（机械制造及其自动化专业论文）并联混合动力汽车系统建模与转矩动态控制的仿真研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 日益严峻的能源危机和环境危机促进了电动汽车产业再次繁荣。对并联混合动力汽车 的研究开发，有力地促进电动汽车产业的发展。 本文首先介绍了电动汽车的特点及共性关键技术，介绍了并联混合动力汽车的特点及 其分类。指出建模仿真技术在包括并联混合动力汽车在内的电动汽车研发工作中的重要 性，阐述整车控制策略是影响该类汽车性能的关键因素。确定论文研究的对象是并联混合 动力汽车系统建模与并联混合动力系统工作模式切换时的转矩动态控制的仿真研究。 基于m a t l a b s i m u l i n k 软件平台，以描述法与查表法相结合，完成了某型并联混合动 力汽车动力系统和传动系统中发动机、电动机和变速器等主要部件仿真模型的建立，确定 了整车多能源动力总成控制系统的结构，为设计及验证整车控制策略提供了仿真环境。 基于稳态逻辑门限的控制方法，以保证汽油机高效率运行为目的，对并联混合动力系 统中的发动机、电动机目标转矩进行了预分配。通过分析并联混合动力系统的工作模式及 发动机、电动机的工作特性，指出在混合动力系统模式切换时对系统输出转矩进行动态控 制的必要性，设计了以混合动力系统转矩预分配策略为基础，以转矩动态控制策略为核心 的并联混合动力系统整车控制策略，完成了整车多能源控制系统的设计，建立了整车仿真 模型。 在新欧洲驾驶循环工况下，通过运行不含转矩动态控制策略的整车模型，证明了所建 仿真模型的正确有效性。通过并联混合动力系统工作模式切换的5 种定工况仿真以及加速、 减速制动2 种全工况仿真，通过对比分析模式切换时有无转矩动态控制的相关仿真结果， 证明了转矩动态控制策略在并联混合动力系统工作模式切换过程中，能够较好地利用电动 杌响应迅速的优点来弥补发动机响应滞后的缺点，从而保证并联混合动力系统的输出转矩 满足驾驶员转矩的需求，保证了汽车的动力性，同时也能保证传动系统动力传递的平稳。 关键词：并联混合动力汽车：建模；控制策略；转矩动态控制；仿真 第n 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r i s i so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n ti nt h ee a r t hb e c o m ew o r s e , w h i c hh e n c ef l o u r i s ht h e i n d u s t r yo fe l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) a g a i n n l er e s e a r c h e so i lt 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 ( p h e v ) g r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f t h ee vi n d u s t r y 1 h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h eg e n e r a lk e yt e c h n o l o g i e sh a v e b e e ni n t r o d u c e di nt h ep a p e rf i r s t l y , a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h es o r to ft h ep h e v i tp o i n t e do u tt h a tt h et e c h n o l o g yo f m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nw a se s s e n t i a lt os t u d yo nt h ee v ，a n dt h ee n e r g yc o n t r o ls t r a t e g yo f p h e vw a st h ek e yw h i c ha f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t b ep h e v n es y s t e mm o d e l i n go f p h e v h a sb e e nd e t e r m i n e da st h es t u d yo b j e c to ft h i sp a p e r , a l s ot h es t r a t e g yo ft o r q u eb yd y n a m i c c o n t r o lw h i c ht o o ke f f e c td u r i n gt h ee n u l s eo f m o d es w i t c h i n go f p a r a l l e lh y b r i ds y s t e m b a s e do nt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n k ，t h em a j o rs i m u l a t i o nm o d e lo ft h e c e r t a i np h e vd y n a m i cs y s t e ma n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mh a v eb e e ne s t a b l i s h e db yt h ew a yo f d e s c r i b i n ga n dl o o k - u pt a b l e ，s u c ha st h eg a s o l i n ee n g i n e ，t h ee l e c t r i cm o t o ra n dt h eg e a r b o x ，a n d s oo n t h es t r u c t u r eo ft h em u l t i - e n e r g yp o w e r t r a l nc o n t r o ls y s t e mo ft h ep h e vh a sb e e na l s o d e t e r m i n e d i tp r o v i d e dt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rd e s i g na n dt e s t i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h ep h e v n l e t a r g e tt o r q u eo f t h ee n g i n ea n dt h ee l e c t r i cm o t o ri nt h ep a r a l l e lh y b r i dp o w e r t r a l nh a v e b e e np r e a s s i g n m e n tb yt h em e t h o do fl o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lo ns t a b l es t a t et oi n s u r et h a te n g i n e c o u l do p e r a t ei nh i g l le f f i c i e n c y t h ew o r k i n gp a t t e r no f t h eh y b r i ds y s t e ma n dt h ew o r ka t t r i b u t e o ft h ee n g i n ea n dt h ee l e c t r i cm o t o rh a v eb e e na l la n a l y z e d ，a n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h et o r q u e s h o u l db ec o n t r o l l e di nd y n a m i cs t a t e a n dt h e n , t h ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hb a s e do nt o r q u eb y d y n a m i cc o n t r o lf o rt h ep h e vh a sb e e nd e s i g n e d ，a n da l s ot h em u l t i - e n e r g yc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h ep h e vh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep h e vo n l ye x c l u d et h es t r a t e g yo ft o r q u eb yd y n a m i cc o n t r o l h a sb e e nc e r t i f i e dc o r r e c ta n dv a l i dw i t ht h en e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ( n e d c ) t h ev e h i c l e s i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e ns i m u l a t e dw i t h ( o rw i t h o u t ) t h es t r a t e g yo ft o r q u eb yd y n a m i cc o n t r o l b y5c e r t a i no p e r a t i n gc o n d i t i o n sd u r i n gt h ec o u r s eo ft h eo p e r a t i n gm o d e so fh y b r i dp o w e r t r a l n s w i t c h i n ga n d2k i n d so fw h o l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n