并聯混合動力電動汽車動態協調控制策略及仿真研究

嚴運兵 顏伏伍 杜常清

1.武漢科技大學,武漢,430081 2.武漢理工大學,武漢,430070

0 引言

根據并聯混合動力系統中電動機輸出動力與汽車驅動系統的組合位置的不同,并聯混合動力傳動系統可分為單軸聯合式、雙軸聯合式和單驅動系聯合式等3種基本形式,這3種基本形式的動力傳動系統都能實現發動機驅動、純電動以及發動機/電動機聯合驅動這3種驅動模式。此外,在特定情況下混合動力系統還可以實現驅動狀態下的行車充電模式以及減速制動狀態下的再生制動(能量回饋)模式[1-2]。根據路況,并聯混合動力汽車在工作過程中選擇其工作模式并進行能量分配,完成工作模式的切換。

按照時間尺度和系統響應特性,可以將混合動力汽車的控制問題分為兩類[3]:①在穩態和動態過程中多個動力源的轉矩分配(也可以是功率分配)與效率優化問題,主要根據兩動力源的穩態特性進行控制,屬于能量管理的研究范疇;②狀態切換過程中動力源間的相互配合問題,屬于動態控制的研究范疇,這一問題還涉及發動機轉矩的實時反饋。

多年來,雖然對并聯混合動力汽車的能量管理研究較多,但都主要集中在并聯混合動力系統穩態過程中多個動力源的能量分配和效率優化方面[4-8],對控制策略中涉及混合動力系統工作模式切換過程中的轉矩動態控制的研究相對較少。事實上,在狀態切換過程這一很短的時間內,發動機和電動機的油門開度發生急劇變化,此時發動機轉矩等輸出由于其響應滯后于油門開度的變化而呈現動態特性,動態特性相對穩態特性有較大滯后,使輸出轉矩不足或出現超調;電動機則能迅速響應油門開度的變化而呈現出與穩態時幾乎相同的動態特性[9]。這樣,如果仍然根據穩態特性進行能量分配,勢必因為發動機穩態特性和動態的差別而造成總需求轉矩在狀態切換前后出現較大波動,影響整車的舒適性。可見,在狀態切換過程中,對發動機和電動機進行動態協調控制是必須的。

動態協調控制的關鍵在于控制切換過程中總需求轉矩(即發動機和電動機轉矩之和)的波動幅度,控制方法主要是以發動機的實時轉矩反饋為基礎,利用電機的快速響應特性進行轉矩補償,達到總需求轉矩不產生大的波動從而提高舒適性的目的。日本豐田公司的Prius混合動力汽車利用其特有的動力分配機構很好地解決了發動機和電動機的動態協調控制問題,但該技術只適用于具備動力分配機構的混合動力系統,不具普適性[10]。為此,需要提出新的具有較大范圍適應性的動態控制策略。

1 混合動力汽車的運行狀態分析及控制算法的提出

以圖1所示單軸并聯混合動力結構為本文控制算法的研究對象。在該混合動力結構中,電動機與發動機共軸,由此決定了電動機的三種工作狀態:空轉、驅動及制動。其控制也相對簡單,只是對電子油門的開和關進行控制,控制比較迅速。而要過渡到發動機工作或發動機關閉狀態,則存在發動機的啟動、調速和停機問題,在發動機啟動和停機過程中還存在離合器接合與分離的問題,在此將這一問題統稱為發動機的調速。相應地,混合動力系統動態控制算法中應包含發動機的調速控制。

表1為圖1所示結構可能的5種運行狀態。根據道路負載的大小,混合動力系統的運行狀態可能在純電動、發動機驅動、行車充電、聯合驅動、能量回饋5種目標狀態間相互切換。在任一運行狀態下,混合動力系統的多能源總成控制器根據駕駛員的加速踏板開度確定出整車的需求轉矩,并將這一需求轉矩合理地分配給發動機和電動機,在此稱之為預分配。

