汽车动力元件怠速启停启步控制分析

汽车动力元件怠速启停启步控制分析

0怠速启停启步控制采用自动曲线畸变（rct）制度，具有大速比变化面积大的特点。超级混合动力车辆（mid-hybridelarkier）采用比小型混合动力车辆更小的功率输出系统作为辅助动力源。除具备轻度混合动力汽车怠速启停和制动能量回收的特性外,还具有低速爬行、倒车工况下纯电动驱动的特点。超轻度混合动力汽车可以明显改善汽车的燃油经济性和排放性能,电机功率小,所需电池组少,使其生产成本将低于市场上已有的混合动力汽车。怠速启停是避免发动机工作在怠速和低效率区,实现汽车节能和清洁的主要途径之—。怠速启停启步控制包括发动机怠速停机、自动启动及平稳启步三个部分。车辆短暂停车(如红绿灯停车、交通拥挤堵塞)工况时,停止发动机运转,从而消除怠速工况下的高油耗和高排放及怠速噪声。车辆重新启步时,则通过启动电机将发动机快速带到怠速转速以上,发动机才开始喷油点火,从而避免启动工况的高油耗和高排放,减少发动机磨损。对启步离合器接合过程进行控制,实现发动机局部恒转速启动,可进一步改善启步质量。1混合动力车辆的结构组成1.1给排水配置超轻度混合动力汽车传动系统采用双轴并联的结构,系统布置如图1所示:1.2电机和电池结构参数超轻度混合动力汽车基于重庆长安羚羊SC7101轿车开发,考虑了电机、变速器及电池组所增加的质量后,整车及动力源的主要结构参数如下:整车参数:主减速比i0=4.99空气阻力系数CD=0.32轮胎半径r=0.274m转矩合成齿轮速比i3=1.5发动机参数:额定功率Pe=49kW(对应发动机转速6000r·min-1)额定转矩Te=82N·m(对应发动机转速4750r·min-1)怠速转速nidle=800r·min-1电机参数:额定功率Pn=5kW额定转矩Tm=47.7N·m额定转速nm=1000r·min-1电池参数:电池类型为镍氢电池单组电池电压平均值U=7.677V容量Q=6.5Ah内阻平均值Rb=0.0278Ω组数nb=10组1.3启步器控制参数变速器是车辆传动系统的重要部分,其参数选择对汽车整车性能有很大的影响。回流式无级自动变速器具体工作原理请参见文献。通过对整车动力系统进行匹配,确定的变速器结构参数如下:行星排结构参数a=2.5172定速比齿轮传动速比if=i1·i2=2.4704变速器最大速比igmax=3.56变速器最小速比igmax=0.498启步过程中,图1所示的离合器L2和L3处于分离状态,离合器L1作为启步离合器需要进行精确控制。为防止对启步品质带来影响,当离合器L1完全接合后,再闭锁离合器L2。通过进行强度分析和设计,确定湿式离合器L1的基本参数:摩擦系数μ=0.15工作油压Pg=2.5MPa摩擦片内直径D1=64mm摩擦片外直径D2=91.43mm摩擦片数z=62缓慢启动和停止2.1怠速停机速度判断环境因素据统计,在路况繁忙阶段,车辆减速、怠速运行的时间约占车辆总运行时间的60%,其中35%左右的时间处于怠速状态。发动机长期运行在怠速区域必将导致油耗和污染物排放增多。因此,准确的进行怠速停机控制显得尤为重要。要实现怠速停机功能,首先必须判断怠速停机时刻。通过采集加速踏板位置信号、发动机曲轴转速信号和当前车速来判断发动机是否较长时间工作在怠速状态。如果加速踏板行程为零,车速为零且发动机转速较长时间处于怠速,则控制系统就及时切断供油,停止发动机工作。在怠速停机的时刻,还需分离启步离合器L1,把变速器速比调至最大位置,控制其他各离合器的工作状态,为重新启步做好准备。2.2电机及发动机启动特性在驾驶员发出启步信号后,首先判断电池SOC值,若高于允许驱动电机的最低阀值,控制系统发出启动电机指令,电机在很短时间内(如0.4s)将发动机加速至怠速转速(如800r·min-1)。