t h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i sc o n f i r m e dt h a tt h es t r a t e g yo f t o r q u eb yd y n a m i cc o n t r o lc o u l dm a k e u s eo f t h ea d v a n t a g et h a te l e c t r i cm o t o rr e s p o n s et ot h es i g n a lo ft o r q u ed e m a n dr a p i d l yt om a k eu pf o r t h es h o r t c o m i n go ft h ee n g i n er e s p o n s et ot h es i g n ao ft o r q u ed e m a n ds l o w l y t h es t r a t e g y i n s u r e dt h a tt h et o r q u eo u t p u tb yh y b r i dp o w e r t r a i nc o u l da c c o r dw i t l lt h ed r i v e r st o r q u ed e m a n d a n dt h es t r a t e g ya l s og u a r a n t e e dt h a tt h et o r q u et r a n s m i s s i o no f h y b r i dp o w e r t r a i nw a ss t a b l e k e yw o r d s ：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 ( p h e v ) ；m o d e l i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y ；t o r q u eb y d y n a m i cc o n t r o l ；s i m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 随着全球汽车工业的发展，汽车的产销量和保有量在逐年急剧增加，这种增加导致了 地球上石油资源的日益枯竭和对人类生活环境的破坏，因此世界各国纷纷制定一系列十分 严格的排放法规，要求汽车生产厂家设法生产低油耗、少排放的汽车。但是，尽管目前内 燃机电控技术( 如燃油喷射、点火正时、怠速稳定、废气循环等的电子控制) 和三元催化等 排气净化技术的应用，使汽车的油耗和排放均降低到了前所未有的程度，能源紧张和排放 污染问题还是没有从根本上得到解决。为此，世界各国的汽车制造商都在大力研究开发新 型节能无污染的绿色汽车“芦1 。 绿色汽车主要包括燃气( 天然气、液化气) 汽车、太阳能汽车和电动汽车。燃气汽车具 有低排放的特征，但地球上天然气或液化气的拥有量仍然是有限的；太阳能汽车可实现零 排放的理想状况，但其续驶里程较短，并且太阳能电池的充电时间很长，难以在实际中得到 广泛应用；电动汽车也可实现零排放的理想状况，尽管其续驶里程目前也不是很长，蓄电池 的充电时间还不能像传统燃油汽车加油那样短，但随着蓄电池技术的发展，高比能量、比功 率的电池的相继问世和充电技术的提高，以及新型蓄电池的研究开发成功，电动汽车将是 一种最有发展前景的绿色汽车。“。 1 1 电动汽车共性关键技术 电动汽车主要包括纯电动汽车( e v ，e l e c t r i c a lv e h i c l e ) ，燃料电池电动汽车( f c e v ， f u e lc e l le l e c t r i c a lv e h i c l e ) 以及混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，h e v ) ( 以下简称混合动力汽车) 。蓄电池技术、驱动电动机及其控制技术以及多能源动力总成 控制是制约纯电动汽车以及燃料电池电动汽车广泛应用的主要因素“o 。 蓄电池的性能决定着电动汽车的性能，蓄电池的能量密度决定了电动汽车一次充电的 续驶里程，功率密度决定了电动汽车的加速性能和最高车速。车用蓄电池技术的不成熟成 为限制电动汽车产业化的主要因素。开发能够满足电动汽车使用要求的具有较高性价比的 蓄电池以及采用先进电池管理系统，优化电池使用，充分发挥现有电池的性能，并提高使 用寿命，构成了车用蓄电池的关键技术n ”。 驱动电动机是电动汽车的关键部件之一，要使电动汽车具有较好的使用性能，驱动电 动机应具有宽的调速范围以及高的转速，足够大的起动转矩，并且体积小质量轻，效率高 并且应该具有动态制动强和能量回馈的功能。由于电动汽车驱动控制要求电动机工作在恒 转矩和恒功率区问，并且保持高效率、高鲁棒性、高动态响应能力等，因此现行的工业驱 动控制系统必须加以改造以适用于电动汽车。 多能源动力总成控制系统包括对车辆行驶动力学控制、动力源能量分配管理、整车通 讯网络管理以及整车状态信息监测与故障诊断等。技术的关键主要体现在车载能量管理系 统、动力总成控制模块以及动力总成系统性能测试平台等方面。