并聯(lián)混合動力電動汽車的動態(tài)控制研究

1、武漢理工大學博士學位論文并聯(lián)混合動力電動汽車的動態(tài)控制研究 姓名:嚴運兵申請學位級別:博士專業(yè):車輛工程指導教師:顏伏伍20080401武漢理f:人學博十學位論文摘 要并聯(lián)混合動力汽車在發(fā)動機和電動機工作過程中,需要根據(jù)路況進行能量分 配和工作模式的切換。能量分配的研究已經(jīng)有大量成果,而工作模式切換控制 的研究還不多見?；旌蟿恿ぷ髂Ｊ降那袚Q實際上是個過渡過程,動態(tài)控制 的目的就是希望汽車在切換過渡過程中,保持平穩(wěn)運行,使整車在模式切換前 后的動力性、經(jīng)濟性、排放、舒適性不發(fā)生大的波動。本文針對這一問題,遵 循“文獻分析”“整車建模”“前期試驗”“算法仿真研究”一 一“驗證試驗”的技術(shù)路線,完

2、成了對混合動力系統(tǒng)的動態(tài)控制研究。根據(jù)動態(tài)控制的目的,本文對并聯(lián)混合動力系統(tǒng)進行了動力學理論建模。建 模過程中,基于內(nèi)燃機的熱力學過程,首次建立了圖形化的發(fā)動機偽鍵合圖模 型;根據(jù)杠桿法,建立了AL4自動變速系統(tǒng)的動力學模型;并構(gòu)建了多能源動 力總成控制體系結(jié)構(gòu)。鑒于偽鍵合圖發(fā)動機模型在實際控制上的缺陷,本文對發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài) 特性進行了試驗研究。得出了發(fā)動機動態(tài)特性隨發(fā)動機節(jié)氣門開度、節(jié)氣門開 度變化率、轉(zhuǎn)速這三個因素而變化的規(guī)律;以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的預測功能,分別建立了發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計模型。論文以并聯(lián)混合動力汽車在狀態(tài)切換過程中總轉(zhuǎn)矩不發(fā)生大的波動為控制 目標,提

3、出了“轉(zhuǎn)矩預分配+發(fā)動機調(diào)速+發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計+電動機轉(zhuǎn)矩補償 控制”的動態(tài)控制策略。以Matlab/Simulink為仿真平臺,搭建了基于整車動態(tài) 控制的仿真模型,進行了循環(huán)工況仿真研究,驗證了仿真模型的正確性。在此 基礎(chǔ)上,進一步對上述基本控制算法進行了定工況和全工況仿真驗證。通過搭建試驗臺架,借助dSPACE快速控制原型工具,對動態(tài)控制算法進行 了試驗驗證。結(jié)果表明,在各種狀念切換過程中,動態(tài)控制算法能有效控制混 合動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動,保證動力傳遞的平穩(wěn)性。關(guān)鍵詞:并聯(lián)混合動力汽車,能量預分配策略,發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計,動態(tài)控制武漢理廠人學博+學佗論文AbstractIt is necessar

4、y for Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEVto distribute energy between engine and motor and to control state-switch during work.Compared with the numerous documents about the energy distribution,the research on stateswitch control is rarely seen to report.In fact,the state-switch between operating。

5、modes is a transient process,in which the dynamic control is aimed at keeping the vehicle running smoothly whilstmaintains the hybrid system almost the same in power performance,fuel economy,low emission and driving comfort.In face of such a problem this paper successfully accomplishes the dynamic c

6、ontrol research by following the technical route from literature research,vehicle modeling,preliminary test and algorithm simulation tO validation test.According to the purpose of the dynamic control,a dynamics theoreticalmodel for PHEV system is built,which includes the pseudobond graph IC engine m

7、odel built on the basis of its thermodynamics process,AL4automatic transmission model built on the grounds of levermethod and the frame for the multi-energy power control unit.In view of the limitation of the bondgraph IC engine model in practice control, this paper focuses on the experiment investi

8、gation in the steady and dynamic characteristics of IC engine,by which the dynamic property of engine with the change of rotate speed,throttle percentage and its change rate is obtained.Based on the experimental data and taking on the advantage of neural network in function approximation,the steady

9、and dynamic engine torqueestimation models are constructed.Aimed at keeping the total torque unchanging under state-switch,the dynamic control algorithm is put forward,which can be expressed as motor torque compensation for engine after torque predistribution,engine speed regulation and dynamic engi

10、ne torque estimation.TakingMatlab/Simulink as the platform,the vehicle control simulation model is built and validated under driving cycle,based on which the fundamental control algorithm is verified by simulation testing with fixedstate.switch conditions and consecutive stateswitch conditionsThe dy

11、namic control algorithm is finally validated by experimental tests which are achieved by means of buildingtest.bench and getting help from the rapid control prototyping tool,dSPACE.Theresults demonstrate that the dynamic control algorithm can effectively dampen torquefluctuations and ensures power t

12、ransfer smoothly under various stateswitches.Keywords:Parallel Hybrid Electric Vehicle,Energy Pre。Distribution Strategy, Engine Torque Estimation,Dynamic Control獨創(chuàng)性聲明本入聲明,所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知,除了文中特別加以標注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果,也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做

13、的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名蘆日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明期:硎.紅!本人完全了解武漢理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定,即學校有權(quán)保留、送 交論文的復印件,允許論文被查閱和借閱;學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容,可以 采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。(保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定簽名:圣壘壘導師簽名:乏羞如期:皂墮:竺竺武漢理T人學博士學位論文1.1課題背景及意義第1章緒論隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車的產(chǎn)銷量和保有量在逐年急劇增加,這種 增加導致了石油資源的日益枯竭和對人類生活環(huán)境的破壞,因此世界各國紛紛 制定一系列十分嚴格的排放法規(guī),迫使汽車生產(chǎn)廠家設(shè)計并

14、生產(chǎn)低油耗、低排 放的汽車。隨著內(nèi)燃機電控技術(shù)和排氣凈化技術(shù)的研究與應用,汽車的油耗和 排放均降低到了前所未有的程度。但是能源緊張和排放污染問題還是沒有從根 本上得到解決。為此,世界各國的汽車制造商都在大力研究開發(fā)新型節(jié)能低污 染或零污染的汽車IlJ?；旌蟿恿ζ嚰夹g(shù)作為一項在短期內(nèi)能有效降低汽車能源消耗和排放的汽 車新技術(shù),已經(jīng)成為世界各國政府、企業(yè)和科研機構(gòu)關(guān)注的焦點之一。1997年 12月,R本豐田公司推出了世界上第一輛量產(chǎn)的混合動力轎車Pruis,與同類型 轎車相比,其燃油經(jīng)濟性和排放性能得到大大提高12J。2001年,豐田公司推出了 第二代Prius。2005年,通過與一汽集團的合作

