并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)控制研究

1、武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)控制研究 姓名:嚴(yán)運(yùn)兵申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:博士專業(yè):車輛工程指導(dǎo)教師:顏伏伍20080401武漢理f:人學(xué)博十學(xué)位論文摘 要并聯(lián)混合動(dòng)力汽車在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)工作過程中,需要根據(jù)路況進(jìn)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?dòng)力工作模式的切換實(shí)際上是個(gè)過渡過程,動(dòng)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(yùn)行,使整車在模式切換前 后的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放、舒適性不發(fā)生大的波動(dòng)。本文針對(duì)這一問題,遵 循“文獻(xiàn)分析”“整車建?！薄扒捌谠囼?yàn)”“算法仿真研究”一 一“驗(yàn)證試驗(yàn)”的技術(shù)路線,完

2、成了對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制研究。根據(jù)動(dòng)態(tài)控制的目的,本文對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)理論建模。建 模過程中,基于內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)過程,首次建立了圖形化的發(fā)動(dòng)機(jī)偽鍵合圖模 型;根據(jù)杠桿法,建立了AL4自動(dòng)變速系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型;并構(gòu)建了多能源動(dòng) 力總成控制體系結(jié)構(gòu)。鑒于偽鍵合圖發(fā)動(dòng)機(jī)模型在實(shí)際控制上的缺陷,本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài) 特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得出了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性隨發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度、節(jié)氣門開 度變化率、轉(zhuǎn)速這三個(gè)因素而變化的規(guī)律;以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的預(yù)測(cè)功能,分別建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)模型。論文以并聯(lián)混合動(dòng)力汽車在狀態(tài)切換過程中總轉(zhuǎn)矩不發(fā)生大的波動(dòng)為控制 目標(biāo),提

3、出了“轉(zhuǎn)矩預(yù)分配+發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 控制”的動(dòng)態(tài)控制策略。以Matlab/Simulink為仿真平臺(tái),搭建了基于整車動(dòng)態(tài) 控制的仿真模型,進(jìn)行了循環(huán)工況仿真研究,驗(yàn)證了仿真模型的正確性。在此 基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)上述基本控制算法進(jìn)行了定工況和全工況仿真驗(yàn)證。通過搭建試驗(yàn)臺(tái)架,借助dSPACE快速控制原型工具,對(duì)動(dòng)態(tài)控制算法進(jìn)行 了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,在各種狀念切換過程中,動(dòng)態(tài)控制算法能有效控制混 合動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),保證動(dòng)力傳遞的平穩(wěn)性。關(guān)鍵詞:并聯(lián)混合動(dòng)力汽車,能量預(yù)分配策略,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì),動(dòng)態(tài)控制武漢理廠人學(xué)博+學(xué)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(dú)創(chuàng)性聲明本入聲明,所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做

13、的任何貢獻(xiàn)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(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即學(xué)校有權(quán)保留、送 交論文的復(fù)印件,允許論文被查閱和借閱;學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容,可以 采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。(保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定簽名:圣壘壘導(dǎo)師簽名:乏羞如期:皂墮:竺竺武漢理T人學(xué)博士學(xué)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(dǎo)致了石油資源的日益枯竭和對(duì)人類生活環(huán)境的破壞,因此世界各國(guó)紛紛 制定一系列十分嚴(yán)格的排放法規(guī),迫使汽車生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)并

14、生產(chǎn)低油耗、低排 放的汽車。隨著內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)和排氣凈化技術(shù)的研究與應(yīng)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(guó)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。混合動(dòng)力汽車技術(shù)作為一項(xiàng)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(guó)政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)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(dòng)力轎車Pruis,與同類型 轎車相比,其燃油經(jīng)濟(jì)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(tuán)的合作