因此，多能源动力总成控 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 制系统是电动汽车的“大脑”，它指挥汽车各部件总成及整车严格按照驾驶员的操作意图 工作。多能源动力总成控制系统的核心是能量分配管理策略。能量分配管理策略的任务是 控制汽车动力系统的能量转换和传输过程，从而达到期望的系统响应。即在不损害车辆性 能和各部件寿命的前提下，均衡各部件的工作负荷，从而降低能量损失并提高燃料经济性。 能量分配管理控制策略有部件层次和整车层次之分，其中部件层次的控制策略有车载蓄电 池组管理系统、电动机控制系统和发动机控制系统等“”。 1 2 混合动力汽车特点及分类 在蓄电池技术没有取得突破性进展之前，电动汽车中的混合动力汽车成为现代汽车迸 一步发展的有效途径。混合动力汽车一般是指装有两个或两个以上动力源( 其中一个为电 动机) ，通过先进的控制系统使两种动力装置协调工作，实现最佳能量分配，达到低能耗、 低污染和高度自动化的汽车。这种汽车综合了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，并最 大限度地克服了它们的缺点。混合动力系统发挥了发动机持续工作时间长，动力性好以及 电动机无污染、低噪声的优点，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高1 0 以上，废气排放可减少3 0 以上。与传统燃油汽车以及纯电动汽车相比，混合动力汽车 具有高性能、低能耗以及低污染的特点、并且具有技术、经济及环境等方面的优势。 混合动力汽车的动力源包括各种蓄电池、太阳能电池、燃料电池、燃料发动机等。按 照联结部件的位置和动力传动方式的不同，混合动力汽车可以分为三类：串联式、并联式 以及混联式。本文所指的并联混合动力汽车特指由驱动电动机和汽油机提供驱动动力的 并联式油电混合动力电动汽车。 1 3 并联混合动力汽车特点及分类 1 3 1 并联混合动力汽车的特点 并联混合动力汽车由发动机，电动发电机或驱动电动机两大动力总成采用并联的方 式组成混合驱动系统，发动机驱动为主要驱动模式。这釉混合动力汽车连续行驶能力和动 力性能接近于内燃机汽车。它充分发挥电动机低速大转矩的特点，使得发动机避开在启动、 加速和爬坡时燃料损耗大、废气排放多的不利工况，而将发动机控制在低油耗、高效率， 低排放的转速范围内运行。并联混合动力系统能够实现发动机驱动模式、纯电动模式以及 发动机电动机联合驱动三种驱动模式。此外，在特定情况下混合动力系统还可以实现驱 动状态下的行车充电模式以及减速制动状态下的再生制动模式，进一步降低了汽车的能量 消耗。由于并联混合动力系统中的两大动力源的动力可以叠加，因此混合动力系统中的发 动机、驱动电动机的最大功率可以是混合动力系统最大驱动功率的0 5 1 倍，这样使得发 动机和电动机的尺寸较同级别传统动力系统中的动力源尺寸小，质量轻“”。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 i 3 2 并联混合动力汽车的分类 并联混合动力汽车是将发动机和蓄电池组加入到传动系中，辅助传动系加速和回收制 动能，这种布置方式在降低油耗方面优势明显。根据并联混合动力系统中电动机输出动力 与汽车驱动系统的组合位置的不同，并联混合动力传动系统可分为单轴联合式、双轴联合 式和单驱动系联合式等3 种基本的形式“4 州，如图l ，l 所示。 ( a ) 单轴联合式 ( b ) 双轴联合式 ( c ) 单驱动系联合式 图1 1 并联混合动力汽车驱动系统类型 在图1 1 ( a ) 中，电动机输出的动力与发动机输出的动力在发动机输出轴处进行叠加， 然后通过离合器、齿轮箱( 变速器和主减速器) 、差速器等组成的传统驱动系统带动驱动 轮运转。在这种并联布置方式中，齿轮箱的输入轴为单轴，系统的结构紧凑，因此整个系 统运行效率较高。 在图1 1 ( b ) 中，电动机输出的动力与发动机输出的动力在变速器或驱动桥处进行叠 加，然后通过主减速器、差速器等相应传统驱动系统带动驱动轮运转。在这种并联布置方 式中，齿轮箱具有两个或多个输入轴。 在图1 1 ( c ) 中，电动机输出的动力通过减速器独立的驱动汽车的前( 或后) 驱动轮， 发动机输出的动力经过离合器、齿轮箱、差速器等组成的传统驱动系统带动后( 或前) 驱 动轮运转。并联混合动力系统工作于联合驱动模式时，发动机和电动机共同组成4 轮驱动 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 模式。 此外，根据对混合动力源中发动机和电动机输出的机械动能的合成方式不同，并联混 合动力驱动系统还可分成转矩合成式、转速合成式、牵引力合成式等3 种。其中，单驱动 系联合式属于牵引力合成式，而单轴合成式和双轴合成式均是具有转矩合成式和转速合成 式的典型结构 1 4 并联混合动力汽车建模及仿真技术 i 4 1 并联混合动力汽车建模及仿真技术的重要性 并联混合动力汽车较传统车型庞大而复杂，各部件的物力特性和工作方式各异，且存 在大量非线性环节和时变环节，只有建立各部件的模型才可能较精确的描述整个系统的特 性和行为。通过系统仿真，可以在设计初始阶段快速分析整车系统的有关特性，提供动力 系统详细的仿真和分析结果，优化和匹配各部件及其参数，考察能量管理策略的有效性和 正确性，为车辆的后续设计和开发提供依据。建模与仿真技术在并联混合动力汽车研究开 发中的重要性主要体现在n ”：并联混合动力汽车系统各部件间的相互作用频繁而复杂， 只有通过建模仿真才能定量分析其对整车系统性能的影响。