以整車運行狀態從純電動切換到發動機驅動為例分析狀態切換過程。切換前,假設電動機的輸出轉矩為60N˙m,切換時電動機的目標轉矩需要由60N˙m快速變為0,發動機目標轉矩需要由0很快達到電動機切換前的轉矩60N˙m,這樣才不至于引起總目標轉矩的波動。在這一切換過程中,發動機為了及時達到目標轉矩,其節氣門開度會在很短時間內快速增大到發動機目標轉矩對應的節氣門開度。由此可知,發動機在節氣門開度變化過程中,輸出轉矩實際上不可能快速達到目標轉矩,這樣會引起狀態切換過程中總目標轉矩產生波動,進而造成整車的沖擊,影響舒適性。與發動機存在響應滯后不同,電動機能很快響應電子油門,輸出其目標轉矩,如果在切換過程中能由電動機將發動機穩態轉矩與動態轉矩差值補償到總目標轉矩中去,則總的目標轉矩可保持穩定。由此可見,在狀態切換階段,首先需要對發動機和電動機進行轉矩預分配,確定兩者的目標轉矩,然后根據發動機和電動機的動態特性,對狀態切換過程中出現的發動機轉矩與預分配轉矩的偏差進行適當的補償。由此,補償控制也就被包括在混合動力系統動態控制算法中。

綜上所述,并聯混合動力系統動態控制算法包括兩方面的內容,即發動機、電動機目標轉矩的預分配和動態切換過程中的補償控制。補償控制算法中,必須首先知道發動機的動態輸出轉矩,才能算出電動機需補償的轉矩,這正是上述發動機轉矩估計問題。歸結起來,并聯混合動力系統動態控制算法可概括為“轉矩預分配+發動機調速+發動機動態轉矩估計+電動機轉矩補償控制”。其中,由于發動機調速控制只在部分工況下發生,故一般工況下動態控制基本的算法是“轉矩預分配+發動機動態轉矩估計+電動機轉矩補償控制”。發動機調速控制因發動機頻域特性較為復雜,仿真很難達到預期效果,需進行大量調速試驗研究,故本文不涉及發動機的調速仿真。

2 轉矩預分配策略

轉矩預分配策略屬于混合動力系統的能量管理范疇。動態控制算法是以轉矩波動不大為控制目標的,因此需要對發動機的轉矩、電動機的轉矩及總的需求轉矩等進行識別。

轉矩預分配研究主要包括兩部分:①確定總需求轉矩;②確定各工作模式下的目標轉矩。鑒于邏輯門限控制策略的可靠性及較強的實現性,本文利用發動機與電動機的穩態效率脈譜(MAP)、擋位及蓄電池荷電狀態(SOC)等來制訂轉矩預分配策略。

3 并聯混合動力汽車發動機的轉矩估計

如前所述,動態協調控制的方法主要以發動機的實時轉矩反饋為基礎,利用電動機的快速響應特性對發動機進行轉矩補償,達到總需求轉矩不產生大的波動的目的。實現這一控制的前提是混合動力控制系統能實時反饋發動機的轉矩。一般的發動機本身不提供發動機的轉矩反饋,為達到混合動力系統動態控制的目的,必須對發動機進行穩態和動態轉矩估計。

發動機的轉矩估計方法目前主要有三種:基于發動機平均值模型、基于發動機曲軸瞬時轉速波動和基于神經網絡的轉矩估計算法[3]。本研究通過AVL動態實驗臺測試了發動機的穩態特性和動態特性,并利用BP神經網絡工具實現了對發動機穩態和動態轉矩特性的估計。圖2、圖3所示分別為經訓練得到的發動機穩態轉矩估計網絡和油門開度變化率在dα/dt=100%s—1時的動態轉矩估計網絡。

4 電動機轉矩補償控制策略

在并聯混合動力系統中,轉矩預分配策略按照汽車駕駛員的轉矩需求預先確定發動機和電動機的目標轉矩,以使汽車按照駕駛員意圖運行。在并聯混合動力系統工作模式不斷變化的過程中,可能引起發動機和電動機目標轉矩的突變,造成動力源動力輸出不足或超調,同時可能引起傳動系統動力傳遞不平穩,需要進行電動機補償控制。當并聯混合動力系統工作模式發生切換時,可以充分利用電動機對轉矩控制指令迅速響應的特性來調節發動機對其目標轉矩的響應程度。這樣就構成了并聯混合動力系統轉矩動態控制策略的基本結構,如圖4所示。