15、,第二代Prius登陸中國(guó)。目前, 豐田公司正研發(fā)第三代產(chǎn)品,預(yù)計(jì)至1J2009年底推出。截至至1J2007年5月,豐田混 合動(dòng)力汽車全球累計(jì)銷售突破100萬輛,其中70%是Prius?？梢?豐用Prius推向 市場(chǎng)是非常成功的,表明混合動(dòng)力技術(shù)已趨于成熟【引?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車一般是指裝有兩個(gè)或兩個(gè)以上動(dòng)力源(其中一個(gè)為電動(dòng) 機(jī)1,通過控制系統(tǒng)使兩種動(dòng)力裝置協(xié)調(diào)工作,實(shí)現(xiàn)最佳能量分配,達(dá)到低能耗、 低污染和高度自動(dòng)化的汽車?；旌蟿?dòng)力汽車可分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)及復(fù)雜式 混合動(dòng)力四種類型【4J,都綜合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn),并最大 限度地克服了它們的缺點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工

16、作時(shí)間長(zhǎng),動(dòng)力 性好以及電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的優(yōu)點(diǎn),二者“并肩戰(zhàn)斗”,取長(zhǎng)補(bǔ)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(dòng)汽車相比,混合動(dòng)力汽車具有高性能、低能耗以及低污染的特點(diǎn),在技術(shù)、武漢理1i大學(xué)博十學(xué)位論文經(jīng)濟(jì)及環(huán)境等方面存在優(yōu)勢(shì)。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)兩大動(dòng)力總成采用 并聯(lián)的方式組成混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要驅(qū)動(dòng)模式。這種混合動(dòng)力汽 車連續(xù)行駛能力和動(dòng)力性能接近于內(nèi)燃機(jī)汽車。它充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩 的特點(diǎn),使得發(fā)動(dòng)機(jī)避開在啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)燃料損耗大、廢氣排放多的不 利工況,而將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在低油耗、高效率、

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

18、鍵技術(shù)"為依托,開展并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)態(tài)控制問題研究。 根據(jù)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力與汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組合位置的不 同,并聯(lián)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可分為單軸聯(lián)合式、雙軸聯(lián)合式和單驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處 進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率較高。在圖11(b中,電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力在變速器或驅(qū)動(dòng)橋 處進(jìn)行疊加,然后通過主減速器、差速

19、器等相應(yīng)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)。 在這種并聯(lián)布置方式中,齒輪箱具有兩個(gè)或多個(gè)輸入軸。在圖11(c中,電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過減速器獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)汽車前(或后 驅(qū)動(dòng)輪,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過離合器、齒輪箱、差速器等組成的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系2武漢理T大學(xué)博十學(xué)位論文統(tǒng)帶動(dòng)后(或前驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)。并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作于聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式時(shí),發(fā) 動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同組成4輪驅(qū)動(dòng)模式。結(jié)合混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并考慮到實(shí)驗(yàn)室研究的方便性,本研究選擇以 圖11(a單軸式并聯(lián)傳動(dòng)方案為實(shí)際研究對(duì)象。該方案適合高級(jí)混合動(dòng)力轎車 和中、小型公共汽車的并聯(lián)混合動(dòng)力傳動(dòng),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(dòng)系聯(lián)合式圖11并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型圖12中傳動(dòng)系統(tǒng)采用了磁粉離合器和不帶變矩器的自動(dòng)變速器。在混合 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中,無級(jí)變速器CVT和機(jī)械自動(dòng)變速器AMT的應(yīng)用較糾911J, 磁粉離合器的應(yīng)用則不多見。實(shí)際上,磁粉離合器具有效率高、易實(shí)現(xiàn)智能控 制等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)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(jí)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(dòng)機(jī)的無級(jí)變速系統(tǒng)中也嘗 試采用了磁粉離合器【15J。國(guó)內(nèi)的比亞迪股份有限公司、天津清源

