双动力轿车工作模式切换控制仿真分析

双动力轿车工作模式切换控制仿真分析

0混合动力工作模式动态特性在实际的研发过程中，混合动力车辆运营模式转变的动态过程的控制变得越来越重要。如果控制不当，车辆动力中断或输出畸变会发生变化，从而影响整个车辆的运动和平整度。目前国内外关于混合动力汽车工作模式切换动态过程研究较多,但均未对离合器接合的动态过程进行具体控制,且研究重点在驱动模式切换过程的控制,对制动相关的模式切换过程研究较少。本文通过对一种新型重度混合动力系统构成和工作模式进行分析,结合发动机效率与电机扭矩划分了工作模式区域。制定了限力矩离合器接合油压的模糊控制策略,研究了驱动模式及制动相关模式切换过程的扭矩协调控制策略并进行仿真分析,以实现模式切换过程动力传递平稳与乘坐舒适。1系统组成和运行模式1.1减少系统压力中断某强混合动力系统的结构方案如图1所示。发动机与电机之间通过单向离合器与限力矩离合器相连。限力矩离合器保证了电机起动发动机过程的平稳性和可控性,而且电机在此时能有足够的输出动力,整个系统未出现动力中断或不足。单向离合器保证发动机起动完成后,发动机转速不高于电机转速,实现发动机动力传递。当限力矩离合器断开时,行车需求的动力可由电机单独驱动。在限力矩离合器接合过程中,驱动电机同时完成驱动车辆行驶和起动发动机2个过程,电机所提供的起动发动机需求扭矩由限力矩离合器限定(约55N·m),从而避免系统动力中断。限力矩离合器在发动机起动完成后分离,此时单向离合器自动锁止,车辆行驶需求扭矩由发动机与电机共同提供或发动机单独提供。1.2电机撞击响应工况为了便于进行动力学分析,将模型进行简化,忽略旋转黏性阻尼的作用(图2)。图2中:Te为发动机输出扭矩;Tcl为离合器传递扭矩;Tm为电机输出扭矩;Tl为折算到限力矩离合器后端的等效阻力矩;we为发动机转速;wm为电机转速;Je为折算到离合器前端的等效转动惯量;Jv为折算到离合器后端的等效转动惯量。汽车处于不同运行模式时所满足的条件具体分析如下:(1)纯电动工况时,当汽车需求扭矩较小或以较低速度行驶时,汽车需求扭矩由电机单独提供。此时满足(2)行进中电机起动发动机时,随着车速提高或需求扭矩的增大,电机提供的扭矩无法满足需求,此时需要由发动机来提供行车需求扭矩,因而需要进行电机起动发动机过程,此时电机在保证车辆正常行驶的同时,还要能顺利起动发动机。由于此时限力矩离合器主、从动盘有转速差,当接到接合指令时,主、从动盘开始接合并滑磨。此时满足Te在发动机曲轴转速小于怠速转速,完成起动之前为负值。当发动机起动刚完成时,由于扭矩不稳定,为避免其引起扭矩波动,从而影响整车的平顺性,因而电机并没有立即退出工作,而是对发动机进行扭矩补偿。当扭矩补偿完成以后,汽车进入发动机单独驱动模式。(3)发动机单独驱动、联合驱动及行车充电时,应满足发动机单独驱动时,电机处于随动状态。此时,电机输出扭矩Tm为0,行车需求扭矩由发动机单独提供。联合驱动时,由发动机与电机共同输出扭矩来满足行车所需求的扭矩,单向离合器接合传递发动机扭矩。当电池需要进行充电,进入行车充电模式时,发动机同时提供行车需求扭矩和电机发电扭矩。此时,电机输出扭矩Tm为负。(4)再生制动、联合制动及机械制动时应满足式中:Tf为制动力矩。当制动强度较低且电池荷电状态处于可充电范围时,汽车满足再生制动工况,行车制动扭矩由电机来提供,此时电机处于发电状态,其输出扭矩Tm为负。发动机断开,机械制动没有工作,其制动力矩Tf为0。