由于發動機目標轉矩Te是按照當前狀態下發動機穩態效率MAP圖確定的,因此目標轉矩是發動機在當前狀態下的穩態轉矩,也就是說分配給發動機的轉矩是多能源控制總成預分配的轉矩。根據該轉矩,多能源總成控制器給發動機油門控制器發送指令,通過控制發動機節氣門開度來輸出轉矩,這一節氣門開度指令是由節氣門開度計算模塊計算確定的。根據預分配轉矩,節氣門開度模塊計算出當前狀態下發動機需開啟的節氣門開度;發動機轉矩估計模型根據這一節氣門開度估計出當前狀態下發動機實際輸出的轉矩。若發動機在當前狀態下為穩態,則輸出轉矩為穩態轉矩(即目標轉矩Te);若發動機在當前狀態下為動態,則對應輸出轉矩為動態轉矩Te_d。穩態和動態是根據發動機節氣門開度變化率的大小來判斷的,一般情況下,節氣門開度變化率小于25%s—1時即認為是穩態,否則為動態。

為了滿足總需求轉矩即變速器輸入端轉矩Treq的需求,此時需要電動機輸出剩余的轉矩需求,即對電動機的實際需求轉矩應該為Tm_d:

這樣就可以充分利用電動機對轉矩響應迅速且任何狀態下零排放的特點,來保證并聯混合動力系統中的發動機在當前狀態下效率最優而排放較低,并且彌補發動機轉矩響應延遲導致的轉矩輸出不足或超調的缺點。

5 動態控制基本算法仿真

根據算法研究的需要,本文應用MAT LAB/Simulink編制了整車仿真模型,并在此基礎上進行了定工況和全工況仿真研究。

5.1 定工況仿真

在定工況過程中,并聯混合動力系統的運行狀態是預先設定的,即發動機和電動機的運行狀態給定,不需要經過轉矩預分配策略對兩者的轉矩進行確定。對采用轉矩動態控制策略和不采用轉矩動態控制策略的有關仿真結果進行對比,考察轉矩動態控制策略在特定運行狀態時的控制效果。定工況研究就是為了在特定工況中具體考察并聯混合動力系統轉矩輸出的情況。本文僅以發動機驅動切換為純電動的過程為例進行說明,假設切換前后傳動系統傳動比為1,駕駛員對動力系統的需求總轉矩維持在45N˙m,則切換前后發動機和電動機的轉矩變化情況如表2所示。

表2 發動機驅動切換為純電動前后發動機和電動機目標轉矩的變化情況

圖5、圖6所示分別為發動機驅動模式向純電動模式切換過程中不采用動態控制算法和采用動態控制算法得到的結果。如圖所示,t=8s時混合動力系統工作模式發生了切換。比較圖5、圖6可看出,不采用動態控制算法時,動力系統的實際輸出總轉矩在狀態切換瞬間出現了很大的波動(圖5a),進而使得加速度出現了大的波動(圖5c),這樣勢必影響整車舒適性;而采用動態控制算法時,盡管動力系統實際輸出總轉矩在切換瞬間也出現波動,但波動很小(圖6a),加速度也波動不大(圖6c),整車舒適性較好。

沒有轉矩動態控制時(圖5),在系統發出狀態切換指令后,電動機即刻停機,輸出轉矩由45 N˙m驟減到0(圖5b),同時要求發動機能及時輸出同樣的目標轉矩45N˙m,但由于發動機對節氣門信號響應滯后,導致發動機實際輸出轉矩不能跟蹤其目標轉矩45N˙m,動力系統實際輸出的總轉矩不能滿足駕駛員的轉矩需求,出現驅動轉矩不足的現象,汽車加速度也隨之急劇減小而產生較大的沖擊,影響汽車動力傳遞的平穩性。

采用轉矩動態控制時(圖6),系統接到切換指令后,發動機接到45N˙m的目標轉矩指令,但發動機實際輸出轉矩不能即刻達到45N˙m,只能由0逐漸增大到45N˙m;另一方面,電動機的輸出轉矩也沒有直接由45N˙m減到0,而是利用其對控制指令響應的迅速性,根據發動機轉矩輸出情況,逐漸遞減到0(圖6b),從而保證了發動機和電動機轉矩之和(即動力系統實際輸出的總轉矩)能夠較好滿足駕駛員轉矩的需求,使得在工作模式發生切換的過程中汽車加速度變化比較平穩?？梢?在并聯混合動力系統定工況工作模式切換過程中轉矩動態控制策略較好地保證了并聯混合動力系統對動力性的要求,同時也可以保證動力傳遞平穩。