21、電動(dòng)車輛有限 責(zé)任公司、南京理工大學(xué)等都在磁粉離合器運(yùn)用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)方面做了嘗試, 取得了一定的成果【16。引。但從上述應(yīng)用和混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的研究來看,磁粉 離合器作為關(guān)鍵傳動(dòng)部件來連接發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用還未見報(bào)道。自動(dòng)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(huì)有很大提高?；谔岣邆鲃?dòng)系統(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(dòng)力系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間安裝了磁粉離合器,電動(dòng)機(jī)直接 與不帶變矩器的自動(dòng)變速器連接,有實(shí)用性和創(chuàng)新性。多占 磁粉離合器電 川卜倒自動(dòng)變速器H迸 噴4l起動(dòng)摯I翁J機(jī)圖12研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)示意圖表11并聯(lián)混合動(dòng)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(gè)數(shù):26離合器 CJ20磁粉離合器 額定轉(zhuǎn)矩:200N.m第一擋傳動(dòng)比:2.725 AL4第二擋傳動(dòng)比:1.5傳動(dòng)系 變速器(不帶變矩器 磊三螽荏葫比:1第四擋傳動(dòng)比:0.711主減速器 傳動(dòng)比:3.27并聯(lián)混合動(dòng)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(jìn) 行能量分配和工作模式的切換。在不進(jìn)行工作模式切換時(shí),可以認(rèn)為混合動(dòng)力 系統(tǒng)處于相對(duì)的穩(wěn)態(tài);有切換發(fā)生時(shí),則是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過渡過程。按照時(shí)間尺 度和系統(tǒng)響應(yīng)特性,可以將混合動(dòng)力汽車的控制問題分為兩類【19J:1在穩(wěn)態(tài)和4動(dòng)態(tài)過程中多個(gè)動(dòng)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(dòng)力源問的相互配合問題,屬于動(dòng)態(tài)控 制的研究范疇,這一問題還涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)反饋。本課題詐是圍繞這兩個(gè)核心問題并偏重于第二個(gè)問題展開并聯(lián)混合動(dòng)力汽 車動(dòng)態(tài)控制策略的理論和試驗(yàn)研究,任務(wù)主要包括三個(gè)方面:1整車能量管理策略的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;2并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì);3狀態(tài)切換過程中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制與驗(yàn)證。1.2文獻(xiàn)綜述能量管理策略是混合動(dòng)力汽車控制領(lǐng)域中研究的重點(diǎn),也是混合動(dòng)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(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的能量 輸出,以滿足駕駛員對(duì)整車驅(qū)動(dòng)能量的需求,同時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)工作【20J

24、。 目前的并聯(lián)混合動(dòng)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(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之問的能量分配。穩(wěn)態(tài)邏輯門限控制 方法簡(jiǎn)單有效,也是模糊邏輯控制方法的基礎(chǔ),在實(shí)際中應(yīng)用廣泛【21,22J。圖13為實(shí)測(cè)的富康發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)效率MAP圖,表示在一定效率時(shí)的發(fā) 動(dòng)機(jī)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(gè) 區(qū)域,其中t。為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開時(shí)的轉(zhuǎn)矩,。;。是為保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作有 較高效率,發(fā)動(dòng)機(jī)工作的最小轉(zhuǎn)矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩低于該值時(shí)

25、,發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行在其高效區(qū)。當(dāng)發(fā)動(dòng) 機(jī)控制器要求發(fā)動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩較。m小時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能不啟動(dòng);當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器要求發(fā)動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩較疋。大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)以其最大轉(zhuǎn)矩t一工作; 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器要求發(fā)動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩介于。,和瓦。;。之白J時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)提供5武漢理一I:人學(xué)博+學(xué)位論文 全部的實(shí)際需求轉(zhuǎn)矩。圖13發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)效率MAP圖發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ir.minl圖14某汽油機(jī)不同指標(biāo)最佳工作區(qū)穩(wěn)態(tài)邏輯門限控制策略保證了發(fā)動(dòng)機(jī)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和較低的排放。這 種控制策略基于控制策略設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)以及穩(wěn)態(tài)的效率MAP圖制定,它不 考慮工況的動(dòng)態(tài)變化,故而不是最優(yōu)的。但

