混合动力汽车模型中传动系建模与仿真

1、!""#$""前向式混合动力汽车模型中传动系建模与仿真!童毅欧阳明高(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京$"""%&摘要根据传动系中两个非线性环节离合器和变速器的状态,在(*(+/,-./*-01和(*(+/,(23*45平台上建立了包含四种状态的传动系模型,并以加速踏板行程和制动踏板行程为输入量对传动系模型进行了仿真计算。仿真结果表明,该模型既可以保持内燃机转速、电机转速和车速的连续变化,又可以模拟出离合器和变速器的动作,可以在前向式混合动力汽车模型中得到应用。叙词:混合动力汽车,传动系,建模与仿真462

2、*-07(06,-./*(-404389-:29(-0-0;495(96<=+9-6>*2?9-?2A-?*2462*!"#$%&(*+#$,&#$+"!"#$%&($#*+,"#-.,/-(-+0+.1(23,(-3,.345-363-#*+/(4+-.($78$+,%.,9+#:#$%$"""%&-./01+20B?496-074A2C(/C4354040*-02(92*2.20C,?*/?A(069(0C.-C C-40,(&D.46269-:2D 9(-0.462*

3、-C2C(+*-C A2640A2E*(349.C43(*(+/,-./*-01(06(*(+/,(23*45FG A2C-./*(-40-C E29D 349.265-AA2(?2*29(49E26(*C9412(06+9(12E26(*C9412(C-0E/C FG A292C/*C C A45A(A2.462*-C?(D E(+*2430440*=.(-0(-0-07?40-0/4/C:(9-(-40C43207-02C E226,.449C E226(06:2A-?*2C E226,+/(*C4-.-D (-07A24E29(-4043+4A?*/?A(069(0C.-C C-40FG

4、 A2923492A269-:29(-0.462*E92C2026-0A2E(E29?(0 +2(E E*-264A23495(96<>.462*F34*5"16/:7*.1&6484201&294:&284,;1&9401+&#,"648&#$+#6/&<8+0&"#$前言混合动力汽车动力中存在较多非线性环节,且各部件之间相互作用复杂。如果通过建立原型和大量试验来比较设计方案和测试各种控制策略的实际效果,需要消耗大量的时间和物力。因此,在不同结构形式$的混合动力汽车性能比较和同一结

5、构形式的混合动力汽车控制策略比较等方面,较多地采用了系统建模和仿真的方法。目前,在混合动力汽车建模上几乎无一例外地采用图形化软件,且较多以(*(+"J/,-./*-01"J软件为建模与仿真技术平台。有些直接在该平台上建立模型!,#,有些利用该平台进行二次开发,获得界面友好的适合混合动力汽车建模与仿真的专用技术平台&,I。根据仿真中信息流动的方向不同,混合动力汽车建模与仿真技术可分为后向式建模与仿真和前向式建模与仿真两种H。后向式建模与仿真从系统的需求出发,通过仿真得到为满足车速要求,动力系统各部件必须提供和可以得到的扭矩、转速、功率等,仿真信息沿轮胎、变速器,到电机

6、和内燃机等。后向式建模与仿真不考虑驾驶员的意图以及动力系统(尤其是离合器和变速器的动态过程,计算步长较大(一般为$C,计算速度快,可以通过反复计算以达到系统最高性能,适用于混合动力汽车性能的预估和评价。前向式建模与仿真的输入一般为驾驶员的各种操作,例如加速踏板位置和制动踏板位置的变化,仿真信息沿按功率的传递方向从内燃机、电机到变速器以及车轮。前向式建模与仿真必须考虑!""#年(第!I卷第I期汽车工程B/4.4-:2>07-0229-07!""#(4*K!IL4K I包括离合器和变速器等非线性环节在内的传动系动态过程,和实际系统的真实运行情况更为接近

7、,其模型相对复杂,计算时间也要长,主要面向实际控制算法的开发。文中研究的重点是前向式混合动力汽车模型中的传动系模型,充分考虑传动系中的非线性环节离合器和变速器对前向式模型的影响,在!"#$ %"&/(*%(+,和!"#%"&/#"#-.%/0平台上建立了传动系模型,并最终在仿真过程中验证了该模型的可行性。1混合动力汽车传动系动态过程分析进行传动系建模的并联式混合动力汽车结构图如图2所示。传动系的主要特征是采用了自动手动变速器(3!4,内燃机和电机位于3!4离合器的两侧,由离合器的接合与分离控制内燃机(内燃机起动由56完成 是否参