15、,第二代Prius登陸中國。目前, 豐田公司正研發(fā)第三代產(chǎn)品,預計至1J2009年底推出。截至至1J2007年5月,豐田混 合動力汽車全球累計銷售突破100萬輛,其中70%是Prius?？梢?豐用Prius推向 市場是非常成功的,表明混合動力技術(shù)已趨于成熟【引。混合動力電動汽車一般是指裝有兩個或兩個以上動力源(其中一個為電動 機1,通過控制系統(tǒng)使兩種動力裝置協(xié)調(diào)工作,實現(xiàn)最佳能量分配,達到低能耗、 低污染和高度自動化的汽車?；旌蟿恿ζ嚳煞譃榇?lián)、并聯(lián)、混聯(lián)及復雜式 混合動力四種類型【4J,都綜合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車的優(yōu)點,并最大 限度地克服了它們的缺點。混合動力系統(tǒng)發(fā)揮了發(fā)動機持續(xù)工

16、作時間長,動力 性好以及電動機無污染、低噪聲的優(yōu)點,二者“并肩戰(zhàn)斗”,取長補短,汽車的 熱效率可提高10%以上,廢氣排放可減少30%以上。與傳統(tǒng)燃油汽車以及純電 動汽車相比,混合動力汽車具有高性能、低能耗以及低污染的特點,在技術(shù)、武漢理1i大學博十學位論文經(jīng)濟及環(huán)境等方面存在優(yōu)勢。并聯(lián)混合動力汽車由發(fā)動機、電動/發(fā)電機或驅(qū)動電動機兩大動力總成采用 并聯(lián)的方式組成混合驅(qū)動系統(tǒng),發(fā)動機驅(qū)動為主要驅(qū)動模式。這種混合動力汽 車連續(xù)行駛能力和動力性能接近于內(nèi)燃機汽車。它充分發(fā)揮電動機低速大轉(zhuǎn)矩 的特點,使得發(fā)動機避開在啟動、加速和爬坡時燃料損耗大、廢氣排放多的不 利工況,而將發(fā)動機控制在低油耗、高效率、

17、低排放的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行。并聯(lián) 混合動力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動模式、純電動模式以及發(fā)動機/電動機聯(lián)合驅(qū) 動三種驅(qū)動模式。此外,在特定情況下混合動力系統(tǒng)還可以實現(xiàn)驅(qū)動狀態(tài)下的 行車充電模式以及減速制動狀態(tài)下的再生制動模式,進一步降低了汽車的能量 消耗【51。國家自2001年設(shè)立了電動汽車重大科技專項,“十五”期間已取得了顯著 成效并將在“十一五”期間進一步研究和產(chǎn)業(yè)化。目前,混合動力汽車產(chǎn)品進 入國家公告程序,己初步具備產(chǎn)業(yè)化條件16J。本文以國家“十五”863混合動力電動汽車項目“EQ7200HEV多能源動力總 成能量管理策略的優(yōu)化”及武漢理工大學“211工程重點學科建設(shè)項目“新能 源電動汽車關(guān)

18、鍵技術(shù)"為依托,開展并聯(lián)混合動力汽車的動態(tài)控制問題研究。 根據(jù)并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中電動機輸出動力與汽車驅(qū)動系統(tǒng)的組合位置的不 同,并聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)可分為單軸聯(lián)合式、雙軸聯(lián)合式和單驅(qū)動系聯(lián)合式 等3種基本的形式【7,81,如圖11所示。在圖11(a中,電動機輸出的動力與發(fā)動機輸出的動力在發(fā)動機輸出軸處 進行疊加,然后通過離合器、齒輪箱(變速器和主減速器、差速器等組成的傳 統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)帶動驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)。在這種并聯(lián)布置方式中,齒輪箱的輸入軸為單軸, 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊,因此整個系統(tǒng)運行效率較高。在圖11(b中,電動機輸出的動力與發(fā)動機輸出的動力在變速器或驅(qū)動橋 處進行疊加,然后通過主減速器、差速

19、器等相應傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)帶動驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)。 在這種并聯(lián)布置方式中,齒輪箱具有兩個或多個輸入軸。在圖11(c中,電動機輸出的動力通過減速器獨立的驅(qū)動汽車前(或后 驅(qū)動輪,發(fā)動機輸出的動力經(jīng)過離合器、齒輪箱、差速器等組成的傳統(tǒng)驅(qū)動系2武漢理T大學博十學位論文統(tǒng)帶動后(或前驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)。并聯(lián)混合動力系統(tǒng)工作于聯(lián)合驅(qū)動模式時,發(fā) 動機和電動機共同組成4輪驅(qū)動模式。結(jié)合混合動力的結(jié)構(gòu)特點,并考慮到實驗室研究的方便性,本研究選擇以 圖11(a單軸式并聯(lián)傳動方案為實際研究對象。該方案適合高級混合動力轎車 和中、小型公共汽車的并聯(lián)混合動力傳動,有較好的延展性和代表性,其具體 結(jié)構(gòu)如圖12所示,系統(tǒng)各部件主要參數(shù)如表1

20、1。(a單軸聯(lián)合式(b雙軸聯(lián)合式(c單驅(qū)動系聯(lián)合式圖11并聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)類型圖12中傳動系統(tǒng)采用了磁粉離合器和不帶變矩器的自動變速器。在混合 動力傳動系統(tǒng)中,無級變速器CVT和機械自動變速器AMT的應用較糾911J, 磁粉離合器的應用則不多見。實際上,磁粉離合器具有效率高、易實現(xiàn)智能控 制等優(yōu)點,在工業(yè)眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應用12,131。在汽車行業(yè),日本的 Watanabe與Tomoyuki將磁粉離合器與v帶無級變速器結(jié)合,用于變速器的功3率分流114】。Peugot、ZF及鈴木等公司在中小排量發(fā)動機的無級變速系統(tǒng)中也嘗 試采用了磁粉離合器【15J。國內(nèi)的比亞迪股份有限公司、天津清源