动力部件的性能参数对于保 证动力性能等优化设计目标直观重要。由于参数较多，各参数的匹配与优化方法也不尽相 同，使用传统的计算方法或者通过大量试验来测定这些参数代价太大且操作困难。使用仿 真技术，可以在保证系统级设计目标的前提下，提高参数匹配的速度与准确性。并联混 合动力汽车能量管理策略较多，对其进行优化是要解决的核心问题。依靠大量试验来测试 比较各种控制策略的实际效果代价极大且不可行，系统仿真可以以极小代价有效的解决这 一问题。 1 4 2 并联混合动力汽车仿真方法分类 并联混合动力汽车仿真模型按功率流方向一般可分为两种：前向仿真和后向仿真隗2 ”， 其仿真流程如图1 2 所示。 一一匡| 母一 l ( a ) 前向仿真流程 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 ( b ) 后向仿真沅程 图1 2 并联混合动力汽车前后向仿真流程 从图1 2 可以看出，前后向仿真结构最大的不同在于驾驶员模型的存在与否。前向 仿真结构中有驾驶员模型，作用是根据循环工况的需求车速与仿真实际所得车速实时调整 加速制动踏板，从而使得车辆控制器能够按照驾驶员意图进行能量管理。驾驶员对踏板 的调整通常以转矩的方式体现出来。控制器按照驾驶员转矩需求计算出动力源应该处于的 工作状态及应该提供的转矩，从而实现对整车的控制。整个仿真系统中控制信号与功率流 完全按照实车相同的传递路线进行传递。汽车前向仿真用软件中最具有代表性的是美国 a r g o n n e 国家实验室开发的p s a t 。 后向仿真模型不考虑驾驶员的意图。后向仿真从系统的需求出发，先假定车辆能够按 照制定的循环工况行驶，通过仿真计算得到为了满足循环工况的要求，车辆各个部件应该 处于的状态，以此作为车辆性能分析的依据。在这种结构中，车辆行驶所需的驱动转矩按 照循环工况要求的车速进行每一时间步长的实时计算，并沿着与实际转矩传递的路线相反 的方向进行传递。控制器根据能量管理策略，将传动部件传送的整车需求功率进行分配后， 以需求值的形式传递给各个动力源，从而实现控制。美国能源部可再生能源实验室的汽车 仿真软件a d v i s o r 即以后向仿真为主。 1 5 并联混合动力汽车控制策略 1 5 1 并联混合动力汽车控制策略研究对象 并联混合动力汽车多能量源的特点决定了系统的复杂性，同时也决定了各能量源及整 车控制策略的重要性。并联混合动力汽车整车层次的控制策略主要包括功率分配、速比控 制及减速制动能量回馈策略“”。 并联混合动力汽车整车层次的控制策略使得汽车各能量源能够协调工作。因此整车层 次的控制策略的制定是并联混合动力汽车开发的核心，其中功率分配策略又是整车控制策 略的核心，它直接影响到能量在汽车内部的流动和整车性能。 并联混合动力系统的控制策略一般研究两类问题1 ：( 1 ) 稳态或动态过程中多个动力源 的能量分配和效率优化问题，这类问题的研究较为广泛。( 2 ) 动态过程中多个动力源的相互 配合协调工作，这类问题研究较少。由于并联混合动力汽车在运行中因驾驶员的操作要求， 会不断切换工作模式。在当前模式与目标模式之间转换时，发动机与电动机输出的转矩的 叠加可能会产生突变，这样将导致经汽车传动系统而作用在驱动轮上的驱动转矩产生突 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 变，从而可能影响并联混合动力汽车的动力性和舒适性。对于并联混合动力汽车，很有必 要对混合动力系统中发动机、电动机输出转矩进行有效的动态控制，这方面的研究即为控 制策略第二类问题的研究。 1 5 2 转矩动态控制研究的现状 目前，虽然对并联混合动力汽车的研究较多，但都主要集中在并联混合动力系统稳态 或动态过程中多个动力源的能量分配和效率优化方面。“，对控制策略中涉及混合动力系 统工作模式切换过程中的转矩动态控制的研究较少在国外，美国西南研究院对并联混合 动力系统中的转矩动态协调控制问题进行了研究。a n e d u n g a d i 等人针对等速工况下状态 切换对并联混合动力汽车驾驶性能的影响进行了研究，指出了动态协调控制的目标，但是 没有透露具体的动态协调控制方法及其改进方向嘲。日本丰田汽车公司生产的具有混联式 混合动力系统特征的丰田混合动力系统利用其特有的动力分配机构很好的解决了这一问 题，但该项技术的应用没有普遍性。在国内，黄妙华等人从电动汽车实车工作过程出发， 将转矩量作为整车能量管理的落脚点，提出了基于需求转矩分配的能量管理策略啪一。该策 略以发动机稳态状态下的燃油消耗率特性图为基础，根据驾驶员在汽车运行过程中所需转 矩，对驱动装置进行合理、实时并有效地工作转矩分配，从而实现循环工况始末，蓄电池组 的s o t ? ( s t a t eo fc h a r g e ) 基本保持平衡，发动机燃油消耗较低的控制目标。该文没有对 转矩传递的平稳性进行研究，只是指出了以转矩作为控制量，会使驱动装置的工作转矩出 现振荡，对汽车平稳性有影响。童毅在其博士论文中提出发动机与电动机转矩的“动态协 调控制”问题，并展开了较深入的研究嘲。该控制算法提出对发动机输出转矩的变化率进 行控制，在实际中不易实现，但对本文的研究具有一定借鉴作用。 随着并联混合动力汽车技术研究的不断发展和实际产品逐步推向市场，并联混合动力 汽车转矩动态控制这项研究将逐渐显示出其重要性，受重视的程度也将不断加强。