8、与对车辆的驱动。传动系动态过程的四种组合状态变速器空挡变速器在挡离合器未接合!2!1离合器接合!7!8!"!传动系转动惯量的分布及简化从图2看出,整车传动系共包括56、内燃机、离合器、电机、变速器、车轮和车身共个部分的转合状态,作如下简化:(2忽略56的转动惯量;(1忽略变速器速比的影响,将变速器转动惯量简化为两部分,即变速器输入端的转动惯量!"#和变速器输出端的转动惯量!"$ ;(7将车身惯量折合至车轮,得到等效转动惯 量为%&1。期!"#$为!"#输出扭矩。($离合器后变速器前动态方程%&%!/%(!*&(!+(*变

9、速器后动态方程%&(,%!(,/%(*!-./"+(,式中!-.为车轮处的负载扭矩,主要包括空气阻力,摩擦阻力和坡道阻力等。$-*-$.$状态动态方程(/离合器前动态方程同式(0。($离合器后动态方程为%-%!/%(!*!-./("$"+*&(!+(/+$-*-*.*状态动态方程(/变速器前动态方程%/%!/%(!/"0!*!/.(/($变速器后动态方程同式(,。$-*-111状态动态方程整车动态方程%2%!/%(!/"0!*!/.*!-./("$"+(/$!"#离合器和变速器状态判断如前所述,1/

10、"11状态划分的依据是离合器和变速器的状态,在传动系模型运行过程中,当前时刻仅有一个状态是有效的,模型处于何种状态是由离合器和变速器状态决定的。忽略变速器脱挡和挂挡的时间,认为脱挡和挂挡时间是瞬间完成的,则变速器的状态就划分为两个离散的状态:空挡和在挡。离合器的状态判断相对复杂。当离合器接合时,要保持离合器不滑移,此时的离合器摩擦力矩的绝对值(与方向无关必须小于离合器最大的静态摩擦力矩!+234#。令离合器发生滑移时的离合器的临界摩擦力矩为!+,变速器空挡时,3!+3%&%&0%&/%&/%&!0!/.*!/"(/*变速器在挡时,3!

11、+3%-%2%&/%-!0!/.*%&/%-!-.*!/"(/1当3!+3"!+234#,离合器开始滑移,进入未接合状态;当3!+3#!+234#且3!*!/3#!+(!+为离合器接合时主从动片的转速差,离合器回到接合状态;当离合器完全分离后,!+。*传动系建模与仿真系统的特征,因此变速器模型是在处理离散事件能力较强的.35637/"535896:;平台上建立的;其他部件(包括离合器的滑移过程都具有连续时间系统的特征,因此在.35637/"<2=6<(>平台上搭建模型。$"%传动系建模图*是在.35637/&q

12、uot;535896:;平台上搭建的变速器模型的示意图。变速器共分为前进挡、空挡和倒挡三种状态,其中前进挡又分成/挡"1挡四种子状态,在变速器换挡策略的各种指令挂前进挡、挂高挡、挂抵挡、挂倒挡和挂空挡的控制下,变速器进入相应状态。图*在.35637/"535896:;平台上搭建的变速器模型示意图图1是在.35637/"<2=6<(>平台上搭建的传动系模型的示意图。整个传动系共分成./".1四种状态,每个状态的输入量和输出量是完全一致的。模型运行过程中借鉴了数字电路中的片选技术,根据状态选择信号激活./".1中的一种状态,同时,

13、其他状态被禁止运行,模型的输入量仅对该状态有效,同时,输出端多位选择开关也只选通该状态的输出量。$"!各状态初始运行条件的确定当离合器或变速器状态发生变化,传动系模型将会在./".1四种状态中切换,某状态从被禁止运行到被激活时,为保持模型输出量(内燃机转速图在/平台上/$1$+*年(第$?卷第?期汽车工 程!、电机转速!"和变速器输出轴转速!#$的连续变化,必须重置该状态的初始运行条件。从!"#传动系动态方程的描述中可以看出,表征$%!$&的动态方程的个数的微分环节数是不相同的,因此必须选择前续状态的某个输出量的最终值重置当前被激活状态的初始值。