21、電動車輛有限 責任公司、南京理工大學等都在磁粉離合器運用于汽車傳動系統(tǒng)方面做了嘗試, 取得了一定的成果【16。引。但從上述應用和混合動力傳動系統(tǒng)的研究來看,磁粉 離合器作為關(guān)鍵傳動部件來連接發(fā)動機和電動機的應用還未見報道。自動變速 器(AT在大部分工況因變矩器不鎖止而效率較低,如果不使用變矩器,則效 率會有很大提高?；谔岣邆鲃酉到y(tǒng)效率和離合器控制智能化的目的,本文研 究的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)在發(fā)動機和電動機之間安裝了磁粉離合器,電動機直接 與不帶變矩器的自動變速器連接,有實用性和創(chuàng)新性。多占 磁粉離合器電 川卜倒自動變速器H迸 噴4l起動摯I翁J機圖12研究對象的結(jié)構(gòu)示意圖表11并聯(lián)混合動力系統(tǒng)

22、各部件主要參數(shù)蓄電池組 6一FM一150單體電池電壓:12V,個數(shù):26離合器 CJ20磁粉離合器 額定轉(zhuǎn)矩:200N.m第一擋傳動比:2.725 AL4第二擋傳動比:1.5傳動系 變速器(不帶變矩器 磊三螽荏葫比:1第四擋傳動比:0.711主減速器 傳動比:3.27并聯(lián)混合動力汽車在工作過程中可以選擇多種工作模式,需要根據(jù)路況進 行能量分配和工作模式的切換。在不進行工作模式切換時,可以認為混合動力 系統(tǒng)處于相對的穩(wěn)態(tài);有切換發(fā)生時,則是一個動態(tài)的過渡過程。按照時間尺 度和系統(tǒng)響應特性,可以將混合動力汽車的控制問題分為兩類【19J:1在穩(wěn)態(tài)和4動態(tài)過程中多個動力源的轉(zhuǎn)矩分配(也可以是功率分配與

23、效率優(yōu)化,屬于能 量管理的研究范疇;2狀態(tài)切換過程中動力源問的相互配合問題,屬于動態(tài)控 制的研究范疇,這一問題還涉及到發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的實時反饋。本課題詐是圍繞這兩個核心問題并偏重于第二個問題展開并聯(lián)混合動力汽 車動態(tài)控制策略的理論和試驗研究,任務主要包括三個方面:1整車能量管理策略的設(shè)計與驗證;2并聯(lián)混合動力汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計;3狀態(tài)切換過程中發(fā)動機和電動機的動態(tài)控制與驗證。1.2文獻綜述能量管理策略是混合動力汽車控制領(lǐng)域中研究的重點,也是混合動力汽車 開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。能量管理的核心問題是如何合理分配發(fā)動機和電動機的能量 輸出,以滿足駕駛員對整車驅(qū)動能量的需求,同時保證發(fā)動機在高效區(qū)工作【20J

24、。 目前的并聯(lián)混合動力汽車能量管理策略主要可分為四種:邏輯門限控制策略; 瞬態(tài)優(yōu)化控制策略;智能型控制策略;全局最優(yōu)控制策略。也稱為基于規(guī)則的能量管理策略。其基本思想主要是依據(jù)部件的穩(wěn)態(tài)效率 MAP(脈譜圖,來確定發(fā)動機和電動機之問的能量分配。穩(wěn)態(tài)邏輯門限控制 方法簡單有效,也是模糊邏輯控制方法的基礎(chǔ),在實際中應用廣泛【21,22J。圖13為實測的富康發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)效率MAP圖,表示在一定效率時的發(fā) 動機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。圖中t。、瓦耐。曲線將MAP圖分成三個 區(qū)域,其中t。為發(fā)動機節(jié)氣門全開時的轉(zhuǎn)矩,。;。是為保證發(fā)動機工作有 較高效率,發(fā)動機工作的最小轉(zhuǎn)矩。當發(fā)動機需求轉(zhuǎn)矩低于該值時

25、,發(fā)動機關(guān) 閉。穩(wěn)態(tài)邏輯門限控制策略的基本思想是使得發(fā)動機運行在其高效區(qū)。當發(fā)動 機控制器要求發(fā)動機提供的轉(zhuǎn)矩較。m小時,發(fā)動機盡可能不啟動;當發(fā)動機控制器要求發(fā)動機提供的轉(zhuǎn)矩較疋。大時,發(fā)動機以其最大轉(zhuǎn)矩t一工作; 當發(fā)動機控制器要求發(fā)動機提供的轉(zhuǎn)矩介于。,和瓦。;。之白J時,發(fā)動機提供5武漢理一I:人學博+學位論文 全部的實際需求轉(zhuǎn)矩。圖13發(fā)動機穩(wěn)態(tài)效率MAP圖發(fā)動機轉(zhuǎn)速ir.minl圖14某汽油機不同指標最佳工作區(qū)穩(wěn)態(tài)邏輯門限控制策略保證了發(fā)動機較高的燃油經(jīng)濟性和較低的排放。這 種控制策略基于控制策略設(shè)計人員的經(jīng)驗以及穩(wěn)態(tài)的效率MAP圖制定,它不 考慮工況的動態(tài)變化,故而不是最優(yōu)的。但

26、是,基于工程經(jīng)驗丌發(fā)的邏輯門限 控制策略是一種比較成熟的控制策略,已經(jīng)在實際商品化的混合動力汽車中得 到應用。動力系統(tǒng)工作模式和工作點【23之61。具體原理是,在某一瞬時工況,將電動機消.,、.wI(百暴淼+wz(百祿+嵋(百碌+1 I 【百碌百丕酉i麗J十w2【百祿百西麗J十嵋l百碌石萌麗J十I塒叫n捌懷踟NO。麗x H PM麗H器,J o 1 踟。麗卜 麗+岷(器l u叫 6武漢理r人學博十學位論文式(11中,Wl,W。為對應量的權(quán)系數(shù),表影響程度,大小均在【O, 11區(qū)間,且滿足w1+W6【0,1】。設(shè)計人員根據(jù)自己的要求設(shè)定這組權(quán)值,從 而在燃油消耗和排放中獲得折衷。如果要求較高的排放