研究得 越深入，理论也必将更加完善。与此同时，并联混合动力汽车转矩动态控制的研究作为混 合动力汽车关键技术之一，也会推动混合动力汽车的进一步发展和实际应用。 1 6 本文的研究内容及研究方法 h 本文的研究内容 本文的研究内容分为以下两大部分： ( 1 ) 并联混合动力汽车整车仿真模型的建立是仿真验证所设计的控制策略的基础。本 文首先将对某款并联混合动力汽车的实际部件选型，建立动力及传动系统相应的仿真用模 型。 ( 2 ) 并联混合动力系统转矩预分配策略是转矩动态控锖4 研究的基础。在预先确定发动 机和电动机目标转矩的基础上，建立并联混合动力系统工作模式切换过程中的转矩动态控 制策略，最终完成整车仿真模型的建立，并仿真验证。 本文的研究方法 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 本文采用“理论分析功能设计与仿真验证”的研究方法。通过对并联混合动力汽 车动力传动系统中的发动机、电动机、变速器等重要总成特性的分析，建立相应的仿真用 模型；通过对发动机、电动机对各自操控指令响应特性的分析，建立混合动力系统工作模 式切换过程中以转矩动态控制为核心的整车控制策略。在两者基础之上，建立并联混合动 力汽车整车仿真模型，完成理论分析和功能设计再以整车仿真模型为平台，在不同工况 下完成对所建整车仿真模型和所设计的混合动力系统工作模式切换过程中转矩动态控制 策略的仿真验证，得出相关结论。 1 7 本文的结构 本文分为以下几个部分： 第一章为绪论部分，介绍了电动汽车包括并联混合动力汽车的特点及其关键技术。指 出建模仿真技术在并联混合动力汽车研究中的重要性，阐述整车控制策略的关键性。确定 论文研究的对象。 第二章对并联混合动力汽车动力及传动系统中各主要部件总成性能进行分析，建立相 应仿真模型。确定多能源动力总成控制系统结构。 第三章论述并联混合动力系统转矩管理策略，初步分配发动机、电动机的目标转矩。 第四章分析汽油机及电动机转矩响应特性，建立并联混合动力系统转矩动态控制策 略，最终确定发动机、电动机在混合动力系统工作模式切换时的目标转矩，完成整车仿真 模型的建立。 第五章在新欧洲驾驶循环工况完成除转矩动态控制策略的整车仿真模型的仿真验证，。 在定工况及全工况完成基于转矩动态控制策略的整车控制策略的仿真验证。 第六章对本文的研究进行总结，得出相应结论，并指出论文研究的不足及其完善的方 向。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第= 章并联混合动力汽车系统建模 并联混合动力汽车中存在着大量非线性环节，不可能直接通过建立原型进行大量实车 试验，来比较评价设计方案。因为这样做将耗费大量的人力、物力及财力，并且还会使得 设计开发周期延长。因此，在并联混合动力汽车的前期理论研发中，必须引入计算机仿真 技术，以此进行混合动力系统动态模拟。这种仿真模拟的前提是对并联混合动力源系统、 传动系统、制动系统、整车控制系统等依据其特性，建立相应的数学模型，然后在仿真软 件平台上，建立整车系统的仿真模型。 2 1 并联混合动力汽车仿真方法 仿真方法决定仿真模型的建立，仿真模型的建立因所选的仿真方法而异。前后向仿 真方法在仿真精度及仿真时间方面存在差异。由于前向仿真结构中存在相关传动部件的动 态变化过程的计算，因而对积分运算有较高要求。前向仿真时通常采用高阶的解算器进行 积分运算，例如四阶龙格一库塔公式，以提高仿真的精度。由此所对应的仿真步长较小， 一般取0 0 1 秒，因而仿真速度慢。同时导致计算过程中需要保存的数据量较大，这就要 求计算机有较强的存储能力。后向仿真则不同。后向仿真模型中大量采用数据表的形式， 这样车辆系统就建立在一种准静态基础之上。不考虑传动系统实际的瞬态变化过程，因此 大大降低了对积分运算的要求，从而对于解算器的要求较低。后向仿真计算步长可以较大， 一般为1 秒，因此仿真速度较快，对计算机的存储能力要求也较低。 鉴于各自的特点，前、后向仿真模式的实际应用不尽相同。前向仿真一般用于对已选 定的部件进行详细设计及动态仿真，在寻求并优化与之相匹配的整车控制策略的原则指导 下，适当改进相应的设计参数，以达到整车性能满足设计要求的目的。后向仿真一般用于 初期的系统预估，对所需开发的电动汽车整车结构及相应控制策略作初步的筛选与评估。 本文采用前向仿真的结构，有关部件速度后向反馈的方法，利用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 建立并联混合动力汽车的整车仿真模型，为后面设计分析整车控制策略提供平台。 2 2 并联混合动力汽车结构及主要部件技术参数 本文研究的并联混合动力传动系统主要包括发动机、蓄电池组、电动机、离合器、变 速器、主减速器、驱动桥以及驱动轮等子系统，此外还包括机械附件及电气附件。 按照驱动电动机接入部位的不同，并联混合动力汽车的结构型式可分为4 种：电动 机置于主减速器和驱动轮之间，直接驱动车轮行驶。电动机置于变速器和主减速器之间。 电动机置于离合器和变速器之间。电动机置于发动机和离合器之间。这里按照第三种 方式布置动力传动系统，这种布置可以使电动机的动力经过变速器，达到充分利用变速器 速比的优点。该系统各主要部件连接关系如图2 1 所示，汽车主要部件的技术参数如表2 1 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 所示。 