并联混合动力汽车换档决策的研究分析--胡先锋

并联混合动力汽车换档策略的研究分析胡先锋（合肥工业大学安徽合肥230009）摘要：并联混合动力汽车的换档策略作为整车能量管理策略的一部分，对整车的动力性、经济性及排放性能都有较大的影响。对于并联混合动力汽车，应该采用与其能量管理策略相符合的换挡策略。通过对混合动力汽车动力系统结构和能量管理策略策略的分析，以及当前应用的各种自动变速器换档规律，提出了并联混合动力汽车换档决策研究的重点和突破方向，对混合动力汽车的控制策略设计具有借鉴意义。关键词：并联混合动力汽车；动力系统；能量管理策略；换档策略StudyongearshiftstrategyofParallelHybridElectricVehicleHuXianfeng（HefeiUniversityofTechnologyAnhuiHefei230009）Abstract:Aspartoftheenergymanagementstrategy,thegearshiftstrategyhaseffectsonthedynamical,economicalandeventheemissionsperformanceoftheParallelHybridElectricVehicle(HEV).ThegearshiftstrategymustadaptforaPHEVenergymanagementstrategy.ByanalyzingthestructureofHEVpowertrainandtheenergymanagementstrategy,andshiftscheduleofauto-transmissionnowused.Meanwhile,theresearchemphasisandbreakthroughdirectionofthethegearshiftstrategyofPHEV,whichwillhavesomehelpfortheHEVdesign,areputforward.Keyword:ParallelHybridElectricVehicle；powertrain；energymanagementstrategy；gearshiftstrategy0.引言换档规律是指自动变速器在自动换档时随控制参数变化而变化的规律。换档规律的好坏，直接影响车辆的动力性、经济性、排放特性、舒适性等性能的好坏，是自动变速器的关键技术。传统汽车上自动变速器应用的换档规律包括单参数换档规律[1]、两参数换档规律[1-2]以及动态三参数换档规律[3-6]。目前对混合动力汽车动力系统的研究多集中在能量管理策略上，通过优化转矩分配控制，来使混合动力汽车达到最佳燃油经济性和动力性要求。然而，却很少对相应的混合动力汽车的换档规律进行研究。在一定路况下，发动机和电动机混合驱动的工况占了很大的比例，使用传统的换档规律必然会导致汽车的动力性和经济性无法达到设计要求。因此有必要按混合动力汽车的特性，将电机及动力电池参数也作为换档控制参数来制定换档规律。1.并联混合动力系统的结构及其控制策略分析1.1并联混合动力汽车动力系统结构示意图图1并联混合动力汽车动力系统结构图由图1可见，并联混合动力汽车的发动机与变速器是机械连接，动力系统由发动机、电机、动力电池组、功率转换装置、扭矩耦合装置和传动系统组成，主要特点是驱动系统有两种动力源——发动机和电动机。其动力系统工作模式有四种：1、发动机单独驱动；2、电动机单独驱动；3、发动机和电动机混合驱动；4、制动能回收。工作模式中具体的控制参数，由不同能量管理策略根据实际运行工况来定义和标定的。1.2混合动力汽车在不同结构和控制策略下的工况分析。并联混合动力系统的主要控制策略为：基线控制策略(BaselineControlStrategy，BCS)[7]、实时最优控制策略(RealTimeControlStrategy,RTCS)[7]、模糊控制策略(FuzzyLogicControl,FLC)[7]（1）基线控制策略（BCS）基线控制实际是一种固定的门限值控制方法，即根据不同工况来决定发动机和电机的运行状态，并将发动机和电动机的运行参数控制在有限区域内，以实现不同的控制目标。(2)、实时适应控制策略（RTCS）发动机的转速和扭矩工作范围较宽，其燃油经济区域与最低排放区不同，并且排放物NOX、HC和颗粒PM最低值的发动机工作区域也各不相同，为了获得理想的整车性能，必须折中处理燃油经济性和排放之间的关系。实时适应控制就是根据发动机的经济性和排放运行特点，利用最优控制原理，折中考虑燃油经济性和各排放物的特点，建立相应的目标函数，并使目标函数值最小来实现燃油消耗和各排放物都较少的目标。（3）、模糊控制策略（FCS）混合动力汽车模糊控制通常以电池组的SOC状态值和发动机的需求扭矩reqT或功率reqP作为输入变量，输出控制量是发动机功率eP和电机功率mP，根据输入条件和发动机的运行模式（如经济模式、效率模式或最低排放模式）确定发动机的工作点，如图2所示。图2模糊控制策略示意图2.传统汽车自动变速器换档规律传统汽车自动变速器的换档规律按照所选定的控制参数的不同，可分为单参数、二参数、三参数换档规律。单参数换档规律一般选用车速v作为控制参数，由于每个档的车速范围固定不变，故换档过程中不仅噪声较大，机件的磨损也较大，因此这种换档规律是不合理的。此外，这种单参数的系统也难以兼顾车辆动力性和经济性的要求。所以目前应用不多。二参数换档规律以油门e、车速v为控制参数。在车辆稳定行驶的前提下，能够按照预先设定的动力型或经济型换档规律进行换档，能够满足对车辆最佳动力性或最佳经济性的要求。