26、是,基于工程經(jīng)驗(yàn)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(shí)際商品化的混合動(dòng)力汽車中得 到應(yīng)用。動(dòng)力系統(tǒng)工作模式和工作點(diǎn)【23之61。具體原理是,在某一瞬時(shí)工況,將電動(dòng)機(jī)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(xué)博十學(xué)位論文式(11中,Wl,W。為對(duì)應(yīng)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(jì)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(dāng)提高排放 的權(quán)值比重,此時(shí)將降低燃油經(jīng)濟(jì)性。瞬態(tài)優(yōu)化控制策略可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最優(yōu)控制,但由于計(jì)算量大,實(shí)現(xiàn)起來比 較困難,運(yùn)行成本也比較高。此外,在計(jì)算過程中需要對(duì)未來的行駛工況中由 制動(dòng)產(chǎn)生的回收能量進(jìn)行預(yù)估,這樣就需要建立比較精確的預(yù)估模型,實(shí)現(xiàn)也 比較困難。因此,瞬時(shí)優(yōu)化控制策略還很少在實(shí)際并聯(lián)混合動(dòng)力汽車上推廣應(yīng) 用。由于瞬時(shí)優(yōu)化控制策略不能保證在整個(gè)運(yùn)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(yīng)用最優(yōu)化方法和最優(yōu)化控制 理論開發(fā)出混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力分配控制策略。主要思想是:基于多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃 或者Bellman動(dòng)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(jì)一1,生127,281或?qū)⒔?jīng)濟(jì)性和排放性加權(quán)【22,291作為目標(biāo)函數(shù),系統(tǒng)狀態(tài)變量為約 束的全局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。其對(duì)應(yīng)的求解方法也是兩種。一是運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法將優(yōu)化問題按時(shí)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(jìn)行迭代求解,求得最優(yōu) 的混合動(dòng)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(dòng)力汽車,燃料電池混合動(dòng)力汽車及并聯(lián)混 合動(dòng)力汽車上都有研究。這種控制策略的缺點(diǎn)是計(jì)算量大,并且依賴于預(yù)定的運(yùn)行工況,實(shí)時(shí)性較 差。智能型控制策略主要是通過應(yīng)

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(dòng)力系統(tǒng)的工作模式和功率分配,具有較強(qiáng)的魯棒性。 智能控制的基本出發(fā)點(diǎn)是模仿人的智能,根據(jù)被控動(dòng)態(tài)過程的定性和定量7武漢理T=入學(xué)博士學(xué)何論文信息,進(jìn)行定性定量綜合集成推理決策,以實(shí)現(xiàn)對(duì)難以建模的復(fù)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(dòng)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(gè)部分組成:規(guī)則庫、 推理機(jī)制、模糊化接口和去模糊化接口。在混合動(dòng)力汽車上,模糊控制器將各 傳感器傳來的精確信號(hào)轉(zhuǎn)化成模糊量,根據(jù)專家制定的推理機(jī)制,應(yīng)用基于控 制知識(shí)與專家工程經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(dòng),使整車 的性能達(dá)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(dòng)力 汽車領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。其局限性在于,控制規(guī)律的固定性導(dǎo)致了系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)特性較差。同時(shí)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(dòng)力汽車模糊控制結(jié)構(gòu)如圖15所示。蓄電池組 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 模糊發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)功率 邏輯控 電動(dòng)機(jī)目標(biāo)功率 制器圖15并聯(lián)混合動(dòng)力汽車模糊控制結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN是以對(duì)信息的分布式存儲(chǔ)和并行處理為基礎(chǔ),在許多方面 更接近于人對(duì)信息的處理方法,有很強(qiáng)的逼近非線性函數(shù)的能力。其缺點(diǎn)是經(jīng) 過學(xué)

