并联混合动力电动汽车动态协调控制策略及仿真研究

并联混合动力电动汽车动态协调控制策略及仿真研究严运兵1暋颜伏伍2暋杜常清21.武汉科技大学,武汉,430081暋暋2.武汉理工大学,武汉,430070摘要:并联混合动力汽车在发动机和电动机工作过程中,需要根据路况进行能量分配和工作模式切换。以并联混合动力汽车在状态切换过程中总转矩不发生大的波动为控制目标,提出“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制暠的动态控制策略。以MATLAB为仿真平台,搭建了基于整车动态控制的仿真模型,对上述基本控制算法进行了定工况和全工况仿真验证。结果表明,在各种状态切换过程中,动态控制算法能有效控制混合动力系统的转矩波动,保证动力传递的平稳性。关键词:并联混合动力电动汽车;动态控制;控制策略;转矩补偿中图分类号:U461.1暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)02—0234—06ResearchonStrategyandSimulationforDynamicCoordinativeControlofPHEVYanYunbing1暋YanFuwu2暋DuChangqing21.WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,4300812.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430070Abstract:ItisnecessaryforPHEVtodistributeenergybetweenengineandmotorandtocontrolstate-switchduringwork.Aimedatkeepingthetotaltorqueunchangingunderstate-switch,adynamiccontrolalgorithmwasputforward,whichcanbeexpressedasmotortorquecompensationforengineaftertorquepre-distribution,enginespeedregulationanddynamicenginetorqueestimation.TakingMATLABastheplatform,avehiclecontrolsimulationmodelwasbuilt,basedonwhichthefundamentalcontrolalgorithmwasverifiedbysimulationtestingwithfixedstate-switchconditionsandconsecutivestate-switchconditions.Theresultsdemonstratethatthedynamiccontrolalgorithmcaneffectivelydampentorquefluctuationsandensurepowertransfersmoothlyundervariousstate-switches.Keywords:PHEV(parallelhybridelectricvehicle);dynamiccoordinativecontrol;controlstrategy;torquecompensation收稿日期:2009—02—17基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2005AA501220-3);湖北省自然科学基金资助项目(2009CDB361);湖北省机械传动与制造工程重点实验室资助项目(2007A07)0暋引言根据并联混合动力系统中电动机输出动力与汽车驱动系统的组合位置的不同,并联混合动力传动系统可分为单轴联合式、双轴联合式和单驱动系联合式等3种基本形式,这3种基本形式的动力传动系统都能实现发动机驱动、纯电动以及发动机/电动机联合驱动这3种驱动模式。此外,在特定情况下混合动力系统还可以实现驱动状态下的行车充电模式以及减速制动状态下的再生制动(能量回馈)模式[1飊2]。根据路况,并联混合动力汽车在工作过程中选择其工作模式并进行能量分配,完成工作模式的切换。暋暋按照时间尺度和系统响应特性,可以将混合动力汽车的控制问题分为两类[3]:栙在稳态和动态过程中多个动力源的转矩分配(也可以是功率分配)与效率优化问题,主要根据两动力源的稳态特性进行控制,属于能量管理的研究范畴;栚状态切换过程中动力源间的相互配合问题,属于动态控制的研究范畴,这一问题还涉及发动机转矩的实时反馈。多年来,虽然对并联混合动力汽车的能量管理研究较多,但都主要集中在并联混合动力系统稳态过程中多个动力源的能量分配和效率优化方面[4飊8],对控制策略中涉及混合动力系统工作模式切换过程中的转矩动态控制的研究相对较少。事实上,在状态切换过程这一很短的时间内,发动机和电动机的油门开度发生急剧变化,此时发动机转矩等输出由于其响应滞后于油门开度的变化而呈现动态特性,动态特性相对稳态特性有较大滞·432·中国机械工程第21卷第2期2010年1月下半月ClicktobuyNOW!PDF-XChangeViewer!PDF-XChangeViewer后,使输出转矩不足或出现超调;电动机则能迅速响应油门开度的变化而呈现出与稳态时几乎相同的动态特性[9]。这样,如果仍然根据稳态特性进行能量分配,势必因为发动机稳态特性和动态的差别而造成总需求转矩在状态切换前后出现较大波动,影响整车的舒适性。可见,在状态切换过程中,对发动机和电动机进行动态协调控制是必须的。动态协调控制的关键在于控制切换过程中总需求转矩(即发动机和电动机转矩之和)的波动幅度,控制方法主要是以发动机的实时转矩反馈为基础,利用电机的快速响应特性进行转矩补偿,达到总需求转矩不产生大的波动从而提高舒适性的目的。