动能量回收。 2 2 3 基于m a t l a b s i l 1 n k 的离合器模型 近几年来，随着对混合动力电动汽车研究的深入，电动汽车所用离合器的 仿真模块也出现了一些，如a d v i s o r 、p s a t 等软件中都有根据特定离合器构 建的模块。下面以反向法来阐述基于m a t l a b s i m u l i n k 的离合器建模。 离合器仿真模型如图2 2 所示： ( 1 ) 参数介绍 进入离合器模块的信号分为逻辑信号和数据信号，如图2 2 所示。其中左 端1 和3 为数据信号，2 为逻辑信号；右端1 和2 为输出的数据信号。对输入输 出信号及其说明列表如下： 武汉理上人学硕士论文 端 口 信 号 图2 2 离合器仿真模型 ，一f一 1 ； 前一个模块所需的转矩和转速 离合器的结合状态信号：1 为完全分离状态，2 为滑摩状态，3 为完全结合状态 厂- 晤磊赢磊磊磊赢一 厂一陌磊面i 赢磊磊f 表1 离合器输入输出信号说明 ( 2 ) 离合器模型的构建思路【1 4 1 0 速转和| | 矩；| 薹一有一的一出磊喂一前一向 一块模 一器一合 一离 武汉理j 二人学硕士论文 离合器首先要对起离合器的锁止状态进行判定，如果离合器是完全锁止的， 则离合器的转矩和转速输出由相应的输入直接输出，只是对输出的量值做了限 制。如果离合器不处于完全锁止状态，则根据离合器的接合状态，输出转速计算 采用角速度对时间积分的方法，输出转矩为离合器的摩擦转矩。 上述构建思路可表示为图2 3 。 图2 3 离合器模型的总体构建思路 ( 3 ) 离合器模型中三个状态的判定 对于静态的离台器模型，其工作过程中所处的状态分为完全接台，正在接合 或分离的滑摩过程和分离状态，其判定方法根据一个全面的逻辑符号的计算公式 来计算，即：f ( 1 ) + 2 f ( 2 ) 【1 - f o ) 】【1 - f ( 3 ) 】+ 3 x f ( 3 ) 【1 - f o ) 】。其中f ( 1 ) 、f ( z ) 和f ( 3 分别为三种逻辑符号1 或0 ，以下是对离合器的控制状态的具体分析： “1 ) ：变速器换档或从变速器输出的需求转矩为零，且离合器处于可制动状 态或变速器的估计转速不足发动机的此刻的空转转速。 f ( 2 ) ：变速器输出的需求转矩不为零和变速器的估计转速不足汽车起步离合 器处于滑摩时的离合器转速，且上一时刻的离合器状态不是处于完全接合。 f ( 3 ) ：以上两种情况外的任何汽车工作状况。 离合器工作状态判断的仿真模型如图2 4 所示： 武汉理j 二人学硕士论文 图2 4 离合器工作状态判断仿奏模型 ( 4 ) 决定离合器工作条件的信号判定 在不 同的混合动 力电动汽车 控制策略 里，离合器 工作状态的 判定有着不 同的方法。 若电机作为 辅助动力装 置，只是在发动 机的功率不足 时为汽车提供额外的动力， 圈2 - 5 发动机状态为开的判定模块 则其信号的判定分析如图2 5 所示。 武汉理工大学硕士论文 2 3c v t 建模 2 3 1c v t 结构及工作原理 按传动比变化方式，汽车变速器可分为有级式、无级式和综台式三种。 有绒式变速器应用最广泛，它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按 所用轮系型式不同，有轴线固定 式变速器( 普通变速器) 和轴线旋 转式变速器 行星齿轮变速器) 两 种。目前。轿车和轻、中型货车 变速器的传动比通常有卜5 个前 进挡和一个倒挡。在重型货车用 的组合式变速器中，则有更多挡 位。所谓变速器挡位数是指其前 进挡位数。 无级式变速器的传动比在一 定的数值范围内可按无限多级变 图2 6c 金属带示意图【1 6 j 化。常见的有电力式、液力式( 动液式) 和机械式三种。电力式无级变速器的变速 传动部件为直流串激电动机，除在无轨电车上应用外，在超重型自卸车传动系中 也有广泛采用的趋势。动液式无级变速器的传动部件是液力变矩器。机械式无级 变速器是利用直径可变的传动轮来实现无级变速。 主均静琦埯 伸t 比i 图2 7c v t 变速比原理示意图【1 6 1 武汉理t 大学硕十论文 综合式变速器是指由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械式变 速器。其传动比可在最大值与最小值之间的几个间断的范围内做出无级变化。 省油、降低排放、操纵简便、行驶舒适的无级变速器一直是人们追求的目 标，早期通过双锥体来改变接触半径实现传动比连续变化的方法，因接触部分挤 压应力太高而难于实用化。