27、性能,則適當提高排放 的權(quán)值比重,此時將降低燃油經(jīng)濟性。瞬態(tài)優(yōu)化控制策略可以實現(xiàn)實時最優(yōu)控制,但由于計算量大,實現(xiàn)起來比 較困難,運行成本也比較高。此外,在計算過程中需要對未來的行駛工況中由 制動產(chǎn)生的回收能量進行預估,這樣就需要建立比較精確的預估模型,實現(xiàn)也 比較困難。因此,瞬時優(yōu)化控制策略還很少在實際并聯(lián)混合動力汽車上推廣應 用。由于瞬時優(yōu)化控制策略不能保證在整個運行區(qū)間最優(yōu),因此需要-34'保證 能在全局范圍內(nèi)最優(yōu)的控制策略。這種控制策略應用最優(yōu)化方法和最優(yōu)化控制 理論開發(fā)出混合動力驅(qū)動力分配控制策略。主要思想是:基于多目標數(shù)學規(guī)劃 或者Bellman動態(tài)規(guī)劃理論以及最小值原理的

28、全局最優(yōu)化理論,建立以整車燃 油經(jīng)濟一1,生127,281或?qū)⒔?jīng)濟性和排放性加權(quán)【22,291作為目標函數(shù),系統(tǒng)狀態(tài)變量為約 束的全局優(yōu)化數(shù)學模型。其對應的求解方法也是兩種。一是運用動態(tài)規(guī)劃方法將優(yōu)化問題按時IN Jtl-頁 序分為若干段,從最后一段狀態(tài)開始逆向遞推到初始狀態(tài)為止,最終求出完整 的最優(yōu)策吲22,29-31l。二是基于最優(yōu)控制理論最優(yōu)條件進行迭代求解,求得最優(yōu) 的混合動力分配控制策略【27,28l。全局最優(yōu)控制策略在串聯(lián)混合動力汽車,燃料電池混合動力汽車及并聯(lián)混 合動力汽車上都有研究。這種控制策略的缺點是計算量大,并且依賴于預定的運行工況,實時性較 差。智能型控制策略主要是通過應

29、用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及粒子群 優(yōu)化算法來決策混合動力系統(tǒng)的工作模式和功率分配,具有較強的魯棒性。 智能控制的基本出發(fā)點是模仿人的智能,根據(jù)被控動態(tài)過程的定性和定量7武漢理T=入學博士學何論文信息,進行定性定量綜合集成推理決策,以實現(xiàn)對難以建模的復雜非線性不確 定系統(tǒng)的有效控制。智能控制非常適合用于并聯(lián)混合動力汽車能量消耗系統(tǒng)的 控制。模糊邏輯(FL控制的核心是模糊控制器。它由4個部分組成:規(guī)則庫、 推理機制、模糊化接口和去模糊化接口。在混合動力汽車上,模糊控制器將各 傳感器傳來的精確信號轉(zhuǎn)化成模糊量,根據(jù)專家制定的推理機制,應用基于控 制知識與專家工程經(jīng)驗的規(guī)則庫中的相關(guān)規(guī)則,得出模

30、糊結(jié)論,并將其去模糊 化轉(zhuǎn)換成相應的精確量以作為精確指令,協(xié)調(diào)車輛各部件的能量流動,使整車 的性能達到最佳。模糊控制已被證明是一種很好的控制技術(shù)【32彤】,在混合動力 汽車領(lǐng)域具有很好的應用前景。其局限性在于,控制規(guī)律的固定性導致了系統(tǒng) 的動態(tài)特性較差。同時模糊規(guī)則的建立、隸屬函數(shù)的確定沒有確定的方法可以 遵循。并聯(lián)混合動力汽車模糊控制結(jié)構(gòu)如圖15所示。蓄電池組 電動機轉(zhuǎn)速 模糊發(fā)動機目標功率 邏輯控 電動機目標功率 制器圖15并聯(lián)混合動力汽車模糊控制結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN是以對信息的分布式存儲和并行處理為基礎(chǔ),在許多方面 更接近于人對信息的處理方法,有很強的逼近非線性函數(shù)的能力。其缺點是經(jīng) 過學

31、習后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所獲得的輸入/輸出關(guān)系無法以容易被人接受的形式表現(xiàn)出 來。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合的控制策略將具有較大的推廣價值1363a。 遺傳算法(GA是建立在自然選擇和自然遺傳學機理基礎(chǔ)之上的迭代自適 應概率性搜索算法。它能夠同時搜索空間上的許多點,并且能充分搜索,因此 能夠快速全局收斂。采用遺傳算法進行優(yōu)化是對所要優(yōu)化的參數(shù)的集合進行編 碼,而不是對參數(shù)本身,遺傳操作均在字符串上進行。只需要評價用的適應函 數(shù),而不需要其它形式信息,這些使得遺傳算法對問題的適應能力很強。遺傳 算法的這些特點使得它適于在HEV控制策略的制定中得到應用30,39,40l。8武漢理T人學博十學位論文粒子群優(yōu)

32、化算法(PSO是一種進化計算技術(shù),源于對鳥群捕食的行為研究。 PSO同遺傳算法類似,是一種基于疊代的優(yōu)化工具,但并沒有遺傳算法中的交 叉及變異,而是粒子在解空間追隨最優(yōu)的粒子進行搜索,PSO算法的優(yōu)勢之一 是采用實數(shù)編碼,而不需要像遺傳算法一樣采用二進制編碼,且PSO中并沒有 許多需要調(diào)節(jié)的參數(shù),可進行全局和局部尋優(yōu)。該算法在平衡混合動力系統(tǒng)動 力性、經(jīng)濟性和排放方面有較好的應用141,42J。車輛的行駛工況對汽車的燃油經(jīng)濟性和排放有著至關(guān)重要的影響。為了有 效地評價同一類車輛的性能,一般采用具有相同統(tǒng)計信息的同一標準行駛循環(huán) 或混合行駛循環(huán)。由于標準循環(huán)只具備有限的代表性,這使得在設(shè)計過程中

33、只 考慮少數(shù)標準循環(huán)的產(chǎn)品,其適應性不足,而在設(shè)計過程中考慮過多行駛循環(huán) 的產(chǎn)品,其針對性又不強。為此,基于行駛循環(huán)在線識別的能量管理策略有了應用的基礎(chǔ)。其基本的 思想是在既定的能量控制策略的基礎(chǔ)上,加入道路行駛循環(huán)的統(tǒng)計信息,通過 對行駛工況的識別,針對每一類型的實際工況對控制參數(shù)或控制算法進行在線 調(diào)整,達到提高控制策略適應性和車輛性能的目的143-45J。由于實際道路工況的復雜性和不確定性,該控制策略需要在車輛行駛一段 時間以后才能得出循環(huán)的統(tǒng)計信息,并進而調(diào)整控制參數(shù)。這種識別本身具有 時問延時性,當車輛調(diào)整到一種相對較優(yōu)的控制參數(shù)時,可能汽車的行駛狀況 已經(jīng)發(fā)生了改變,這使得控制參數(shù)