日本丰田公司的Prius混合动力汽车利用其特有的动力分配机构很好地解决了发动机和电动机的动态协调控制问题,但该技术只适用于具备动力分配机构的混合动力系统,不具普适性[10]。为此,需要提出新的具有较大范围适应性的动态控制策略。1暋混合动力汽车的运行状态分析及控制算法的提出暋暋以图1所示单轴并联混合动力结构为本文控制算法的研究对象。在该混合动力结构中,电动机与发动机共轴,由此决定了电动机的三种工作状态:空转、驱动及制动。其控制也相对简单,只是对电子油门的开和关进行控制,控制比较迅速。而要过渡到发动机工作或发动机关闭状态,则存在发动机的启动、调速和停机问题,在发动机启动和停机过程中还存在离合器接合与分离的问题,在此将这一问题统称为发动机的调速。相应地,混合动力系统动态控制算法中应包含发动机的调速控制。图1暋单轴并联混合动力系统结构表1为图1所示结构可能的5种运行状态。根据道路负载的大小,混合动力系统的运行状态可能在纯电动、发动机驱动、行车充电、联合驱动、能量回馈5种目标状态间相互切换。在任一运行状态下,混合动力系统的多能源总成控制器根据驾驶员的加速踏板开度确定出整车的需求转矩,并将这一需求转矩合理地分配给发动机和电动机,在此表1暋并联混合动力系统运行状态当前状态名称工作模式发动机电动机可能的目标状态纯电动关闭驱动暋发动机驱动模式/行车充电模式/联合驱动模式/能量回馈模式发动机驱动驱动空转暋纯电动模式/联合驱动模式/行车充电模式/能量回馈模式联合驱动驱动驱动暋纯电动模式/发动机驱动模式/行车充电模式/能量回馈模式行车充电驱动发电暋发动机驱动模式/联合驱动模式/行车充电模式/能量回馈模式能量回馈关闭发电暋发动机驱动/纯电动模式/发动机驱动模式/行车充电模式称之为预分配。暋暋以整车运行状态从纯电动切换到发动机驱动为例分析状态切换过程。切换前,假设电动机的输出转矩为60N·m,切换时电动机的目标转矩需要由60N·m快速变为0,发动机目标转矩需要由0很快达到电动机切换前的转矩60N·m,这样才不至于引起总目标转矩的波动。在这一切换过程中,发动机为了及时达到目标转矩,其节气门开度会在很短时间内快速增大到发动机目标转矩对应的节气门开度。由此可知,发动机在节气门开度变化过程中,输出转矩实际上不可能快速达到目标转矩,这样会引起状态切换过程中总目标转矩产生波动,进而造成整车的冲击,影响舒适性。与发动机存在响应滞后不同,电动机能很快响应电子油门,输出其目标转矩,如果在切换过程中能由电动机将发动机稳态转矩与动态转矩差值补偿到总目标转矩中去,则总的目标转矩可保持稳定。由此可见,在状态切换阶段,首先需要对发动机和电动机进行转矩预分配,确定两者的目标转矩,然后根据发动机和电动机的动态特性,对状态切换过程中出现的发动机转矩与预分配转矩的偏差进行适当的补偿。由此,补偿控制也就被包括在混合动力系统动态控制算法中。综上所述,并联混合动力系统动态控制算法包括两方面的内容,即发动机、电动机目标转矩的预分配和动态切换过程中的补偿控制。补偿控制算法中,必须首先知道发动机的动态输出转矩,才能算出电动机需补偿的转矩,这正是上述发动机转矩估计问题。归结起来,并联混合动力系统动态控制算法可概括为“转矩预分配+发动机调速+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制暠。其中,由于发动机调速控制只在部分工况下发生,故一般工况下动态控制基本的算法是“转矩预分配+发动机动态转矩估计+电动机转矩补偿控制暠。发动机调速控制因发动机频域特性较为复·532·并联混合动力电动汽车动态协调控制策略及仿真研究———严运兵暋颜伏伍暋杜常清ClicktobuyNOW!PDF-XChangeViewer!PDF-XChangeViewer杂,仿真很难达到预期效果,需进行大量调速试验研究,故本文不涉及发动机的调速仿真。2暋转矩预分配策略转矩预分配策略属于混合动力系统的能量管理范畴。动态控制算法是以转矩波动不大为控制目标的,因此需要对发动机的转矩、电动机的转矩及总的需求转矩等进行识别。转矩预分配研究主要包括两部分:栙确定总需求转矩;栚确定各工作模式下的目标转矩。鉴于逻辑门限控制策略的可靠性及较强的实现性,本文利用发动机与电动机的稳态效率脉谱(MAP)、挡位及蓄电池荷电状态(SOC)等来制订转矩预分配策略。3暋并联混合动力汽车发动机的转矩估计如前所述,动态协调控制的方法主要以发动机的实时转矩反馈为基础,利用电动机的快速响应特性对发动机进行转矩补偿,达到总需求转矩不产生大的波动的目的。实现这一控制的前提是混合动力控制系统能实时反馈发动机的转矩。一般的发动机本身不提供发动机的转矩反馈,为达到混合动力系统动态控制的目的,必须对发动机进行稳态和动态转矩估计。发动机的转矩估计方法目前主要有三种:基于发动机平均值模型、基于发动机曲轴瞬时转速波动和基于神经网络的转矩估计算法[3]。本研究通过AVL动态实验台测试了发动机的稳态特性和动态特性,并利用BP神经网络工具实现了对发动机稳态和动态转矩特性的估计。图2、图3所示分别为经训练得到的发动机稳态转矩估计网络和油门开度变化率在d毩/dt=100%s-1时的动态转矩估计网络。图2暋发动机的稳态转矩估计网络4暋电动机转矩补偿控制策略在并联混合动力系统中,转矩预分配策略按照汽车驾驶员的转矩需求预先确定发动机和电动图3暋d毩/dt=100%s-1时发动机的动态转矩估计网络机的目标转矩,以使汽车按照驾驶员意图运行。在并联混合动力系统工作模式不断变化的过程中,可能引起发动机和电动机目标转矩的突变,造成动力源动力输出不足或超调,同时可能引起传动系统动力传递不平稳,需要进行电动机补偿控制。当并联混合动力系统工作模式发生切换时,可以充分利用电动机对转矩控制指令迅速响应的特性来调节发动机对其目标转矩的响应程度。这样就构成了并联混合动力系统转矩动态控制策略的基本结构,如图4所示。图4暋并联混合动力系统电动机补偿控制算法结构图由于发动机目标转矩Te是按照当前状态下发动机稳态效率MAP图确定的,因此目标转矩是发动机在当前状态下的稳态转