当电池荷电状态处于可充电范围,且行车需求制动强度较大时,电机作为发电机单独提供制动扭矩不能满足使用要求,需要进入联合制动工况,此时制动力由电机与摩擦制动器共同提供,发动机处于分离状态。当电池荷电状态不允许充电,或行车制动强度较大时,电机不工作,需进行机械制动工况,行车需求制动扭矩由摩擦制动器来单独提供,此时,电机输出扭矩Tm为0。1.3控制策略评价混合动力汽车模式切换控制的效果可用冲击度及限力矩离合器的滑磨功来衡量。其中,滑磨功Wsl可表示为式中:tsl为滑磨时间;t为试验时间。冲击度J是车辆加速度a的一阶导数,即式中:v为汽车行驶速度。由于电机起动发动机过程很短(约0.5s),且离合器接合压力小,因而滑磨功Wsl值很小,能满足限力矩离合器的热容量值。而冲击度可用来反映扭矩波动的情况。输出扭矩波动越大,动力输出就越不平稳,冲击度也越大,平顺性也就越差。本文中主要以模式切换过程中的冲击度作为控制策略评价指标。冲击度的量化指标各国不尽相同,中国的推荐值为|J|<17.64m·s-3。2采用模式转换的扭转协调控制策略2.1运行模式及边界条件重度混合动力汽车有多种工作模式,需要划分出各工作模式的运行区域。本文中以能量管理策略思想为基础,结合电机的扭矩特性,保证汽车在需要起动发动机时,电机能正常驱动汽车行驶,同时提供足够的扭矩起动发动机。划分的工作区域如图3所示。图3中将发动机稳态图划分成4个不同的区域:①电机单独工作区;②发动机单独工作区;③电机与发动机联合驱动工作区;④行车充电区。表1为各运行模式的边界条件,表2为各模式下电机与发动机需求扭矩。表1,2中:Td_req为行车需求扭矩;Te_min为发动机最小输出扭矩;nm为电机转速;ne_min为发动机最低稳定转速;Ssoc_low,Ssoc_min分别为电池荷电状态Ssoc的允许下限值、最小值;Tm_ass,Te_eff分别为发动机最大输出扭矩、最优经济输出扭矩;Tm_max为电机最大输出扭矩;Tch为电机目标充电扭矩;Te_ch为行车充电需求扭矩。将联合驱动模式分为2种情况讨论:当需求扭矩大于Te_eff且小于Tm_ass时,使发动机的需求扭矩为Te_eff,电机提供剩余部分扭矩,以提高发动机的工作效率,且能在一定程度上延长其使用寿命;当需求扭矩大于Tm_ass时,则发动机需求扭矩为Te_max,而电机提供辅助功率,保证汽车能有足够的驱动力。在能量回馈模式中,电池荷电状态允许充电的情况下,电机的目标充电扭矩Tch由制动强度及相应的制动力的分配策略决定。2.2控制发动机的扭矩由于发动机和电机的扭矩响应时间相差很大,如果仅通过节气门开度对发动机的扭矩进行开环控制,将使发动机动态扭矩严重滞后于电动机的扭矩变化,而且动态过程中发动机的扭矩控制还与瞬态空燃比控制和其他补偿措施有关,使其动态性能不能满足要求。此外,在有湿式离合器接合的过程中,还需对离合器油压与电机扭矩进行协调控制,否则会导致输出扭矩产生波动。2.2.1限力器理性控制限力矩离合器使用湿式多片离合器,其接合过程主要经历了完全分离、滑磨和完全接合3个阶段(图4)。图4中:P为离合器主、从动盘接触压力;Δω为离合器主、从动盘转速差;Pb为初始油压增量模糊控制中模糊控制输出端油压变化率的积分值与初始油压P0之和;t0,t1分别为滑磨阶段开始和结束时间;Pmax为最大油压值。由图4可知:空行程阶段(离合器初始接合压力为P0阶段,即压力上升阶段),离合器油缸迅速充油,在液压力作用下,活塞克服回位弹簧的作用力开始移动,消除离合器片间隙。