基于malab的混合电动汽车换挡过程控制研究

基于malab的混合电动汽车换挡过程控制研究

液力变矩器和自适应的点波器设计高效、易操作的网络系统对混合动力车辆的经济和使用方便性有重要影响。典型的自动换能器包括自动液位换能器、自动机械换能器、自动星轮换能器等。液力自动变速器因使用液力变矩器作为传动和缓冲装置,故其传动效率不高;机械式自动变速器虽然传动效率高,但要实现无冲击换挡却很难。本文中采用的行星齿轮机械式自动变速器(planetarygearingautomaticmechanicaltransmission,PGAMT)是通过去除传统液力自动变速器中传动效率较低的液力变矩器,保留其它自动换挡装置而形成的,它兼备行星齿轮变速器的换挡方便性和传统手动变速器的高传动效率。文中提出了运用混合动力系统中的电机辅助调速,实现该变速器的自动换挡,并对其换挡控制策略进行了研究。1动力传动路线1.1机械元件工作过程自动变速器传动变速机构是辛普森Ⅱ行星齿轮系,以1挡为例,其动力传动路线见图1中粗实线。变速器输入端为1轴,输出为齿轮PP。变速器通过制动器(F1,F2,F3)和离合器(El,E2)控制行星轮组中构件的运动形态获取4个前进挡和一个倒挡。变速机构挡位与制动器和离合器关系见表1。2含单向分离器所采用的行星齿轮变速器只包含行星齿轮的机械部分。由于该变速器中不含单向离合器,所以换挡过程属于从一组离合器分离到另一组离合器结合的过程。因为行星轮系变速器中各旋转元件的惯量与变速器的输入惯量和整车的惯量相比相对较小,故建模时未考虑变速器中各旋转元件的惯量。2.1s1s1忽略齿间的啮合间隙和摩擦力,稳态行星轮系的各个输入输出转矩和转速的关系最后表示成如下形式:(ωs2ωr2)=A(ωs1ωc2),(Τs1Τc2)=-AΤ(Τs2Τr2)(1)(ωs1ωs2)=B(ωr2ωc2),(Τr2Τc2)=-BΤ(Τs1Τs2)(2)(ωr2ωs1)=C(ωs2ωc2),(Τs2Τc2)=-CΤ(Τr2Τs1)(3)(ωr2ωc2)=D(ωs1ωs2),(Τs1Τs2)=-DΤ(Τr2Τc2)(4)(ωs1ωc2)=E(ωr2ωs2),(Τr2Τs2)=-EΤ(Τs1Τc2)(5)(ωs1ωc2)=F(ωr2ωs1),(Τr2Τs1)=-FΤ(Τs2Τc2)(6)其中,A=1Rs2[-Rs1Rr21-Rr1Rr2Rs1Rs2Rr1Rs2](7)B=1Rs1Rs2[Rs2-Rr1Rs2-Rs1Rr2Rs1](8)C=1Rs1Rr2[-Rs1Rs2-Rr1Rs2-Rs21-Rr1Rr2](9)D=11-Rr1Rr2[Rs1-Rr1Rs2Rs1Rr2Rs2](10)E=1Rs1[1-Rr1Rr2-Rr1Rs2Rs1Rr2Rs1Rs2](11)F=1Rr1Rs2[1-Rr1Rr21-Rr1Rr2Rs2-Rs1Rs2](12){Rs1=Νs1/(Νs1+Νr1)Rr1=Νr1/(Νr1+Νs1)Rs2=Νs2/(Νs2+Νr2)Rr2=Νr2/(Νr2+Νs2)(13)式中:T为转矩;ω为角速度;第一下标,s表示太阳轮,r表示齿圈,c表示行星架;第二下标,1表示第1组行星轮,即输入行星齿轮组,2表示第2组行星齿轮组,即输出行星齿轮组;N表示其下标对应齿轮的齿数。2.2滑动角速度值公式对于片式离合器和制动器,转矩方程为TC=Pμ(ωC)ACrCsgn(ωC)(14)对于带式制动器,转矩方程为TB=PABrB(eμ(ωB)θB-1)sgn(ωB)(15)摩擦因数为μ(ω)={0.1545ω=00.0631+0.0504e-0.033|ω|ω≠0(16)式中:ω为滑动角速度;P为离合器或制动器驱动活塞压力;AC、AB分别为离合器片和制动带活塞面积;rC、rB分别为离合器片和制动带的有效半径;θB表示制动带的包角;sgn(ωC)、sgn(ωB)分别为离合器和制动带滑转速度的符号。摩擦零件的滑转率方程为{ωF1=ωs1ωF2=ωr2ωF3=ωs2ωE1=ωin-ωs1ωE2=ωin-ωr2(17)结合车辆模型和发动机模型,最后使用MATLAB/Simulink建立的变速器换挡过程仿真模型的总体结构如图2所示。3发动机输出转速控制PGAMT的换挡过程与带有液力变矩器的AT既有共同点,也有不同点。传统的AT中由于使用了液力变矩器,使发动机和变速器的输入轴变成液力连接。这样,发动机和变速器一轴的转速可以不同步,在低挡换入高挡的惯性相,发动机给变速器施加正向的转矩,产生一个正向的转矩冲击。一般通过减小发动机点火提前角来减小发动机的输出转矩。对于PGAMT,它与传统AT的主要区别在于,动力源与变速器一轴的连接为直接连接,如图3所示。使用PGAMT可带来以下优势:(1)可以利用电机作为转矩和转速调节的执行器,有助于换挡过程中主动与从动元件的同步,使变速器在无液力变矩器的情况下实现平稳换挡;(2)行星齿轮机械变速器在换挡过程中只有离合器和制动器的控制,不存在齿轮的啮合问题,换挡控制较一般机械自动变速器更容易实现,并可利用现有的液力自动变速器的电液换挡控制装置进行换挡过程的控制。