34、的調(diào)整在某種程度上失去了意義,實際控制 中難以達到預期的效果MJ。多年以來,雖然對并聯(lián)混合動力汽車的能量管理研究較多,但都主要集中 在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或動態(tài)過程中多個動力源的能量分配和效率優(yōu)化方面 (20誰】,對控制策略中涉及混合動力系統(tǒng)工作模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制的 研究相對較少。如前所述,混合動力汽車有發(fā)動機驅(qū)動、純電動、混合驅(qū)動等 多種工作模式,在這幾種工作模式的過渡切換過程中,如何把握能量分配的平 穩(wěn)過渡是一個關(guān)鍵的問題。文獻【19】分析了混合動力的七種切換模式,并指出在9武漢理T人學博士!學位論文模式切換過程中,如果不進行動態(tài)協(xié)調(diào)控制,就會因為狀態(tài)切換時總的目標轉(zhuǎn) 矩發(fā)生較大

35、波動,影響整車的舒適性。一般而言,動態(tài)控制的關(guān)鍵在于控制切換過程中總需求轉(zhuǎn)矩即發(fā)動機和電 動機轉(zhuǎn)矩和的波動幅度,控制方法主要是以發(fā)動機的實時轉(zhuǎn)矩反饋為基礎(chǔ),利 用電機的快速響應特性進行轉(zhuǎn)矩補償,達到總需求轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生大的波動而提高 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(gòu) 很好地解決了發(fā)動機和電動機的動態(tài)協(xié)調(diào)控锘1J119,44J,但該技術(shù)只適用于具備動力 分配機構(gòu)的混合動力系統(tǒng),不具普遍性。在國內(nèi),武漢理工大學的黃妙華博士從電動汽車實車工作過程出發(fā),將轉(zhuǎn) 矩量作為整車能量管理的落腳點,提出了基于需求轉(zhuǎn)矩分配的能量管理策略 120,46】。該策略以發(fā)動機穩(wěn)態(tài)狀態(tài)

36、下的燃油消耗率特性圖為基礎(chǔ),根據(jù)駕駛員在汽 車運行過程中所需轉(zhuǎn)矩,對驅(qū)動裝置進行合理、實時并有效地工作轉(zhuǎn)矩分配, 從而實現(xiàn)循環(huán)工況始末,蓄電池組的SOC(state of charge基本保持平衡,發(fā) 動機燃油消耗較低的控制目標。該作者沒有對轉(zhuǎn)矩傳遞的平穩(wěn)性進行研究,但 其指出了以轉(zhuǎn)矩作為控制量,會使驅(qū)動裝置的工作轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩,對汽車平穩(wěn) 性有影響。清華大學的童毅博士通過發(fā)動機的平均值模型及電動機的理論建模, 得出發(fā)動機的動態(tài)特性相對穩(wěn)態(tài)特性存在滯后和超調(diào)現(xiàn)象,而電動機則能很快 跟蹤其需求轉(zhuǎn)矩的結(jié)論,首次提出了發(fā)動機與電動機轉(zhuǎn)矩的“動態(tài)協(xié)調(diào)控制” 問題,并展開了深入和有價值的研究,提出了“發(fā)動

37、機轉(zhuǎn)矩開環(huán)+發(fā)動機轉(zhuǎn)矩 動態(tài)估計+電動機轉(zhuǎn)矩補償”的基本算法【19。由于受到試驗條件的限制,研究 者沒有進行發(fā)動機的動態(tài)特性試驗,故而沒能進一步分析發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特 性差異的程度和影響因素;文中只對“發(fā)動機驅(qū)動<一>功率輔助”這一種典型 工況進行了算法試驗,沒有對“純電動<一>發(fā)動機驅(qū)動"等涉及傳動系統(tǒng)工作 的工況進行算法驗證。在此基礎(chǔ)上,黃丌勝博士對加速過程中的動態(tài)控制策略 進行了研究,提出了一種“實時工況點優(yōu)化+發(fā)動機節(jié)氣門開度變化率速率限 制+分段PI控制”的算法,并進行了試驗驗證。其基本思想仍然是電動機轉(zhuǎn)矩補 償,算法中對節(jié)氣門開度變化率進行限制的目

38、的是為了降低排放,并在控制策 略中為實現(xiàn)這一思想對發(fā)動機節(jié)氣門采用了分段PI控制,以達到平滑過渡的目 的,這一算法實現(xiàn)了加速過程中對瞬態(tài)空燃比和排放的合理控制14n。上述兩種 算法和試驗方法對本文的研究具有借鑒意義。吉林大學的王偉華博士將協(xié)調(diào)控 制問題分為穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)控制和動態(tài)協(xié)調(diào)控制,將混合動力系統(tǒng)動態(tài)過程的研究從10武漢理l:人學博十學位論文狀態(tài)切換過程外延直傳統(tǒng)研究中的換擋過程,并主要對驅(qū)動模式下?lián)Q擋過程中 的動態(tài)協(xié)調(diào)問題進行了動力學研究【矧。其研究對提高混合動力汽車的換擋過程 中的穩(wěn)定性具有重要意義。綜上所述,現(xiàn)有的動態(tài)控制研究主要是避免總需求轉(zhuǎn)矩的波動,保證舒適 性。筆者認為,動念控制的

39、目點不應只是保證汽車在切換過渡過程中總需求轉(zhuǎn) 矩的穩(wěn)定,還應該使整車在模式切換前后的動力性、經(jīng)濟性、排放和舒適性等 都不發(fā)生大的波動。但限于切換過程中發(fā)動機瞬態(tài)燃油消耗及動態(tài)排放難以測 定,本論文仍然以保證整車在狀態(tài)切換時需求轉(zhuǎn)矩不發(fā)生大的波動為動態(tài)控制 的主要目的。如前所述,動態(tài)協(xié)調(diào)控制的方法主要是以發(fā)動機的實時轉(zhuǎn)矩反饋為基礎(chǔ), 利用電機的快速響應特性對發(fā)動機進行轉(zhuǎn)矩補償,達到總需求轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生大的 波動的目的。實現(xiàn)這一控制的前提是混合動力控制系統(tǒng)能實時反饋發(fā)動機的轉(zhuǎn) 矩。目前,這一問題可供選擇的解決方案有五種:1發(fā)動機本身的控制單元直接提供轉(zhuǎn)矩輸出,對于動態(tài)協(xié)調(diào)控制來說這種 發(fā)動機是最簡捷的