此阶段离合器接触压力小,且没有机械接触,所传递的扭矩可忽略;滑磨阶段(接触压力P上升阶段),接触压力增大,离合器传递的扭矩也相应增大,主、从动盘转速差则逐渐减小,在此过程中流体的粘性摩擦减小,离合器所传递的扭矩主要由主、从动盘的机械摩擦产生;完全接合阶段(接触压力P保持水平不变阶段,即锁止阶段),离合器主、从动盘转速相等(没有滑磨),传递的扭矩达到稳定值,全部由主、从动盘表面的机械接触产生。当满足模式切换条件,车辆需要起动发动机时,首先发出限力矩离合器接合指令,对其油压进行控制。保证在满足平顺性时,尽量缩短其接合时间。接合过程中电机扭矩与限力矩离合器的接合动作需要动态协调控制,从而保证发动机正常起动时对车辆正常行驶不造成过大冲击。当限力矩离合器尺寸参数确定后,其摩擦力矩取决于作用在离合器摩擦面上的油压大小,其关键在于如何对限力矩离合器的目标油压进行控制。本文中采用模糊控制策略对其进行控制,初始压力和滑磨阶段的油压控制对接合性能影响很大,是离合器控制的重点。离合器初始接合压力为离合器预设初始压力P0与离合器初始压力增量ΔP之和,其中P0为设定值,ΔP为模糊控制器输出,由驾驶人意图决定。加速踏板开度αa及其开度变化率ue57fαa可反映驾驶人意图,当加速踏板踩得快且深,表明驾驶人希望车辆快速进入动力更强的工作模式,应优先考虑动力性,输出较大的ΔP,以建立较高的初始压力;反之,当踏板踩得慢且浅时,优先考虑平顺性与舒适性,建立较低的初始压力,以降低冲击度,控制规则如表3所示。当车辆需要从发动机单独驱动模式切换至纯电动模式时,单向离合器解锁。控制电机输出扭矩增加,同时逐步降低发动机输出扭矩,当电机转速nm高于发动机转速ne时,发动机自动脱开并关闭,进入纯电动工作模式。滑磨阶段需考虑驾驶人操作意图和离合器接合过程的冲击度与滑磨功,用油门踏板开度变化率反映驾驶人意图,离合器主、从动盘转速差控制冲击度与滑磨功。驾驶人快速踩下油门踏板表示希望迅速完成模式切换过程,应增大油压上升速率,反之则减缓油压上升速率。若离合器主、从动盘转速差较大时,油压上升速率应慢,以减少冲击度;若离合器主、从动盘转速差较小,油压上升速率应快,以减少滑磨功,控制规则见表4。限力矩离合器模糊控制系统如图5所示。在此过程中离合器传递的扭矩为式中:R=(r23-r13)/(r22-r12),r1,r2分别为离合器摩擦片的内、外径;μ为摩擦因数;Pn为控制油压对压盘的正压力;S为摩擦片面积;Z为摩擦副数。根据限力矩离合器控制流程建立的控制仿真模型如图6所示,图6中输入分别为电机转速、发动机转速及加速踏板的开度,通过模糊控制,输出为离合器传递扭矩。2.2.2基于电机扭矩的动态扭矩补偿驱动模式切换过程可分为2种情况:含限力矩离合器接合过程与不含限力矩离合器接合过程,控制流程如图7所示。发动机转速随之增加,当达到点火运行转速时,发动机开始点火起动,同时发动机控制器开始控制其转速和扭矩。当发动机转速与电机转速相同时,离合器接合完成。为了避免此过程中,因发动机扭矩输出与电机扭矩降低不同时导致扭矩波动,本文中提出电机提前降低扭矩的方法,即在离合器主、从动盘未接合彻底时开始降低电机的输出扭矩,从而保证离合器完全接合时系统输出扭矩的波动较小,其转速差值可根据不同的运行工况进行调试,在实际运行中通过查表插值法计算获得。同时,通过电机扭矩继续补偿来弥补发动机扭矩滞后带来的扭矩波动。用Te′表示发动机实际输出扭矩,Te′与其需求扭矩Te_req存在差值δ,即电机实际输出扭矩Tm与发动机扭矩的关系为即式中:Tm_req为电机需求扭矩。本文中将发动机模型与电机模型简化成一阶传递函数来表征其动态扭矩输出响应,其中发动机扭矩响应可表示为式中:τe为发动机一阶系统时间常数,通常可由经验获得;s为传递函数值。