PGAMT的传动效率比液力变矩器高,但控制方式必须做出修改。因为动力源与变速器一轴接近刚性连接,这样在换挡的惯性相,变速器输入轴的转速更难自然下降,不进行有效控制将会带来比传统AT更大的冲击。而图3中的电机则成为变速器输入轴转速和转矩调节的非常有力的工具。PGAMT的换挡过程协调控制过程主要包括两部分:(1)对变速器的换挡油压和换挡执行电磁阀的控制;(2)对发动机和电机的转矩与转速协调控制。下面以升挡过程为例进行说明。(1)换挡控制时序离合器油压的控制是换挡过程中实现当前挡位离合器平稳过渡到目标挡位离合器的关键环节,主要分为以下几个阶段:①初始化,当控制系统检测到期望挡位与当前挡位不相等时,此步骤激活,用于初始化换挡需要的变量;②变速器各个压力元件进入预充油状态,为下一阶段的控制压力升高做好准备,这个阶段持续一个预设的时间段;③进入换挡的转矩相,目标挡位的离合器压力按一定的速率增加到换挡的初始压力,压力的增加速率通过斜坡函数控制,当目标挡位离合器的传递转矩达到进入当前挡位离合器放松阶段的临界值或经过一个预设的时间后,这一阶段随即结束;④进入换挡过程的惯性相,当前挡位离合器完全放开,目标挡位离合器进一步结合,结合的控制油压应先高后低,以减少结合末期的冲击;⑤当离合器滑转率低于某一设定值时,控制离合器的执行油压上升到最终值来锁定离合器,换挡过程结束,动力系统工作在目标挡位。以上5个阶段可以表示成图4的形式。对于本文中所用的变速器,其换挡离合器或制动器的执行油压调节通过主油压控制来实现,各个离合器的油压不能进行单独控制。因此当前挡位离合器和目标挡位离合器的油压配合关系通过液压系统换挡控制顺序阀的开启时序和油路的结构设计来实现。在仿真中,为了简化系统模型,当前挡位离合器和目标挡位离合器的油压控制按照单独控制进行,两者的配合关系可以调节。(2)电机的发电阻力转速控制对应于上述的换挡过程的5个阶段实施电机和发动机的转矩与转速控制。在第③阶段,如果动力系统工作在纯发动机驱动状态,就增加电机的发电阻力转矩,如果工作在混合驱动状态,则先降低电机驱动转矩,必要时降低发动机转速,或使电机转入发电状态。在第④阶段的恰当时刻,进一步降低变速器的输入转矩到期望的水平,并根据当前的车速和目标挡位的传动比,运用电机调节变速器的输入转速到期望值。其中转矩的调节可以运用事先设定的形状函数进行控制。第⑤阶段换挡结束时,恢复变速器的输入转矩到驾驶员当前的期望值。4模拟对滑动齿轮机械自动换挡过程的模拟4.1电机换挡时电机转速的特性对于升挡过程控制的仿真,以1挡升到2挡的过程为例说明。其它挡位的升挡过程类似。图1中的离合器E1分离,E2结合,两个离合器油压控制的起始变化和趋势如图5所示。换挡过程的5个阶段与换挡过程中油压的变化相对应,其中的标号①~⑤与图4中的标号相同。仿真采用定步长改进的欧拉算法,仿真步长为0.01s。图6为换挡前后发动机由3000r·min-1变为1650r·min-1的转速变化。图7为有无电机调速控制时变速器输出转矩的比较。其中的实线是无电机进行换挡过程的调速控制,使用离合器油压按照预定的曲线变化进行开环控制,通过降低发动机输出转矩来改变变速器的转矩输出。由于是开环控制方式,即使采用了降低发动机转矩的办法,变速器的输出转矩的波动仍然比较大,换挡期间最大转矩为598N·m,最小转矩为461N·m,变化幅度为137N·m。图7中的虚线部分是采用了电机调速闭环控制策略后变速器输出转矩的变化情况,可以看出采用电机调速闭环控制后,换挡期间变速器输出转矩最大为551N·m,最小为512N·m,变化幅度为39N·m,较无电机调速的变化幅度减小98N·m,减小了71.5%。图8为采用电机辅助调速闭环控制进行换挡时,变速器输入转矩的变化情况。图9为换挡过程中电机转矩的变化情况。两图转矩变化相加的结果是发动机的转矩,由于电机在换挡时工作于发电状态,吸收了部分发动机转矩,从而使变速器输入转矩下降,为换挡创造了条件,而发动机转矩在换挡过程中基本保持不变。4.2电机转速、转速开环控制以4挡降到3挡为例,降挡过程中汽车处于滑行且用电机进行再生制动,这是混合动力汽车所特有的。仿真结果如图10~图12所示。图10为换挡前后变速器输入转速的变化。图11为降挡过程中电机转矩的变化。图12中实线为有电机辅助调速闭环控制的结果,变化范围是-226~-178N·m,变化幅度48N·m;虚线为只有换挡离合器油压开环控制的结果,其变化范围是-255~-159N·m,变化幅度96N·m,变化幅度较调速闭环控制高1倍。可以看出采用电机辅助调速闭环控制能够有效降低变速器输出轴在换挡过程中的转矩波动。5自动转速传动利用并联混合动力系统的电机作为控制的执行器,通过电机辅助调速闭环控制进行行