5.2 全工況仿真

全工況仿真是指對駕駛員模塊中輸入踏板行程參數后,隨踏板行程、車速以及蓄電池SOC值等參數的變化,并聯混合動力系統經歷若干個連續狀態變化的過程進行仿真。在全工況仿真過程中,發動機、電動機目標轉矩按照混合動力系統轉矩管理策略確定,并相應地確定混合動力系統的運行模式;轉矩動態控制策略應能保證在混合動力系統工作模式發生切換的過程中,發動機和電動機輸出轉矩之和(即變速器輸入轉矩)滿足駕駛員對轉矩的需求,并保證轉矩傳遞平穩。全工況仿真包括加速過程和減速過程,本文僅以加速過程的全工況仿真進行說明。圖7和圖8分別示出了不采用轉矩動態控制策略和采用轉矩動態控制策略時的仿真結果。駕駛員加速踏板的行程在第2s時以30%s—1的變化率增大,在5.33s時行程達到最大。隨著踏板行程的持續增大,混合動力汽車的工作狀態在4.67s時由純電動切換為發動機和電動機共同驅動。

由圖7a、圖8a可看出,除變速器換擋期間發動機和電動機轉速有差別外,其他期間轉速曲線差別不大,這是因并聯混合動力耦合系統轉速存在1∶1的關系,使發動機和電動機轉速相等。

圖7b和圖8b、圖7c和圖8c反映了車速和整車加速度的變化情況。由于采用了轉矩動態控制,在并聯混合動力系統工作模式發生切換的第4.67s時刻,圖8b的車速曲線比圖7b的車速曲線相應部分平滑。這是由于在混合動力系統工作模式切換時,電動機輸出轉矩有效地彌補了發動機轉矩輸出的不足,因而使得圖8c中的汽車加速度曲線在第4.67s時較圖7c的汽車加速度曲線相應部分振蕩幅度小得多。

圖7d中,電動機首先啟動,提供系統所需轉矩,在第4.67s時由于電動機提供的轉矩不能滿足系統的轉矩需求,因此發動機啟動,參與提供駕駛員的需求轉矩,混合動力系統的工作模式由純電動切換為聯合驅動,此后混合動力系統一直工作于聯合驅動的狀態。由于發動機對轉矩需求信號響應的滯后,因此發動機輸出的轉矩變化較慢,但電動機輸出轉矩迅速按照整車控制策略的分配規則迅速減小。圖8d中,由于運用了轉矩動態控制策略,因此發動機輸出轉矩增大較慢;由于發動機參與提供系統所需轉矩,電動機輸出轉矩有所減小,但由于電動機此時輸出的轉矩中還有應該包含發動機轉矩輸出的不足部分,因此電動機轉矩輸出減小速度較慢,這樣在滿足駕駛員轉矩需求的前提下,同時也保證了轉矩輸出的平穩。

由圖7e、圖8e可以看出,除去換擋引起的轉矩波動以及工作模式切換引起的轉矩波動外,兩轉矩曲線吻合較好,即并聯混合動力系統能夠較好地滿足駕駛員需求轉矩。在混合動力系統工作模式發生切換的第4.67s時刻,不采用動態控制策略時實際輸出總轉矩波動較大(圖7e),而采用動態控制策略后,其實際輸出總轉矩變化平穩(圖8e),達到了動態控制的目的。

6 結論

發動機穩態特性和動態特性存在較大差異,使得并聯混合動力電動汽車在狀態切換過程中,因發動機實際輸出轉矩與預分配的目標轉矩存在差異而影響整車舒適性。為此,本文對混合動力系統狀態切換過程進行分析,以切換過程中總需求轉矩不發生大的波動為目標,利用電動機響應快的特點,提出了并聯混合動力系統“轉矩預分配+發動機調速+發動機動態轉矩估計+電動機轉矩補償控制”的動態控制算法。為驗證算法的有效性,搭建了整車仿真平臺,并分別進行了采用動態轉矩控制算法和不采用動態轉矩控制算法的定工況和全工況仿真。仿真結果表明,上述動態控制算法能有力地解決并聯混合動力汽車在狀態切換過程中轉矩波動大的問題,大大提高了狀態切換過程中整車的舒適性。

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