式中:τm为电机一阶系统时间常数,通常可由经验获得。当δ减小到允许范围时,电机退出补偿,只输出其需求扭矩。不含限力矩离合器接合的模式切换包括发动机单独驱动与纯电动、联合驱动以及行车充电之间的模式切换。此过程可通过控制发动机与电机负荷变化率来控制其扭矩的变化,以改善模式切换过程的扭矩波动,同时克服发动机扭矩估计不精确问题。当发动机与电机需求扭矩发生变化时,其响应过程需要满足车辆的需求扭矩。切换过程中Te_req1,Te_req2分别为扭矩变化前、后发动机需求扭矩,Tm_req1,Tm_req2分别为扭矩变化前、后电机需求扭矩,可分别表示为式中:ke,km分别为发动机和电机的扭矩变化率。切换过程中,需求扭矩变化率T′req为同时由于因此可得式中:kreq为需求扭矩变化率,其值通过试验获得,在实际运行中可通过查表插值法计算获得。2.2.3混合动力汽车制动模式切换机理本文基于ABS制动系统实现再生制动过程中车轮制动力分配和前轮制动压力协调控制。制动强度通过制动踏板开度α以及开度变化率ue57fα来衡量。当制动踏板开度小且开度变化率小时,说明驾驶人需要的制动强度较小;当制动踏板开度较小但开度变化率较大或制动踏板开度较大但开度变化率较小时,说明驾驶人需要的制动强度适中;当制动踏板开度大且开度变化率大时,说明驾驶人需要的制动强度较大。当汽车需求制动强度较小时,行车工作在再生制动工作模式,随着制动强度增加,必须切换到联合制动模式。在此切换过程中,液压制动需求扭矩Ty_req、电机的需求扭矩Tm_req与整车制动的需求扭矩Tb_req关系为制动器模型可采用一阶惯性环节来描述其动态特性,即式中:Tf,Tr分别为前、后轮制动扭矩;Pf,Pr分别为前、后制动轮缸压力;Df,Dr分别为前、后轮制动轮缸直径;Rf,Rr分别为前、后制动器作用半径;BFf,BFr分别为前、后轮制动效能因数;τ为制动器一阶系统时间常数,通常可由经验获得。在实际制动过程中,对需求制动扭矩进行分配,得到前、后轮的目标液压制动扭矩。在制动器相应结构确定时,通过目标液压制动扭矩可得到相应的目标油压,进而可进行油压的输出控制,最后得到前、后轮的实际制动扭矩。通过上述方式控制电机制动扭矩,保证系统制动扭矩满足需求。由混合动力汽车的制动力分配策略(图8)可知,当需求制动强度大于0.7时,电机提供的制动力矩降为0,制动模式切换到机械制动。当需求制动强度大于0.4且小于0.7时,随着制动强度增加电机分配的制动力矩逐渐减小。此过程中,因液压制动响应速度较快,系统的制动扭矩按照液压控制分配策略进行控制,则制动模式可由联合制动平稳地切换到机械制动。当需求切换过程相反时(即从机械制动切换到联合制动再切换到再生制动),只需按其分配的制动扭矩进行控制电机与液压制动扭矩输出,即可实现平稳的切换过程。2.2.4制动模式切换过程此类切换过程包括了从驱动到制动的模式切换以及由制动到驱动的模式切换。当由驱动模式向制动模式切换时,若包括发动机驱动,则发动机扭矩会有较大的变化,需控制其变化率,同时协调控制电机扭矩,按式(17)进行控制。若有制动需求时,先由电机提供制动力,制动强度继续增大则进入制动模式切换过程控制。当汽车需要从制动模式切换到驱动模式时,根据制动强度对制动力进行分配,使制动力逐渐减小,当加速踏板进行操作时,首先采用电机响应驱动需求扭矩,电机从发电状态转换到电动状态,此过程不会产生明显的扭矩波动。若需求扭矩继续增大,则进入驱动模式切换过程。