单电机式强混合动力车辆控制策略

单电机式强混合动力车辆控制策略戴一凡暋罗禹贡暋边明远暋李克强清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084摘要:提出了基于一种新型的单电机、双离合器式强混合动力结构的车辆分层控制系统方案,制定了整车能量管理策略,并研究了车辆行进中启动发动机过程的动态协调控制方法。通过自行开发的前向仿真系统对能量管理策略进行了验证,在NEDC循环工况下等效百公里油耗降低了34%。同时通过动态台架试验,对车辆行进中启动发动机的动态协调控制策略进行了验证。关键词:强混合动力;单电机;分层控制系统;动态协调控制中图分类号:U469.72暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)07—0872—05ControlStrategyforaFullHybridVehiclewithSingleMotorDaiYifan暋LuoYugong暋BianMingyuan暋LiKeqiangStateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing,100084Abstract:Alayeredcontrolsystemwasestablishedbasedonanewlydevelopedfullhybridvehiclewiththestructureofsinglemotoranddoubleclutches,energymanagementstrategywasinstitutedandtheconcertedcontrolstrategyfordynamicprocessofenginestartwhiledrivingwasstudied.Theenergymanagementstrategywasvalidatedbyadevelopedforwardsimulationmodel,afuelconsump灢tionreductionof34%intheNEDCdrivingcycleisachieved.Adynamictestbenchwasbuilttocon灢firmtheconcertedcontrolstrategyfordynamicprocessofenginestartwhiledriving.Keywords:fullhybrid;singlemotor;layeredcontrolsystem;concertedcontrolstrategy收稿日期:2009—06—02基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2006AA11A107)0暋引言强混合动力(fullhybrid)车辆能够实现混合动力系统的所有功能,其节油效果在各类混合动力车辆中最佳,尤其适合启停频繁的城市工况。随着市场对低油耗低排放车辆需求的日益强烈[1],以及国家相关鼓励措施的出台,强混合动力车辆的市场前景被普遍看好。目前国内外的强混方案多采用双驱动电机结构,如丰田公司的Prius车型[2]和雷克萨斯RX400h车型[3],以及国内的一汽奔腾B70HEV车型[4]。双电机结构有运行平稳的优势,但其缺点是成本过高。单电机式结构成本低廉,但其存在模式切换冲击较大、动态过程控制复杂等问题,需要一套有效的控制策略对其动态过程进行协调控制。本文所研究的强混合动力系统,采用了一种新型的单电机、双离合器式结构。在副离合器位置用限力矩离合器代替了传统干式离合器。基于这种结构特点,本文提出了强混合动力系统的分层控制系统方案。采用基于优化ICE曲线的整车能量管理策略,并对行进中启动发动机过程进行动态协调控制。通过仿真分析了整车燃油经济性,并通过台架试验对动态协调控制进行了验证。1暋混合动力系统结构本文所研究的强混方案系统结构如图1所示。