31、習(xí)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(jià)值1363a。 遺傳算法(GA是建立在自然選擇和自然遺傳學(xué)機(jī)理基礎(chǔ)之上的迭代自適 應(yīng)概率性搜索算法。它能夠同時(shí)搜索空間上的許多點(diǎn),并且能充分搜索,因此 能夠快速全局收斂。采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化是對(duì)所要優(yōu)化的參數(shù)的集合進(jìn)行編 碼,而不是對(duì)參數(shù)本身,遺傳操作均在字符串上進(jìn)行。只需要評(píng)價(jià)用的適應(yīng)函 數(shù),而不需要其它形式信息,這些使得遺傳算法對(duì)問題的適應(yīng)能力很強(qiáng)。遺傳 算法的這些特點(diǎn)使得它適于在HEV控制策略的制定中得到應(yīng)用30,39,40l。8武漢理T人學(xué)博十學(xué)位論文粒子群優(yōu)

32、化算法(PSO是一種進(jìn)化計(jì)算技術(shù),源于對(duì)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(jìn)行搜索,PSO算法的優(yōu)勢(shì)之一 是采用實(shí)數(shù)編碼,而不需要像遺傳算法一樣采用二進(jìn)制編碼,且PSO中并沒有 許多需要調(diào)節(jié)的參數(shù),可進(jìn)行全局和局部尋優(yōu)。該算法在平衡混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng) 力性、經(jīng)濟(jì)性和排放方面有較好的應(yīng)用141,42J。車輛的行駛工況對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放有著至關(guān)重要的影響。為了有 效地評(píng)價(jià)同一類車輛的性能,一般采用具有相同統(tǒng)計(jì)信息的同一標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán) 或混合行駛循環(huán)。由于標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)只具備有限的代表性,這使得在設(shè)計(jì)過程中

33、只 考慮少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的產(chǎn)品,其適應(yīng)性不足,而在設(shè)計(jì)過程中考慮過多行駛循環(huán) 的產(chǎn)品,其針對(duì)性又不強(qiáng)。為此,基于行駛循環(huán)在線識(shí)別的能量管理策略有了應(yīng)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(jì)信息,通過 對(duì)行駛工況的識(shí)別,針對(duì)每一類型的實(shí)際工況對(duì)控制參數(shù)或控制算法進(jìn)行在線 調(diào)整,達(dá)到提高控制策略適應(yīng)性和車輛性能的目的143-45J。由于實(shí)際道路工況的復(fù)雜性和不確定性,該控制策略需要在車輛行駛一段 時(shí)間以后才能得出循環(huán)的統(tǒng)計(jì)信息,并進(jìn)而調(diào)整控制參數(shù)。這種識(shí)別本身具有 時(shí)問延時(shí)性,當(dāng)車輛調(diào)整到一種相對(duì)較優(yōu)的控制參數(shù)時(shí),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(shí)際控制 中難以達(dá)到預(yù)期的效果MJ。多年以來,雖然對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)過程中多個(gè)動(dòng)力源的能量分配和效率優(yōu)化方面 (20誰】,對(duì)控制策略中涉及混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式切換過程中的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的 研究相對(duì)較少。如前所述,混合動(dòng)力汽車有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、純電動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)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(gè)關(guān)鍵的問題。文獻(xiàn)【19】分析了混合動(dòng)力的七種切換模式,并指出在9武漢理T人學(xué)博士!學(xué)位論文模式切換過程中,如果不進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制,就會(huì)因?yàn)闋顟B(tài)切換時(shí)總的目標(biāo)轉(zhuǎn) 矩發(fā)生較大