3扭矩协调控制策略仿真具体应用在MATLAB/Simulink仿真平台上建立整车模型,并进行仿真分析。研究的单电机、双离合器式强混合动力轿车的整车及关键部件参数见表5。本文采用前向仿真建模法,基于MATLAB/Simulink建立了重度混合动力汽车整车的前向仿真模型(图9)。该整车模型包括了发动机、电机、电池、离合器等部件模型以及整车控制器模型。在仿真分析中,均采用无扭矩协调控制策略和有扭矩协调控制策略2种情况对比分析所研究模式切换策略的可行性。无扭矩协调控制策略:当需要电机起动发动机时,给电机增加适当的扭矩,通过限力矩离合器起动发动机,当发动机起动以后,电机退出工作;当需要电机作为发电机提供制动力矩时,给电机增加适当的阻力矩,当行车停止时,电机退出工作。图10为行进中电机起动发动机仿真结果。由图10可知,在未进行协调控制时,随着需求扭矩增大,需要起动发动机,实现发动机单独工作模式。在整个切换过程中,发动机的起动时间小于0.5s,由于未进行协调控制,发动机开始输出扭矩时,电机扭矩还未降低,导致整车扭矩突然增大;而当离合器接合时,电机立即退出工作,发动机扭矩延迟响应,整车扭矩又突然降低。最大扭矩波动达到了38N·m,产生了较大的冲击度,最大值达到了30m·s-3。当采用扭矩协调控制时,发动机起动时间小于0.5s,当电机启动发动机过程开始以后,根据需求扭矩与限力矩离合器传递扭矩的关系,控制电机的输出扭矩增大,当限力矩离合器接合完成时,由于发动机扭矩响应时间长,此时发动机只输出部分扭矩,而电机并没有立即退出工作,而是在减小扭矩的同时进行扭矩补偿,保证系统输出扭矩满足需求。此电机启动发动机过程中,最大输出扭矩波动为12N·m,最大冲击度为8.5m·s-3。与未采用扭矩协调控制策略相比,该扭矩协调控制策略可明显改善电机启动发动机过程中扭矩的波动与冲击度。图11为纯电动切换到行车充电过程仿真结果。由图11(a),(b)可知,汽车开始由电机单独驱动,由于电池荷电状态值不足,需要进行充电,因此需要起动发动机。未进行扭矩协调控制,其扭矩波动与冲击度值均过大,最大扭矩波动值达到了33N·m,而冲击度最大值则达到了29m·s-3。采用扭矩协调控制策略,则有较明显的改善,输出扭矩波动最大值为11N·m,冲击度的最大值为8m·s-3。图10,11中,电机启动发动机过程涉及的离合器接合过程是一致的,本文中只分析了有、无扭矩协调控制策略,因而离合器的接合过程也基本一致。有控制策略下离合器的接合油压、滑磨扭矩以及离合器主、从动盘转速差如图12所示。图13为发动机单独驱动切换到联合驱动工作模式的仿真结果。汽车最初工作在发动机单独驱动模式,当行车需求扭矩增大到某一值时,需要进行模式切换,由于需求扭矩小于发动机能提供的最大输出扭矩,此时发动机由当前输出扭矩切换到最经济输出扭矩,其余部分的扭矩由电机来提供。由图13可知:未采用扭矩协调控制时,输出扭矩曲线波动较大,最大值达到了18N·m,最大冲击度则达到了15m·s-3;而采用扭矩协调控制策略时,其输出扭矩较平稳,最大扭矩波动为3N·m,且最大冲击度仅为1.1m·s-3。图14为汽车从再生制动切换到联合制动工作模式时有、无扭矩协调控制策略的对比结果。将液压制动扭矩、总输出制动扭矩与电机扭矩均等效到变速器输入端。开始时汽车的制动强度为0.1α,根据制动力分配策略可知,其制动扭矩完全由电机来提供,汽车工作在再生制动模式。随着制动强度的增大,摩擦制动开始参与工作,汽车工作在联合制动模式。由图14可知:未采用协调控制策略状况下,随制动强度的增大,需切换到联合制动时,由于摩擦制