40、解決方案。德國Deutz發(fā)動機公司丌發(fā)的部分柴油發(fā)動機一J、 美國Delphi公司的部分汽油發(fā)動機147J具備這種功能,但很少見到利用這種發(fā)動機 反饋轉(zhuǎn)矩進行動念協(xié)調(diào)控制效果的報道。2通過在發(fā)動機曲軸上安裝扭矩傳感剁4恥巧01,由傳感器直接反饋轉(zhuǎn)矩,但 這種方式安裝困難,使用壽命有限,大多只用在實驗室。3在汽車傳動軸或車輪上安裝非接觸式扭矩傳感器|5¨,實時測得動力裝置 傳遞到傳動軸或車輪上的轉(zhuǎn)矩,根據(jù)傳動比和轉(zhuǎn)速實時計算出發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn) 矩。這種方案在混合動力系統(tǒng)上存在局限性,因為傳動軸扭矩傳感器測出的轉(zhuǎn) 矩一般是動力裝置的總轉(zhuǎn)矩,也就是包括了電動機輸出的轉(zhuǎn)矩,不能單獨反饋 發(fā)動機

41、的轉(zhuǎn)矩,除非混合動力系統(tǒng)是雙軸驅(qū)動,且發(fā)動機和電動機各自驅(qū)動其 中一軸,但這種并聯(lián)混合驅(qū)動方式不具普遍性,也決定這種方案的局限性。 4通過混合動力系統(tǒng)中的其他部件間接獲得發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩。豐田Prius轎車 就是利用動力分配機構(gòu)中的行星架和太陽輪分別連接發(fā)動機和發(fā)電機,根據(jù)發(fā) 動機和發(fā)電機之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系和可測的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩問接算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩Il。 5由混合動力系統(tǒng)的多能源動力總成控制器或者單獨開發(fā)的估計器對發(fā)動武漢理r人學博十學位論文機轉(zhuǎn)矩進行實時估計。也就是將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩實時估計算法從發(fā)動機控制器上移 到多能源總成控制器或?qū)ｉT的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計器上。當然,如果發(fā)動機不提供 這種轉(zhuǎn)矩實時估計功能,多能

42、源動力總成控制器或?qū)ｉT的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計器就 可以完成這一功能。章毅博士為解決這一問題就單獨開發(fā)了基于MPC555微處理 器的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計軟硬件平刨19】。可以說,對發(fā)動機進行轉(zhuǎn)矩估計在混合動 力汽車動態(tài)控制方面具有普遍意義。發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩估計方法,目前主要有三種:基于發(fā)動機平均值模型的轉(zhuǎn)矩 估計算法、基于發(fā)動機曲軸瞬時轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩估計算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩估 計算法。目前,在現(xiàn)有的汽油機模型中,面向控制的發(fā)動機平均值模型(MVEMs Mean Value Engine Models52-58l最為實用。平均值模型是介于循環(huán)模擬模 型和傳遞函數(shù)模型之間的較為簡單發(fā)動機數(shù)學模型,所描述的發(fā)動機的參

43、數(shù)是 一定時問內(nèi)該參數(shù)的平均值,平均的時問雖然比高轉(zhuǎn)速時的發(fā)動機一個循環(huán)的 時間要長,但卻遠遠短于動態(tài)工況中發(fā)動機參數(shù)變化的時間(通常需要幾十幾百個循環(huán),這使得平均值模型能夠精確地描述動態(tài)工況中發(fā)動機參數(shù)(進氣 歧管壓力、轉(zhuǎn)速和充氣效率等的變化過程,而且,平均值模型可以通過代數(shù) 方程以及簡單的微分方程來表現(xiàn),可以非常簡便的在控制中加以應用?；诎l(fā)動機平均值模型的轉(zhuǎn)矩估計算法有其優(yōu)勢:1該算法具有前饋性質(zhì),從理論上分析,模型計算的結(jié)果與實際發(fā)動機的 輸出應該是一致的,從原理上不應該存在相位差,是一種比較理想的在動態(tài)過 程中估計發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的算法;2該算法中沒有復雜的計算,最繁瑣的發(fā)動機進氣系統(tǒng)動態(tài)

44、過程也僅為一 階微分方程,計算簡單,尤其在低端的處理器上的實現(xiàn)容易;3該算法與現(xiàn)有的發(fā)動機電控系統(tǒng)中基于模型的控制算法有著相似之處。 但是,這種算法也有其不足。首先,該算法的理論基礎(chǔ)還有較多值得商榷 之處。一方面,進入發(fā)動機氣缸的并不僅僅是空氣,而是空氣和燃油的混合氣, 通常也可以稱作充量。充量并不完全等同于空氣量,只有當發(fā)動機的空燃比控 制得較為理想時(理論空燃比附近可以近似地認為由進入發(fā)動機氣缸的充量12武漢理工大學尊十學位論文所做的功等同于進入發(fā)動機氣缸的空氣所做的功159,刪。但是,在實際情況中并 不完全如此。另一方面,發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生除了與進入氣缸的充量相關(guān)以外, 還和點火J下時相關(guān)

45、等因素相關(guān),如果改變了點火正時,也會造成轉(zhuǎn)矩的變動。 其次,此種算法必須建立準確的發(fā)動機進氣系統(tǒng)模型,尤其是較好地建立 通過發(fā)動機節(jié)氣門的空氣流量與節(jié)氣門開度、進氣歧管壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的模 型,只有當模型標定得比較準確了才有可能更精確的估計出發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩值。 最后,該算法具有一定的局限性。利用該算法進行發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計時只能 面向汽油機,如果需要在柴油機上應用還必須建立柴油機的平均值模型。即使 是只針對汽油機,不同的汽油機采用不同的空燃比控制策略以及不同的補償方 式都將給建模過程帶來不便。發(fā)動機曲軸瞬時轉(zhuǎn)速的波動特征是反映發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的非常有效的指標之 一,因此,利用曲軸瞬時轉(zhuǎn)速信號對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進