转 矩 耦 合 器 图2 1 并联混合动力汽车结构 表2 1 并联混合动力汽车主要部件技术参数 2 3 并联混合动力系统仿真模型的建立 2 3 1 发动机模型的建立 发动机是并联混合动力汽车的主要动力源，模型的准确性对混合动力汽车的整车性能 有着很大的影响。由于发动机特性的高度非线性，因此发动机真实模型很复杂。目前发动 机的仿真模型一般分为基于数学模型的描述法以及基于数据的查表法。前者是通过流体力 学、动力学、热力学及化学等对发动机的进气、喷油、燃烧及冷却等过程进行详细的数学 描述。这种方法虽然能对发动机的瞬态进行准确的预测，但由于很多相关数据很难获得， 且模型较慢的运算速度也不适合仿真的要求。查表法是在数据表格中直接存入实际测得的 试验数据。仿真需要某点运行数据时直接在有关表格中查取，这种方法计算简单并且能够 较好满足仿真精度要求。 本文运用奥地利a v l 公司的p u m a0 p e l l 试验台架上测得某型汽油机稳、动态试验数据， 通过对数据进行处理分析，得到了该发动机的有关稳态及动态特性，在此基础上完成了发 动机仿真模型的建立。其中，稳态试验数据的获得是根据实际需要，选取发动机输出转矩、 燃油消耗率、功率作为测试量，发动机起始节气门开度为1 0 ，保持该节气门开度，在一 定发动机转速范围内测得发动机输出转矩、燃油消耗率、功率、水温及油温等参数变化的 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 数据。以1 0 的节气门开度为增量，增加发动机节气门开度直至1 0 0 ，采集得到各个设 定节气门牙度下，一定转速范围内的共1 0 组发动机有关参数数据。发动机动态试验数据 的采集是在一定测试时间内保持发动机转速一定，通过增减节气门开度得到该时间段内与 节气门开度对应的发动机转矩的数值。图2 2 反映了稳态时发动机转矩、燃油消耗率、功 率以及效率随节气门开度和转速变化的情况，图2 3 反映了动态时发动机节气门开度变化 率分别为2 5 时，与节气门开度、转速对应的发动机输出转矩变化情况。 图2 2 稳态时发动机转矩燃油消耗率功率效率随节气门开度和转速变化情况 8 ) 节气门开度变化率2 5 时( b ) 节气门开度变化率- 2 5 时 图2 3 节气门开度变化率分别为2 5 时，与节气门开度转速对应的发动机转矩变化情况 本文采用数学模型描述法和数据查表法相结合的方法建立汽油机仿真模型。在该模型 中，输入为发动机开关状态指令、油门开度、机械附件转速以及起动机转矩等。输出为发 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 动机转速、转矩以及等效转动惯量等参数。 h 发动机输出的转矩 = f ( o ，百d o ，吐) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，p 发动机节气门开度；q 发动机曲轴角速度，r a d j 。 发动机的瞬时状态，按照节气门开度的变化率宰分为以下两种情况： i 稳态：此时j - - d oi 0 2 5 ，即当节气门开度变化率l 霉i 在2 5 s - t 以内时，认为发 a ta t 动机处于稳态5 2 动态：此时o 2 5 q _ d g 喀2 ，即当节气门开度变化率l 粤i 在2 5 s - 到2 0 0 s - t a t讲 区间时，认为发动机处于动态。且认为发动机节气门开度变化率i 粤l 2 0 0 s - l 。 发动机热模型 发动机热模型主要反应发动机损耗热能瓯，损耗热能按照下式计算： 瓯= 幺一 ( 2 2 ) 蜴= j 7 志面 ( 2 吲 = 睁( 2 - - 4 ) 式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 中，蜴燃料消耗所产生的全部热量，u ；阡，哪发动机 的有效功，材；卜一与发动机转速及转矩对应的燃料热值，k 1 堙。该值查表求取；b 发动机每秒耗油量，g ，一。 发动机效率叩 发动机效率按照下式计算： 栌痞 q _ 式( 2 5 ) 中，发动机功率，k w ；6 f 发动机有效燃油消耗率，g ( 七矿矗) 一： 蚝汽油低热值，为4 4 材g 一。 锄发动机排放模型 发动机排放包括碳氢化合物h c 、碳氧化合物c o 、氮氧化合物n o 。及颗粒物p m 等。在 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 所建模型中，各种排放的瞬时值通过查表取得，表内为实测数据。模型的输入变量是发动 机瞬时转矩和转速，查表输出各排放值。发动机排放模型如图2 。4 所示。 p 图2 4 发动机瞬时捧放模型 综合以上分析，建立仿真用发动机模型如图2 5 所示。 图2 5 汽油机仿真模型 2 3 2 电动机模型的建立 与发动机建模方法相似，根据在p u m ao p e n 试验台架上实测的有关试验数据，采用数 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 学模型描述法和数据查表法相结合的方法，建立仿真用电动机模型。图2 6 反映了电动机 处于驱动状态时，输出转矩、功率、电流以及效率随电子油门开度和转速变化的情况。 图2 6 驱动时，电动机转矩功率电流效率随电子油门开度和转速变化情况 本文并联混合动力汽车用电动机为交流电动机，该电动机可以工作于驱动状态，以提 供驱动转矩，且还能工作于发电状态，向蓄电池组提供充电电流。