图1暋强混方案系统结构单电机结构是本方案一大特点,不仅较目前常见的双电机结构节约了成本,其控制过程也相对简单可靠。本方案的另一特点是限力矩离合器的使用,可以使驱动电机启动发动机的过程平缓可控,减小对传动系统的冲击。该方案为前驱结构,动力系统包括1灡5L直列四缸发动机、驱动电机。传动系统包括五挡手动变速器(MT)及主减速器。限力矩离合器断开时,可由驱动电机单独驱动车辆。限力矩离合器接合过程中,驱动电机可在驱动车辆的同时启动发动机。当接合过程完成后,发动机与驱动电机可共同驱动车辆行驶。单向离合器使得电机转速不会低于发动机转速,即保证发动机启动完成后,限力矩离合器两端没有转速差,不会造成限力矩离合器的过度滑摩。·278·中国机械工程第21卷第7期2010年4月上半月车辆控制系统包括多能源总成控制器(HCU)、发动机控制器(ECU)、电池控制器(BCU)、电机控制器(IPU),它们通过CAN总线进行通信。该强混结构还保留了传统车上的12V启动电机,以保证动力电池电量过低时发动机能正常启动。2暋分层控制系统2.1暋分层控制系统结构分层控制系统结构如图2所示。图2暋分层控制系统结构外部输入条件包括驾驶员的操纵意图和车辆运行状态反馈。控制层分为三级,其中能量管理策略根据外部输入条件判断驾驶员意图,选择相应的车辆工作模式并对动力系统进行功率分配。发动机、驱动电机及限力矩离合器的工作状态由动态协调系统进行控制,保证动力系统响应及时且车辆运行平稳。在满足部件工作的转矩、转速等限制条件时,控制器对各部件输出控制命令。本研究的核心在于能量管理策略能否有效地发挥该强混方案的节油优势及行进中启动发动机动态过程的控制效果。2.2暋能量管理策略能量管理系统结构如图3所示。图3暋能量管理系统结构2.2.1暋驾驶员意图识别驾驶员意图识别包括驱动/制动意图判断和需求功率计算。由表1可以确定驾驶员驱动/制动意图。其中,滑行是指车辆既不提供驱动力又不进行制动的状态。表1暋驾驶员驱动与制动需求的确定踏板状态车速高车速低只踩加速踏板驱动驱动只踩制动踏板制动制动两踏板均未踩制动滑行两踏板均踩下制动制动暋暋需求转矩决定于车速与加速踏板行程。其定义曲面采用的是原有某款同级别车型的实测数据。该数据通过滑行、大加速、最高车速等几个关键点的需求转矩情况,拟合出整个车辆需求转矩曲面,主要是通过驾驶员的感受来进行调节的[5]。2.2.2暋模式选择模式选择部分接收输入的驾驶员意图与车辆状态,根据基于“优化ICE曲线暠的控制策略划分的工作区域,决定车辆的工作模式。图4所示为发动机Map图上的工作区域划分,表2所示为根据转矩杂件的工作区域划分。其中,需求转矩Tr是关于需求转速n的函数;T1、T2、T3分别为纯电动区域上限转矩、经济性充电区域上限转矩、发动机外特性曲线对应转矩。T1、T2分别由下式确定:图4暋Map图上的工作区域划分表2暋根据转矩条件的工作区域划分转矩条件工作模式Tr曑T1纯电动T1Tr曑T2经济性充电T2Tr曑T3发动机单独工作TrT3电机助力T1=45N·m暋暋暋暋暋n曑3500r/min(-0.09n+360)N·m3500r/minn曑4000r/min04000r/minn曑6000r/{min(1)T2=61N·m暋暋暋暋暋n曑4500r/min(-0.0073n+94)N·m4500r/minn曑6000r/{min(2)纯电动区域上限转矩T1与经济性充电上限转矩T2是由仿真结果调整得出的最优值。由于该发动机在外特性线处效率较高,故外特性曲线对应转矩T3即为发动机驱动区域的上限转矩。当需求转矩超出T3后,由电机补充额外的转矩。·378·单电机式强混合动力车辆控制策略———戴一凡暋罗禹贡暋边明远等2.2.3暋功率分配驱动状态下,根据本方案的双离合器、单电机特点,定义了车辆的若干种工作模式及其相应的功率分配策略,如表3所示。其中Tm、Te、Ts分别表示电机转矩、发动机转矩、发动机启动所需转矩,Tch、Te,max表示经济性充电模式下的发动机工作转矩及发动机可以提供的最大转矩。