14、表!是$%!$!是初始运行条件表,其中带下标数字%(%&%,!,#,&的输出量表示该输出量在前续%状态中的最终值。!"!传动系模型仿真文中建立的传动系模型是面向前向式混合动力汽车模型,因此在进行传动系模型仿真时是以驾驶员的操作加速踏板行程和制动踏板行程作为整个前向式混合动力汽车模型的输入。图是电动运行模式下传动系模型的仿真结果。从图(和图(可以看出:"纯电动驱动模式下,当加速踏板行程超过某限值后,由于没有内燃机扭矩的辅助作用,电机扭矩达到最大值;#在需要图电动运行模式,给定加速踏板行程和换挡操作时,电机扭矩迅速降为*。换挡结束后,电机扭矩恢复到换挡前的状态;

15、$当驾驶员踩下制动踏板后,进入制动能量回馈工作过程,电机扭矩为负值,电机以发电机状态运行。同样,换挡操作时,电表#$ $!$ %初始运行条件列表激活状态前续状态置位初始条件!"!#$ $%$!$#$&$!"!"!/(!$#!"#!"#!#$#$&!"&!"&!"&/(&$%!%!#$%($#!"#!#$#($&!"&!"&$%!"%!#$%$!"!"!/(!$&!"&

16、amp;!"&/(&$%!#$%($!"!$#!#$#(期机扭矩也经历先迅速降为!再恢复的过程。图"(#显示了当离合器或变速器状态发生改变时,传动系状态的变化轨迹。由于只有电机运行,离合器从最初的接合变为未接合后就保持不变了,因此传动系状态除了最初处于$%状态之外,只在$&和$之间切换。从图"(显示了汽车起步、$*升挡、降挡和制动过程中电机转速和车速连续变化的曲线。图+是在与图"同样的加速踏板和制动踏板行程为输入的情况下,内燃机参与工作后的传动系模型的仿真结果。图+(,、图+(-与图"(,和图" (-

17、对比可以看出:!由于内燃机参与工作,电机扭矩没有达到最大值;"在需要换挡操作时,仍然需要同时切断电机和内燃机的动力,但在换挡结束后,电机与内燃机需要协调工作,保持两者扭矩之和恢复到换挡前的状态;#电机以发电机状态运行时的换挡过程与电动运行模式类似。图+(#同样显示了当离合器或变速器状态发生改变时,传动系状态在$&$.之间进行切换的轨迹。由于内燃机参与工作,换挡过程必须涉及离合器的分离和接合过程,如前文所述,离合器的打滑和分离都视为未接合,因此,换挡过程中离合器未接合的持续时间比空挡持续时间要长。此外,从图+(的内燃机转速变化曲线还可以看出内燃机的起动和停机过程,内燃机起动后离

18、合器逐渐接合,内燃机停机后离合器迅速分离,因此图+(#的离合器状态变化轨迹上还有相应的离合器接合和未接合状态。图+(显示了汽车起步、内燃机起动、$*升挡和降挡、内燃机停机和制动过程中内燃机转速、电机转速和车速连续变化的曲线。.结论根据离合器和变速器的状态将前向式混合动力汽车中传动系的模型划分成$&$.四种状态,在$,/0,-/12340256和$,/0,-/1/,/7809:平台上建立了传动系的模型,并确定了各种状态的初始运行条件。以给定的加速踏板行程和制动踏板行程作为前向式混合动力汽车模型的输入,在电动运行模式及内燃机和电机共同运行模式两种情况下对传动系模型进行了仿真计算。仿真结果表

19、明,传动系模型能够保持内燃机转速、电机转速和车速的连续变化,并模拟出内燃机起动和停机,$*升挡和降挡等过程中离合器接合和分离,变速器挂挡和脱挡的过程,可以在面向控制算法开发的前向式混合动力汽车模型中得到较好的应用。参考文献&<,5;=*<71/,/798/<7>/98?07#/>2#,5(A->2(B7<2#07C,D>9#77(25E C98/<7F?,!,G!(H,5E H25E025,D,>/75$,I7>E J,7/,0=$9(7025E,5(;95/>9098, A->2(?07#/>2#B7<2#07=D>9#"5(F?B7<2#40,>*7#<5909E A ;9587>75#7"=!,!G"K&!%I90