达到怠速转速后,发动机才开始喷油点火,同时关闭电机。若电池SOC值低于允许电机启动的阀值,则采用传统的启机方式。另外还需根据驾驶员启步油门的大小判断汽车是否行驶在低速爬行工况。若启步油门很小,说明驾驶员希望缓慢启步,启步后一定路程内的车速也不会高,则可以采用电机单独工作的方式来驱动汽车行驶。当车速要求较高时或者驾驶员要求加速时才快速启动发动机工作。控制电机的启动性能是实现自动启动的关键环节。在自动启动阶段对电机采用最大转矩/电流控制,保证电机在低速下按最大转矩运行,以满足启动发动机过程的动力要求。接发动机负载后电机的启动转矩特性如图2所示。分析发动机启动过程的阻力特性也是进行自动启动控制的基础。发动机启动过程中的阻力主要有:气缸压缩阻力、活塞环的摩擦阻力、活塞裙部的摩擦阻力、气门机构摩擦阻力、活塞组往复运动惯性力以及附属部件的运行阻力。发动机启动阻力特性如图3所示。若忽略启动过程中传动系统的效率损失,则自动启动阶段系统的状态方程可表示为:式中,Tm是电机的驱动转矩,Tf是发动机的阻力矩,I为发动机飞轮曲轴、转矩合成齿轮以及电机转子的转动惯量之和,为发动机角加速度。2.3发动机局部恒转速控制通过控制电子节气门开度和启步离合器L1的接合油压,实现汽车快速平稳启步。在启步过程中采用发动机局部恒转速的控制方法,可以进一步降低离合器接合过程产生的滑摩功,延长离合器使用寿命。由于发动机转速变化范围较小,还可以达到减少启步过程发动机排放污染,降低启步噪声的目的。2.3.1联合过程的动力学分析2.3.1.系统工作原理分析接合最初阶段传动系统功率流向可知,由于行星架处转速高于自离合器L1从动盘输入的转速,单向离合器L4不传递力矩,离合器从动盘在接合最初阶段并没有输出力矩到车轮,而是加速从动盘旋转,直到单向离合器L4输入端转速高于行星架转速。这一阶段离合器主动盘状态方程:式中,Ti为发动机输出转矩,Tc为离合器摩擦转矩,Ii为发动机飞轮曲轴、转矩合成齿轮、电机转子以及回流式CVT的转动惯量之和,ωi为主动盘角加速度。离合器从动盘状态方程:式中,Ic为离合器从动盘及回流式CVT内部定减速齿轮的转动惯量之和,ωc为从动盘角加速度。湿式离合器摩擦转矩传递方程:式中,P为离合器油压缸工作油压,R1摩擦片内半径,R2摩擦片外半径。这一阶段行星架转速:式中,ni为发动机输出转速,i为回流式CVT中金属带速比。2.3.1.回流式无线网驱动结构当单向离合器L4输入端转速高于行星架转速时,离合器摩擦力矩将分两个部分输出,一部分通过齿圈输出到车轮,一部分通过太阳轮回流传给输入端,变速器进入回流式无级调速工况。这一阶段离合器主动盘状态方程:式中,Th为离合器从动盘摩擦力矩回流功率,其值大小可由下式计算:式中,ηi为金属带传动效率。离合器从动盘至车轮的状态方程:式中,η为传动系传动效率,Iv为整车转动惯量,ωv为车轮角加速度,∑Tf为整车行驶阻力矩。根据回流式CVT传动特性可求得从动盘转速:式中,v为车速,km/h。2.3.1.发动机输出稳定性当离合器主动盘和从动盘转速相等以后,离合器应以最快速度接合,此时驱动车辆的力矩就是发动机的输出力矩。整车的状态方程可表示为:式中,it为回流式CVT系统的速比。2.3.2节气门开度变化率控制原则驾驶员控制的启步油门踏板β大小代表驾驶员的启步意图,通常将驾驶员的启步意图分为爬行启步(β≤12%)、平稳启步(12%<β<30%)和急启步(β≥30%)三个模式。启步意图反映了驾驶员启步快慢的愿望和对冲击度的可接受程度。启步过程电子节气门开度从零值逐渐增加到驾驶员目标油门开度,其变化率需要进行控制。