46、行估計己經(jīng)取得了一定的研 究成果【61卅】。國外采用的方法是通過試驗直接標定不同工況下發(fā)動機曲軸瞬時 轉(zhuǎn)速的波動幅值與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,然后制成MAP圖,在發(fā)動機實際運行 過程中由計算的瞬時轉(zhuǎn)速波動幅值通過查MAP圖的方式得到估計的發(fā)動機轉(zhuǎn) 矩。在確定瞬時轉(zhuǎn)速波動幅值與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的關(guān)系上,關(guān)鍵是如何定量描述瞬 時轉(zhuǎn)速的波動幅值。對這一問題,已經(jīng)提出了三種方法:1采用發(fā)動機發(fā)火頻 率點的幅值;2采用瞬時轉(zhuǎn)速的均方值;3采用瞬時轉(zhuǎn)速的最大值與最小值 之差。清華大學李建秋博士在YC6108非增壓柴油機上對上述三種方法均進行了 驗證,結(jié)果表明,由這三種方法計算得到的瞬時轉(zhuǎn)速波動幅值與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩之 間的

47、關(guān)系都是非單調(diào)的,因此僅僅依靠單一的曲軸瞬時轉(zhuǎn)速波動幅值進行發(fā)動 機轉(zhuǎn)矩估計得到的結(jié)果也是非單調(diào)的,經(jīng)過適應性修正后,可以得到發(fā)動機瞬 時轉(zhuǎn)速波動與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的線性擬和關(guān)系165J。該算法最大的優(yōu)點是通用性強、涉及到的信號非常少且估計精度高。但是 對于增壓柴油機和電噴汽油機,直接應用該算法得到的在部分工況下的結(jié)果不 是十分理想,也需要對原算法進行修J下。該算法的不足之處就在于實時性要求比較高,計算的工作量比較大。13人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運用于發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)有近20年的歷史。主要的應用有發(fā)動 機數(shù)據(jù)曲線的擬和、排放性能的預測、發(fā)動機電子控制技術(shù)及發(fā)動機故障診斷 等。應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩估計實

48、際上是對實測的發(fā)動機數(shù)據(jù)進 行訓練和學習處理,得出較為理想的近似于實際發(fā)動機數(shù)據(jù)的模型,并利用此 模型進行轉(zhuǎn)矩估計166“701。早期的發(fā)動機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如轉(zhuǎn)矩脈譜、燃油經(jīng)濟性 脈譜等都是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動機性能估計與預測上的具體運用。由于發(fā)動機的動 態(tài)特性需要性能很高的測功系統(tǒng)測定,因此,基于動態(tài)特性的發(fā)動機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模型并不多見,大部分都是基于穩(wěn)態(tài)特性的網(wǎng)絡(luò)模型。如果能測得發(fā)動機的動態(tài)特性數(shù)據(jù),同樣可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具進行發(fā)動 機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計。這樣,就拋開了傳統(tǒng)的煩瑣數(shù)學建模的方法,只要選擇正 確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學習方法,并有足夠的學習樣本,就可以建立起精度很高的發(fā) 動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計的非線性模型

49、。文獻47禾1J用BP和RBF兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變 節(jié)氣門開度下的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進行了動態(tài)估計,估計誤差較小。本文中關(guān)于發(fā)動 機動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計的模型也是在發(fā)動機動態(tài)特性試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用人工神經(jīng) 網(wǎng)而建立起來的。1.3本文研究的主要內(nèi)容和方法根據(jù)上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析,結(jié)合本課題的任務,本文的研究內(nèi)容可 劃分為如下四部分:1并聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)仿真模型的建立。在沒有充分試驗數(shù)據(jù)的情況下,仿真研究是算法研究的基礎(chǔ)。本文首先建 立并聯(lián)混合動力汽車關(guān)鍵部件的動力學模型,如發(fā)動機模型、電動機模型及自 動變速傳動系統(tǒng)模型,進而搭建單軸式并聯(lián)混合動力汽車的整車仿真模型。 2發(fā)動機穩(wěn)態(tài)及動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計模型的理論與試

50、驗研究。作為動態(tài)控制的基礎(chǔ),本文在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)試驗研究的基礎(chǔ)上,建立 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計模型。3整車動態(tài)控制的仿真研究。在發(fā)動機和電動機穩(wěn)態(tài)特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計基于規(guī)則的能量管理策略,并 實現(xiàn)對整車模型的循環(huán)工況驗證。提出動態(tài)控制算法,完成并聯(lián)混合動力汽車14在各種狀態(tài)切換過程中的動念控制研究。4整車動態(tài)控制策略的臺架試驗研究。搭建試驗臺架,完成定工況模式下的各種切換試驗,并驗證動態(tài)控制算法 的有效性。1.4本文結(jié)構(gòu)為便于敘述清晰,在論文結(jié)構(gòu)安排上,按照“文獻分析”“整車建?！?“前期試驗”“算法仿真研究"“驗證試驗”的技術(shù)路線來闡述。 本文共分如下幾部分:第1章緒論

51、:介紹并聯(lián)混合動力汽車的特點及研究背景,闡述并聯(lián)混 合動力電動汽車動態(tài)控制的研究現(xiàn)狀,概述本論文工作的研究內(nèi)容和研究方法; 第2章并聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)建模:對并聯(lián)混合動力汽車動力系統(tǒng)及傳 動系統(tǒng)中各主要部件進行分析,建立相應仿真模型,確定多能源動力總成控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu);第3章基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩估計:制定發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性及 電動機穩(wěn)態(tài)特性試驗方案,測定并分析發(fā)動機的動態(tài)特性,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立 發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)矩估計模型;第4章并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的動態(tài)控制策略:論述并聯(lián)混合動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩 預分配策略,確定動態(tài)控制算法;第5章并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的動態(tài)控制仿真研究:驗證整車控制仿真模型 的正確性

52、和有效性,對動態(tài)控制算法進行仿真驗證;第6章動態(tài)控制算法的臺架試驗驗證:搭建混合動力試驗臺架,利用快 速控制原型工具,對各種典型的狀態(tài)切換進行動態(tài)控制算法的驗證。第7章結(jié)束語:對本文的研究成果和創(chuàng)新點進行總結(jié),并對后續(xù)的研究 予以展望。15武漢理,r人學博十學佗論文第2章并聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)建模并聯(lián)混合動力汽車中存在著大量非線性環(huán)節(jié),不可能直接通過建立原型進 行大量實車試驗來比較評價設(shè)計方案。因為這樣做將耗費大量的人力、物力及 財力,并且還會使得設(shè)計開發(fā)周期延長。因此,在并聯(lián)混合動力汽車的前期理 論研發(fā)中,必須引入計算機仿真技術(shù),以此進行混合動力系統(tǒng)動態(tài)模擬。這種 仿真模擬的前提是對并聯(lián)混合動