表3暋驱动模式划分及扭矩分配驱动状态模式功率分配纯电动纯电动Tm=Tr,Te=0过渡阶段停机启动怠速启动Tm=Tr+Ts,Te=0Tm=Tr,Te=0发动机参与驱动经济性充电发动机单独驱动电机助力Tm=-(Tch-Tr),Te=TchTm=0,Te=TrTm=Tr-Te,max,Te=Te,max暋暋制动状态下,在保留传统车辆液压制动系统的基础上增加了电机能量回馈功能。车辆受到的制动力包括液压系统产生的摩擦制动力和驱动电机的再生制动力[5]。前轮受到的制动力如下:FXf=Thf+Tmigi0rw(3)式中,Thf为液压制动系统对前轮的制动力矩;Tmb为驱动电机发出的制动力矩;ig为变速器传动比;i0为主减速器传动比;rw为车轮半径。图5显示了摩擦制动力矩与再生制动力矩的分配关系。制动踏板开度在10%以内时,由于空行程和液压系统迟滞,没有摩擦力矩产生,此时电机提供制动力矩。随着制动踏板开度增大,再生制动力矩以一定斜率增大至最大转矩Tm,max,摩擦制动力矩也逐渐增大。制动强度很大时停止再生制动,避免干扰ABS正常工作。图5暋摩擦制动力矩与再生制动力矩分配关系2.3暋行进中启动发动机动态协调控制车辆处于纯电动运行状态下,由于加速或爬坡等因素,需要接合限力矩离合器以启动发动机共同驱动。此时电机在提供车辆行驶所需驱动力的同时,还需要配合限力矩离合器的接合过程,提供启动发动机所需转矩,使发动机从静止到设定转速的过程不超过0灡4s[6]。该过程中,电机转矩与限力矩离合器的接合动作需要动态协调控制,以保证发动机正常启动且不对车辆的正常行驶造成过大冲击。当限力矩离合器的结构确定后,滑动摩擦力矩T只取决于作用于摩擦面上的总压力N,即取决于限力矩离合器的油压大小。因此对限力矩离合器目标油压的控制可以有效地解决启动过程中对传动系统的冲击问题。目标压力通过PID控制器进行调节,传递函数如下:G(s)=KP+KIs+KDs(4)式中,KP、KI、KD分别为比例环节参数、积分环节参数、微分环节参数。依据式(3),可以建立离散化的PID控制器模型:pt=KPpr+KI曇t0prdt+KDdprdt(5)式中,pt、pr分别为目标压力、反馈实际压力(接合压力),MPa。KP、KI、KD参数值通过仿真进行调整,以得到较好的控制效果。目标压力pt通过台架试验结果调整,选取合适值。行进中启动发动机过程的时序如图6所示。其中,t1为启动过程开始时刻;t2为电机加载启动转矩时刻;t3为电机卸载启动转矩时刻。图6暋行进中启动发动机时序图启动过程中对电机的控制包括加载启动转矩的大小、加载时刻和卸载时刻。其中加载时刻由限力矩离合器油压建立过程决定,卸载时刻由发动机转速决定,启动转矩大小通过台架试验选取合适值。表4所示为行进中启动发动机的动态协调控制过程。其中,p0与n0分别为设定的限力矩离合器油压与发动机启动转速门限值。表4暋行进中启动发动机协调控制过程启动过程开始pr=p0ne=n0暋暋油压建立prp0prp0prp棆棆棆0电机转矩TrTr+TsT棆棆棆r发动机转速ne=0nen0nen棆棆棆0t1t2t3·478·中国机械工程第21卷第7期2010年4月上半月3暋经济性能仿真3.1暋仿真系统建立建立了前向仿真系统,共包括循环工况、驾驶员模型、车辆控制器、动力系统、传动系统、车辆动力学模型六大模块。仿真中整车整备质量为1400kg,发动机排量为1灡5L,最大功率69kW,电机功率为12kW,电池容量为6灡3A·h。由于该仿真模型不能对动态过程进行准确模拟,故只用其进行油耗仿真分析。3.2暋仿真结果在NEDC循环工况下进行仿真分析。对车速跟踪结果、车辆运行模式、发动机工作点、电机工作点、电池荷电状态SOC(stateofcharge)等进行了仿真分析,截取其中430~630s的一段数据如图7所示。图7暋能量管理策略仿真验证在起步阶段,电机提供车辆驱动所需转矩,发动机转矩为零,为纯电动模式,此时SOC值降低。随着车速提高,发动机被启动,车辆进入经济性充电模式,电机转矩为负,处于发电状态,SOC值升高。匀速阶段车辆回到纯电动模式