离合器接合过程中,节气门开度增长越快,主动盘转速增长也越快,从而增大了离合器接合时的目标转速。目标转速对离合器接合过程有重要影响:若目标转速过低,则发动机很容易在接合阶段失去稳定而熄火,导致启步失败;目标转速过高,则会导致离合器主从动盘转速差过大,产生大量滑摩功,加剧离合器磨损,延长启步时间。综合考虑启步要求和发动机特性,确定节气门开度变化率的控制原则:a.小油门开度下为满足驾驶员启步平顺要求,变化率适当取小值,但启步时间不应过长。b.大油门开度下适当增大变化率,缩短启步时间,但应该考虑到车体冲击度限制为10m·s-3的要求。c.确保在离合器完全结合前,节气门开度达到目标值(即驾驶员给定的油门踏板开度)。2.3.3.压油机工况控制工作油压直接影响到离合器传递的摩擦力矩。在离合器同步前,车辆启步的动力来源于离合器从动盘的摩擦力矩,所以控制接合过程工作油压是优化启步性能的关键。启步过程冲击度J和启步离合器油压变化率的关系可表示如下:由式(12)可以确定最大油压变化率,作为控制的参考量。回流式CVT中的启步离合器的工作模式和普通离合器有较大不同,按离合器接合过程的不同阶段进行油压控制。a.快速充油阶段:即克服离合器空行程,这一阶段应快速充油,以缩短启步时间。b.从动盘转速提升阶段:即将单向离合器L4输入端转速提升至行星架转速。考虑单向离合器L4接合后输出驱动力矩产生的冲击,这一阶段油压变化率不能太大。c.车辆启动阶段:即驱动力矩克服行驶阻力,车辆开始启动。这一阶段对车辆的启步性能有重要影响,应精确控制离合器的油压变化率,确保车体冲击度和启步时间的要求。根据驾驶员启步油门开度和节气门变化率来确定其油压变化率。d.发动机恒转速控制阶段:维持发动机局部恒转速工作,直到离合器从动盘转速达到设定的阀值。这一阶段主要根据发动机转速变化进行油压控制,若发动机转速降低,则暂停离合器油压增长,控制油门变化维持转速恒定;若发动机转速升高,则继续增加油压,通过增大发动机阻力矩来保持发动机转速恒定。e.加速接合阶段:为避免接合时间过长,当从动盘转速高于所设定的阀值时则不再遵循发动机恒转速控制,增大离合器油压变化率,加速接合。根据离合器主从动盘的转速差来确定这一阶段油压变化率。f.剩余阶段:离合器同步后,一般工作油压还没有达到油腔的工作油压。因离合器已经接合,这一阶段油压变化不会对冲击度产生影响,所以应尽快提升油压。3系统建模和模拟3.1模拟车辆模型应用Matlab/Simulink建立整车仿真模型,如图4所示。求解器采用四阶龙格库塔算法,仿真步长为0.001s。3.2启步仿真结果设定驾驶员给定启步油门为20%(平稳启步),仿真结果如图5所示。设定驾驶员给定启步油门为40%(急启步),仿真结果如图6所示。从仿真结果可以看出,自动启动阶段电机在0.3s内就可以将发动机加速至800r/min的怠速,表明所选择的电机能满足怠速启停要求。启步仿真的对比结果如表1所示。从图5、图6和表1可以看出,仿真结果反映了驾驶员的启步意图,启步油门为20%时冲击度要小于启步油门为40%时的冲击度。从图5中的离合器主从动转速图上可以看出发动机恒转速阶段的控制效果,发动机转速变化范围小,改善了启步性能,滑摩时间在允许范围内。从图6可以看出,在急启步时,节气门开度在1s时就达到了目标油门,主动盘转速也上升很快,由式(10)可知从动盘转速也将很快上升,导致在发动机恒转速控制前就达到了所定的阀值,按照启步离合器控制策略,此时应加速接合离合器,所以在急启步仿真时没有经过发动机恒转速控制阶段。仿真结果还反映了回流式CVT的启步特性:由于单向离合器L4最初不传递力矩,从动盘转速很快升至500r/min,这可以明显减小启步时的滑摩时间和滑摩功。4车辆启步控制