53、力源系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、整車控制系 統(tǒng)等依據(jù)其特性,建立相應的數(shù)學模型,然后在仿真軟件平臺上,建立整車系 統(tǒng)的仿真模型。并聯(lián)混合動力汽車較傳統(tǒng)車型龐大而復雜,各部件的物理特性和工作方式 各異,且存在大量非線性環(huán)節(jié)和時變環(huán)節(jié),只有建立各部件的模型才可能較精 確的描述整個系統(tǒng)的特性和行為。通過系統(tǒng)仿真,可以在設(shè)計初始階段快速分 析整車系統(tǒng)的有關(guān)特性,提供動力系統(tǒng)詳細的仿真和分析結(jié)果,優(yōu)化和匹配各 部件及其參數(shù),考察能量管理策略的有效性和正確性,為車輛的后續(xù)設(shè)計和開 發(fā)提供依據(jù)。建模與仿真技術(shù)在并聯(lián)混合動力汽車研究開發(fā)中的重要性主要體 現(xiàn)在18,71】:并聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)各部件間的相互作用頻

54、繁而復雜,只有通過 建模仿真彳能定量分析其對整車系統(tǒng)性能的影響。動力部件的性能參數(shù)對于 保證動力性能等優(yōu)化設(shè)計目標直觀重要。由于參數(shù)較多,各參數(shù)的匹配與優(yōu)化 方法也不盡相同,使用傳統(tǒng)的計算方法或者通過大量試驗柬測定這些參數(shù)代價 太大且操作困難。使用仿真技術(shù),可以在保證系統(tǒng)設(shè)計目標的前提下,提高參 數(shù)匹配的速度與準確性。并聯(lián)混合動力汽車能量管理策略較多,對其進行優(yōu) 化是要解決的核心問題。依靠大量試驗來測試比較各種控制策略的實際效果代 價極大且不可行,系統(tǒng)仿真可以以極小代價有效的解決這一問題。2.1并聯(lián)混合動力汽車仿真方法分類并聯(lián)混合動力汽車仿真模型按功率流方向一般可分為兩種:前向仿真和后 向仿真

55、【72,731,其仿真流程如圖21所示。從圖21可以看出,前/后向仿真結(jié) 構(gòu)最大的不同在于駕駛員模型的存在與否。前向仿真結(jié)構(gòu)中有駕駛員模型,作 用是根據(jù)循環(huán)工況的需求車速與仿真實際所得車速實時調(diào)整加速肺0動踏板,從 而使得車輛控制器能夠按照駕駛員意圖進行能量管理。駕駛員對踏板的調(diào)整通16武漢理rT大學博+學位論文常以轉(zhuǎn)矩的方式體現(xiàn)出來?？刂破靼凑振{駛員轉(zhuǎn)矩需求計算出動力源應該處于 的工作狀念及應該提供的轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)對整車的控制。整個仿真系統(tǒng)中控制 信號與功率流完全按照實車相同的傳遞路線進行傳遞。汽車前向仿真用軟件中 最具有代表性的是美國Argonne國家實驗室開發(fā)的PSATl74,751。(

56、a前向仿真流程 期肇車速廣-一一、二實際運篙銎力II二二刪-v輪卜l-1.J【.J 一車輪.一車輛動力巨覽j璺生 ;模型1學模硝l。一一。l整車控制l 器模型(b后向仿真流程圖21并聯(lián)混合動力汽車前/后向仿真流程 7后向仿真模型不考慮駕駛員的意圖。后向仿真從系統(tǒng)的需求出發(fā),先假定 車輛能夠按照制定的循環(huán)工況行駛,通過仿真計算得到為了滿足循環(huán)工況的要 求,車輛各個部件應該處于的狀態(tài),以此作為車輛性能分析的依據(jù)。在這種結(jié) 構(gòu)中,車輛行駛所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩按照循環(huán)工況要求的車速進行每一時間步長的 實時計算,并沿著與實際轉(zhuǎn)矩傳遞的路線相反的方向進行傳遞?？刂破鞲鶕?jù)能 量管理策略,將傳動部件傳送的整車需求功

57、率進行分配后,以需求值的形式傳 遞給各個動力源,從而實現(xiàn)控制。美國能源部可再生能源實驗室的汽車仿真軟 件ADVISOR即以后向仿真為主173,76,77】。前/后向仿真方法在仿真精度及仿真時間方面存在差異。由于前向仿真結(jié)構(gòu) 中存在相關(guān)傳動部件的動態(tài)變化過程的計算,因而對積分運算有較高要求。前 向仿真時通常采用高階的解算器進行積分運算,例如四階龍格一庫塔公式,以 提高仿真的精度。由此所對應的仿真步長較小,一般取0.01秒,因而仿真速度17蕊竺 車模一 祭器一 卜一 一日貝一駕模一 , 速車一 輥一 期一武漢理.【:人學博士學位論文慢。同時導致計算過程中需要保存的數(shù)據(jù)量較大,這就要求計算機有較強的存 儲能力。后向仿真則不同。后向仿真模型中大量采用數(shù)據(jù)表的形式,這樣車輛 系統(tǒng)就建立在一種準靜態(tài)基礎(chǔ)之上。不考慮傳動系統(tǒng)實際的瞬態(tài)變化過程,因 此大大降低了對積分運算的要求,從而對于解算器的要求較低。后向仿真計算 步長可以較大,一般為1秒,因此仿真速度較快,對計算機的存儲能力要求也 較低。鑒于各自的特點,前、后向仿真模式的實際應用不盡相同。前向仿真一般 用于對已選定的部件進行詳細設(shè)計及動態(tài)仿真,在尋求并優(yōu)化與之相匹配的整 車控制策略的原則指導下,適當改進相應的設(shè)計參數(shù),以達到整車性能滿足設(shè) 計要求的目的。后向仿真一般用于初期的系統(tǒng)預估,對所需開發(fā)的電動汽車整 車結(jié)構(gòu)及相應控制策略作初步的