当交流电动机处于发电 状态时，电动机为克服电磁场的作用而产生大小相等方向相反的转矩及电流。所建仿真模 型中将电动机及其控制器一体考虑。建立的电动机仿真模型如图2 7 所示。 - 晴_ 喇p m刊 协 峒一 r r 瞳p n 州pr m _ i wm i 旧 n i n _日i n m m 帆i l p h j 目 图2 7 电动机仿真模型 该模型主要由二大部分组成：电动机最值模块和电动机在当前状态下提供的转矩工 作电流计算模块。整个电动机模型输入为电动机电子油门指令以及电动机角速度，输出为 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 电动机当前提供的转矩、等效转动惯量及其工作电流。同时，根据需要在该模块中还可以 得到当前状态下的电动机输出功率及效率。 在最值模块中，当前状态下电动机最大驱动( 或最大发电) 转矩、最大驱动( 或最大 发电) 功率以及最大驱动( 或最大发电) 电流，均是在电动机电子油门开度为1 0 0 或一1 0 0 时的相应值。 当电子油门大于0 时，电动机工作于驱动状态； 当电子油门小于0 时，电动机工作于发电状态。 电动机工作状态的判断依据表2 2 。 表2 2 电动机当前工作状态的确定 电动机电子油门开度电动机工作状态 = 0 驱动 2 3 3 蓄电池组模型的建立 蓄电池组模型包括三个主要子模块：电池组温度计算模块、电池组$ 0 c 值计算模块及 电池组电压计算模块。蓄电池组模型输入为电力附件需求电流，输出为电池组端电压。 在电池温度计算模块中，电池温度按照下式计算 = 睁( 2 - - 6 ) 其中， = 伍：乏一。咱 ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 中，q k 电池组放充电状态时，内阻热量损失，：j 。一 一电池组放充电电流，a ；l 么电池组端电压，矿；电池组充电系数。q 0 一 电池组传递到箱体的热量，j ；电池组质量，船：c 聊电池比热容， j ( k g k ) ；屯电池组电阻，q 。 电池组s o c 值按下式计算 舳c ：塾型二盘竺。吲 q 。( 7 ) 式( 2 - 8 ) 中，q 0 蓄电池组最大总电量，爿 。该值受电池组温度影响。 $ o c 计算子模块如图2 8 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 图2 8 电池组s d c 计算子模块 蓄电池组端电压：吒= ( 一l ，埘) ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中，l 跚单体电池个数：占。单体电池电动势，矿；，o 单体电 池内阻，o 。占o ，么受电池组温度和s 值影响，可通过试验数据查表获得。 根据以上数学关系式建立蓄电池组仿真模型，如图2 9 所示。 图2 9 蓄电池组仿真模型 2 4 传动系统特性分析及仿真模型的建立 2 4 i 离合器模型的建立 离合器在并联混合动力汽车传动系统中的作用是使发动机与传动系逐渐结合，保证发 动机输出的动力平稳地传入传动系，并在此过程中限制转矩的传递，防止过载。同时，在 换档对切断发动机动力传递，保证换档平稳。离合器的工作状态可分为锁止和非锁止两种 状态。 ( 一) 离合器锁止状态 在该状态中，离合器主、从动盘已经结合并锁止。此时离合器输出转矩、转速分别与 输入转矩、转速相同，输出轴上等效转动惯量等于离合器自身整体转动惯量与等效输入转 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 动惯量之和。 圆离合器非锁止状态 来自于变速器过渡模块的离合器控制指令表示离合器当前结合状态，取值区间为 0 ， 1 ，其中1 表示离合器处于锁止状态，0 表示完全分离，0 和1 之间的值则表示离合器主 从动盘结合的程度。离合器完全分离时不能传递转矩。 ”l _ 1 图2 1 0 未锓止时，离合器有关参数的计算 图2 ，1 1 离合器仿真模塑 当处于不完全锁止状态时，离合器输出转矩为主从动盘间的摩擦转矩，输出转动惯量 与锁止的程度成正比。这里为适应整车仿真模型中角速度后向反馈计算的模式，将部件输 出角速度作为本模型的输入参数，而将部件输入角速度作为本模型的输出参数。因此，输 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 出角速度在离合器模块中为已知量，离合器输入角速度为未知量，且输入角速度采用角加 速度对时间积分的方法锝到1 。未锁止时离合器输出转矩、转动惯量及输入转速的计算如 图2 1 0 所示。离合器仿真模型如图2 1 1 所示。 2 4 2 变速器模型的建立 变速器在并联混合动力汽车的动力传动系统中占有重要位置，它以改变传动比来满足 汽车不同行驶条件下对牵引力的需求，此外实现倒车行驶和中断动力的传递。本文并联混 合动力传动系统中的变速器是在法国p s 集团与雷诺公司共同开发的a l 4 自动变速箱的基 础上，拆除了自动交速器中的液力变矩器。该变速器共有4 个前进档和一个倒档。 这里通过建立基于实时控制应用为目的的动力学模型得到变速器仿真模型。 图2 1 2 是a l 4 变速器传动机构的结构简图。图中e 1 、e 2 为片式离合器；f 1 为片式制 动器；f 2 和f 3 均为带式制动器：p s l 、p s 2 分别为第一、二组行