目前，中小轿车上使用的电子控制无级变速器，均以 金属三角带作传动，简称为e c v t 。它利用1 0 层厚0 2m m 的铝合金薄钢带串卜 主霸恃魂轮胃定私精确 圈2 - 8 机械无级变速器结构【1 6 l 约2 8 0 片三角形的钢片制成，如图2 - - 6 所示。这种金属三角带可承受很大的拉 力和侧向压力，钢带装在工作半径可变的带轮上。靠液压改变带轮的半径来改变 速比，如图2 - - 7 所示。e c v t 的最大优点是可以实现全程无级变速，电子控制 机构可以使e c v t 在各种工作状态下保持最佳的传动比和圆滑的过渡，使汽车 具有一个没有“漏洞”的牵引性能。驱动力与车速曲线呈平稳圆滑下降，而任何 1 4 武汉理上人学硕士论文 有级变速器的驱动力曲线都是呈不规则下降。 e c v t 的机械无级变速器结构如图2 - - 8 所示，主要由金属三角带、可变槽 宽带轮、组行星齿轮机构、组前进多片离合器、一组倒挡多片制动器等组成。 主动带轮和从动带轮间的槽宽由液压油缸来控制改变，从而改变了三角带传动 比，实现变速。 下面以奥迪0 1 1 型无级变速器为例1 1 ”，具体介绍c v t 的结构和工作原理。 如图2 9 ，是奥迪0 1 j 型c v t 的零件图。 如图2 一1 0 ，是奥迪0 1 j 型c v t 的结构示意图。 奥迪0 1 j 型c v t 主要由飞轮减振装置、倒档离合器、辅助减速齿轮、主链轮 装置、副链轮装置、行星齿轮系、前进档离合器、液压控制单元和变速器控制单 图2 9 、奥迪0 1 j 裂c v t 结构示意图图2 1 0 、奥迪0 1 j 型c v t 零件图 元组成。 其工作原理为：发动机输出轴输出的动力首先传递到c v t 的主动轮，然后 通过v 型传动带传递到从动轮，最后经主减速器、差速器传递给车轮来驱动汽 车。c v t 的主动轮和从动轮都由可动盘和固定盘组成，可动盘和固定盘都是锥 面结构，可动盘与固定盘的锥面行成v 型槽来与v 型传动带啮合。工作时通过 主动轮与从动轮的可动盘作轴向移 动来改变主动轮、从动轮锥面与v 型 带传动啮合的工作半径，从而改变传 动比。可动盘的轴向移动量是由驾驶 者根据需要通过控制系统调节主动 轮、从动轮液压泵油缸压力来实现 的。由于主动轮和从动轮的工作半径 可以实现连续调节，从而实现无级变 速a 图2 1 1 所示为无级变速器的带 图2 1 1 无级变速器的带传动图 传动图。汽车开始起步时，主动轮的 武汉理t 大学硕士论文 工作半径较小，变速器可以获得较大的传动比，从而保证汽车有足够的加速度。 随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐减小，从动轮的工作半径相应增大， c v t 的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。 2 3 2c v t 换档控制策略 在不同工况下，对汽车的性能要求不太一样，因此，对速比的控制方法也 是不同的。如图2 1 2 所示，是速比控制范围图，在四边形a b c d 内是速比可 以调节的范围，而在四边形之外则由于c v t 的结构限制而不能调节到。n ，为发 动机转速的最小值。若n 表示：上式中取( x l ，y i ) = ( 一w | t h r c s h ，一1 ) ) ( x 。，y c ) = ( o o ) ( x r , y r ) = ( w t l l m ，1 ) ，其中w t h 。s h 为变速器转矩损失调和时的转速阀值，相应的变 速器转矩损失调和系数k t l t 。i 。和输入转速的关系曲线如图2 - - 1 8 所示。 由图可以看出，变速器只在其输入转速绝对值小于转速阀值w 岍s h 时才调 和，经调和处理后的变速器转矩损失为： a ，b = h h x a h ，m 武汉理i l 人学硕士论文 变速器最后的输出转矩为： 矗= ( a ，i n 一死1 0 s s ) f g 4 、c v t 的效率： 1 ) 、逆向计算时效率的插值 根据c v t 所需输出的转矩和转速，以及 速比，c v t 控制单元根据以下数组值对c 的效率进行插值： 定义c v t 的转速范围为：1 5 0 0 i 糟炬再 和豢t 、厂一 二乡 骗h转追 - 一1 5 0 0 0 r m i n ； 图2 - - 1 8 转矩调和系数图 定义5 几个c v t 效率的插值区间( 同主减 速器速比相乘后的值) ：g b _ r a t i o = 1 0 7 553 7 52 ； 预定对应最大的速比时的c v t 效率： g b f _ _ m a p l e f tr a w = 