由于控制简单，目前，传统自动变速车辆上普遍采用这种换档规律[2]。但是此种换档规律是基于发动机稳态特性设计的，而车辆的起步、加速和制动减速等是一个动态过程。根据二参数换档规律的不足，文献［6］提出了以反映车辆这一动态过程的三参数（油门开度e、车速v、加速度a）换档规律，并在CA-770轿车上做了加速过程的换档试验。试验表明，其性能明显优于两参数的控制［6］。对于相同的油门开度、相同的车速和加速度，车辆可能对应着两种不同的情况：即平路、满载情况和坡道、空载情况，而车辆在平直路面和坡道以及车辆在空载和满载时的换档规律应是不同的。因此，以不变的三参数换档规律也不能完全适应这一工况的变化。传统的两参数换挡规律和三参数换档规律设定后，在使用过程中始终保持不变，而混合动力汽车的动力系统结构比较复杂，其能量管理策略需要协调控制电机和发动机在各种工况下的转矩分配，还必须协调控制换档决策，所以对混合动力汽车动力系统的控制，需要更强的实时性和动态性，而传统的换档规律都不具备实时性和动态性，且没有将对动力性和燃油经济性影响极大的电动机转矩mT和动力电池荷电系数(StateofCharge,SOC)进行考虑，故传统的自动变速器换档规律不适合使用于混合动力汽车上。3.混合动力汽车换档规律研究方向针对使用基线控制策略的混合动力汽车，可将电动机参数作为换档规律的控制参数之一。混合动力汽车最佳动力性换档策略是指在当前发动机和电机“油门”时,选取能提供最大加速能力的档位[6]。根据其定义,一定发动机和电机油门下相邻两档加速度的交点即为动力性换档车速,所有发动机和电机油门换档车速的组合即为该档的最佳动力性换档策略.其中车辆加速度计算如下:krmewkkmFTTriia)(0(1)式中:k为档位;ki、为变速箱k档速比和机械传动效率;0i为主减速器速比;v为车速;eT、mT为发动机和主电机的输出转矩,其均为各自转速en、mn和“油门”e、m的函数，en=mn=wkriiv/0;wr为轮胎滚动半径;m为整车质量;k为汽车旋转质量换算系数;rF为车辆行驶阻力。通过实验可以获得发动机和电动机的转矩与转速、油门之间关系的实验数据，再利用上述车速v、发动机和电机“油门”e、m就可以得到最佳动力性换档规律。采用实时适应控制策略的混合动力汽车，其控制目标是汽车的燃油经济性和排放，通过最优控制原理来获得最佳燃油经济性和排放。故可以采用改进的最佳经济性换档策略，按其定义,计算一定驱动转矩时换档前后发动机、电机的总能耗,通过等效计算获得在当前档位的等效油耗，油耗较小的档位即为最佳经济性档位.混合动力汽车的能量最终都来自于燃油消耗,因此发动机、电机总能耗可用消耗的燃油量来表示.由于一部分能量以电能形式充、放于电池中,计算整车总油耗特别需要考虑电池电能的影响。因此，选择e、v、mT和SOC作为换档规律的参数.由于一定转速时,e与eT一一对应,换档参数中的e也可用eT代替[8]。随着智能控制理论的发展，出现了综合利用道路环境、驾驶员的操作特点、车辆的运行状况等信息的模糊逻辑档位决策方法［9］，其结构原理如图3所示。其工作原理是采集系统采集车辆运行状况和驾驶员的操作信息，由模糊推理Ⅰ判断出驾驶员的操作意图，如加速、超车、制动减速等。模糊推理Ⅱ判断出路面状况，如坡道、弯道等。模糊推理Ⅲ根据上述的推理结论和专家经验知识输出一个相应档位，是否换档由约束条件来决定。三菱公司研制的模糊换档系统，可以模仿优秀驾驶员的驾驶经验，在下坡或弯道行驶时，谨慎降速换档，并且在弯道上或当驾驶员踩加速踏板时，还避免了汽车不恰当的加速换档。图3模糊逻辑档位决策系统结构原理示意图使用模糊控制策略的混合动力汽车，通过建立模糊规则集来控制汽车动力系统的转矩分配。而模糊逻辑档位决策也是采集各种换档规律的数据，通过模糊推理进行换档操作。所以对于采用模糊控制策略的混合动力汽车，适合使用模糊逻辑换档决策，可以获得更好的整车性能。4.结论（1）混合动力电动汽车电机和动力电池参数对整车动力性经济性的影响非常大，所以在对混合动力汽车的换档规律制定过程中，必须将电机转矩mT和电池荷电系数SOC昨晚其换档规律的控制参数。（2）混合动力汽车动力系统的能量分配管理实时性和动态性较强，这也会使变速器输入轴的转速转矩会在各种工作模式下出现动态的变化，所以智能控制和模糊控制将作为混合动力汽车自动变速器换挡决策的一个重要的研究方向。参考文献[1]丁华荣，车辆自动换档[M].北京：北京理工大学，1992[2]申水文,葛安林.基于二参数换档规律的模糊换档技术[J].汽车技术,1997,13(3)[3]阴晓峰,谭晶晶,雷雨龙等.基于神经网络发动机模型的动态三参数换档规律[J].机械工程学报,2005,11(11)[4]葛安林,李焕松,武文治.动态三参数最佳换挡规律的研究[J].汽车工程.1992,14(4)[5]张国胜,牛秦玉,方宗德,杨剑.最佳燃油经济性换挡规律理论及其应用研究[J],中国机械工程,2005,16(5)[6]葛安林.车辆自动变速器理论与设计[M],北京机械工业出版社，1993[7]王保华,王伟明,张建武,罗永革.并联混合动力汽车控制策略比较研究[J],系统仿真学报,2006,18(2)[8]古艳春,殷承良,张建武并联式混合动力汽车机械式自动变速器换档策略[J],上海交通大学学报,200741(2)[9]HiroshiYamaguchi,YasushiNarita,HiroshiTakahashi.AutomaticTransmissionShiftScheduleControlUsingFuzzyLogic[C].SAEpaper930674,1993