35、波動(dòng),影響整車的舒適性。一般而言,動(dòng)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(dòng)機(jī)和電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和的波動(dòng)幅度,控制方法主要是以發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩反饋為基礎(chǔ),利 用電機(jī)的快速響應(yīng)特性進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,達(dá)到總需求轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生大的波動(dòng)而提高 舒適性的目的。日本豐田公司的Prius混合動(dòng)力汽車?yán)闷涮赜械膭?dòng)力分配機(jī)構(gòu) 很好地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控锘1J119,44J,但該技術(shù)只適用于具備動(dòng)力 分配機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng),不具普遍性。在國(guó)內(nèi),武漢理工大學(xué)的黃妙華博士從電動(dòng)汽車實(shí)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(diǎn),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(dòng)機(jī)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(yùn)行過程中所需轉(zhuǎn)矩,對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行合理、實(shí)時(shí)并有效地工作轉(zhuǎn)矩分配, 從而實(shí)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(dòng)機(jī)燃油消耗較低的控制目標(biāo)。該作者沒有對(duì)轉(zhuǎn)矩傳遞的平穩(wěn)性進(jìn)行研究,但 其指出了以轉(zhuǎn)矩作為控制量,會(huì)使驅(qū)動(dòng)裝置的工作轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩,對(duì)汽車平穩(wěn) 性有影響。清華大學(xué)的童毅博士通過發(fā)動(dòng)機(jī)的平均值模型及電動(dòng)機(jī)的理論建模, 得出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相對(duì)穩(wěn)態(tài)特性存在滯后和超調(diào)現(xiàn)象,而電動(dòng)機(jī)則能很快 跟蹤其需求轉(zhuǎn)矩的結(jié)論,首次提出了發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的“動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制” 問題,并展開了深入和有價(jià)值的研究,提出了“發(fā)動(dòng)

37、機(jī)轉(zhuǎn)矩開環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 動(dòng)態(tài)估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”的基本算法【19。由于受到試驗(yàn)條件的限制,研究 者沒有進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),故而沒能進(jìn)一步分析發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特 性差異的程度和影響因素;文中只對(duì)“發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)<一>功率輔助”這一種典型 工況進(jìn)行了算法試驗(yàn),沒有對(duì)“純電動(dòng)<一>發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)"等涉及傳動(dòng)系統(tǒng)工作 的工況進(jìn)行算法驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,黃丌勝博士對(duì)加速過程中的動(dòng)態(tài)控制策略 進(jìn)行了研究,提出了一種“實(shí)時(shí)工況點(diǎn)優(yōu)化+發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度變化率速率限 制+分段PI控制”的算法,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。其基本思想仍然是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ) 償,算法中對(duì)節(jié)氣門開度變化率進(jìn)行限制的目

38、的是為了降低排放,并在控制策 略中為實(shí)現(xiàn)這一思想對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門采用了分段PI控制,以達(dá)到平滑過渡的目 的,這一算法實(shí)現(xiàn)了加速過程中對(duì)瞬態(tài)空燃比和排放的合理控制14n。上述兩種 算法和試驗(yàn)方法對(duì)本文的研究具有借鑒意義。吉林大學(xué)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(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制,將混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的研究從10武漢理l:人學(xué)博十學(xué)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(duì)驅(qū)動(dòng)模式下?lián)Q擋過程中 的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問題進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究【矧。其研究對(duì)提高混合動(dòng)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(dòng)態(tài)控制研究主要是避免總需求轉(zhuǎn)矩的波動(dòng),保證舒適 性。筆者認(rèn)為,動(dòng)念控制的

39、目點(diǎn)不應(yīng)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(yīng)該使整車在模式切換前后的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和舒適性等 都不發(fā)生大的波動(dòng)。但限于切換過程中發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)燃油消耗及動(dòng)態(tài)排放難以測(cè) 定,本論文仍然以保證整車在狀態(tài)切換時(shí)需求轉(zhuǎn)矩不發(fā)生大的波動(dòng)為動(dòng)態(tài)控制 的主要目的。如前所述,動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的方法主要是以發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩反饋為基礎(chǔ), 利用電機(jī)的快速響應(yīng)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,達(dá)到總需求轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生大的 波動(dòng)的目的。實(shí)現(xiàn)這一控制的前提是混合動(dòng)力控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反饋發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)本身的控制單元直接提供轉(zhuǎn)矩輸出,對(duì)于動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制來說這種 發(fā)動(dòng)機(jī)是最簡(jiǎn)捷的