07 2 8 807 4 8 607 6 0 50 7 6 8 5 0 7 7 4 10 7 7 8 4 0 7 8 1 70 7 8 4 3 0 7 9 1 7 0 8 1 6 10 8 3 0 7 0 8 4 0 4 0 8 4 7 4 0 8 5 2 6 0 8 5 6 7 0 8 5 9 9 0 8 0 5 3 0 8 3 3 0 0 8 4 9 6 0 8 6 0 7 0 8 6 8 7 0 8 7 4 6 0 8 7 9 2 0 8 8 2 90 8 0 6 50 8 3 7 30 8 5 5 8 0 8 6 8 10 8 7 6 90 8 8 3 50 8 8 8 6 0 8 9 2 7 0 8 0 2 8 0 8 3 6 6 0 8 5 6 80 8 7 0 3 0 8 8 0 0 0 8 8 7 20 8 9 2 80 8 9 7 3 0 7 9 6 70 8 3 3 30 8 5 5 3 0 8 6 9 90 8 8 0 4 0 8 8 8 3 0 8 9 4 4 0 8 9 9 2 0 7 4 1 7 0 7 7 7 0 0 7 9 8 2 0 8 1 2 0 0 8 2 2 0 0 8 3 0 0 0 8 3 6 00 8 4 1 0 ： 预定对应第二档时c v t 效率： g b _ m a p 2 _ e f f _ r a w = 【 0 7 4 1 90 7 5 3 80 7 6 0 9 0 7 6 5 6 o 8 3 7 0 0 8 4 5 60 8 5 1 30 8 5 5 4 0 8 7 2 0 o 8 7 8 3 0 8 8 2 9 0 8 8 6 2 0 8 9 0 8 0 8 9 5 6 0 8 9 9 3 0 9 0 2 2 0 9 0 2 50 9 0 6 5 o 9 0 9 6 o 9 1 2 0 o 9 1 0 r 70 9 1 4 00 9 1 6 6 0 8 6 1 3 0 9 1 6 7 0 9 1 9 5 1 ； 预定对应第三档时c v t 效率： g b _ m a p 3 _ e f t _ r a w = 【 0 7 3 7 20 7 4 5 50 7 5 0 60 7 5 3 9 0 8 4 0 40 8 4 6 40 8 5 0 40 8 5 3 3 0 8 7 7 4 0 8 8 1 8 0 8 8 4 90 8 8 7 3 o 7 6 9 0 o 7 7 1 6 o 8 5 8 4o 8 6 0 8 o 8 8 8 9 0 8 9 1 0 0 9 0 4 50 8 6 0 5 0 8 6 1 7 0 8 8 1 3 0 8 8 2 1 0 8 9 4 5 0 7 7 3 6 0 8 6 2 7 0 8 5 6 5 0 8 7 8 9 o 8 9 3 1 0 9 0 2 8 o 7 7 5 1 0 8 4 6 7 o 8 7 3 6 0 8 8 9 9 o 9 l 9 0 9 0 8 8 0 8 2 2 8 0 8 6 2 5 0 8 8 3 9 0 8 9 7 3 0 9 0 6 5 0 9 1 3 2 o 7 5 6 3 0 7 5 8 10 7 5 9 5 0 7 6 0 7 0 8 3 0 4 0 8 5 5 4 0 8 5 7 1 0 8 5 8 4 0 。8 5 9 8 o 8 7 0 8 0 8 8 9 10 8 9 0 6 0 8 7 3 30 8 8 5 1 0 8 9 2 1 武汉理工大学硕士论文 0 8 9 6 80 9 0 0 2 0 9 0 2 7 0 9 0 4 70 9 0 6 20 8 8 0 50 8 9 2 9 0 9 0 0 4 0 9 0 5 4 0 9 0 9 00 9 1 1 6 0 9 1 3 7 0 9 1 5 4 0 8 8 4 40 8 9 7 50 9 0 5 4 0 9 1 0 7 0 9 1 4 4 0 ，9 1 7 30 9 1 9 5 0 9 2 1 2 0 8 8 6 50 9 0 0 3 0 9 0 8 60 9 1 4 1 0 9 1 8 10 9 2 1 0 0 9 2 3 30 9 2 5 2 1 1 ： 预定对应第四档时c v t 效率： g b _ m a p 4 _ e f f _ r a w = 【 0 7 2 4 2 0 7 3 1 20 7 3 5 3 0 7 3 8 1 0 7 4 0 10 7 4 1 6 0 7 4 2 7 0 7 4 3 6 0 8 2 7 8 0 8 3 6 10 8 4 1 10 8 4 4 4 0 8 4 6 8 0 8 4 8 6 0 。8 5 0 00 8 5 1 10 。8 6 1 1