40、解決方案。德國(guó)Deutz發(fā)動(dòng)機(jī)公司丌發(fā)的部分柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一J、 美國(guó)Delphi公司的部分汽油發(fā)動(dòng)機(jī)147J具備這種功能,但很少見到利用這種發(fā)動(dòng)機(jī) 反饋轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動(dòng)念協(xié)調(diào)控制效果的報(bào)道。2通過在發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)室。3在汽車傳動(dòng)軸或車輪上安裝非接觸式扭矩傳感器|5¨,實(shí)時(shí)測(cè)得動(dòng)力裝置 傳遞到傳動(dòng)軸或車輪上的轉(zhuǎn)矩,根據(jù)傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn) 矩。這種方案在混合動(dòng)力系統(tǒng)上存在局限性,因?yàn)閭鲃?dòng)軸扭矩傳感器測(cè)出的轉(zhuǎn) 矩一般是動(dòng)力裝置的總轉(zhuǎn)矩,也就是包括了電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩,不能單獨(dú)反饋 發(fā)動(dòng)機(jī)

41、的轉(zhuǎn)矩,除非混合動(dòng)力系統(tǒng)是雙軸驅(qū)動(dòng),且發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)各自驅(qū)動(dòng)其 中一軸,但這種并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)方式不具普遍性,也決定這種方案的局限性。 4通過混合動(dòng)力系統(tǒng)中的其他部件間接獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。豐田Prius轎車 就是利用動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)中的行星架和太陽輪分別連接發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī),根據(jù)發(fā) 動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系和可測(cè)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩問接算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Il。 5由混合動(dòng)力系統(tǒng)的多能源動(dòng)力總成控制器或者單獨(dú)開發(fā)的估計(jì)器對(duì)發(fā)動(dòng)武漢理r人學(xué)博十學(xué)位論文機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。也就是將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)估計(jì)算法從發(fā)動(dòng)機(jī)控制器上移 到多能源總成控制器或?qū)ｉT的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)器上。當(dāng)然,如果發(fā)動(dòng)機(jī)不提供 這種轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)估計(jì)功能,多能

42、源動(dòng)力總成控制器或?qū)ｉT的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)器就 可以完成這一功能。章毅博士為解決這一問題就單獨(dú)開發(fā)了基于MPC555微處理 器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)軟硬件平刨19】?？梢哉f,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩估計(jì)在混合動(dòng) 力汽車動(dòng)態(tài)控制方面具有普遍意義。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩估計(jì)方法,目前主要有三種:基于發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型的轉(zhuǎn)矩 估計(jì)算法、基于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩估計(jì)算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩估 計(jì)算法。目前,在現(xiàn)有的汽油機(jī)模型中,面向控制的發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型(MVEMs Mean Value Engine Models52-58l最為實(shí)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(jiǎn)單發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,所描述的發(fā)動(dòng)機(jī)的參

43、數(shù)是 一定時(shí)問內(nèi)該參數(shù)的平均值,平均的時(shí)問雖然比高轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)的 時(shí)間要長(zhǎng),但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于動(dòng)態(tài)工況中發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的時(shí)間(通常需要幾十幾百個(gè)循環(huán),這使得平均值模型能夠精確地描述動(dòng)態(tài)工況中發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(進(jìn)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(jiǎn)單的微分方程來表現(xiàn),可以非常簡(jiǎn)便的在控制中加以應(yīng)用?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型的轉(zhuǎn)矩估計(jì)算法有其優(yōu)勢(shì):1該算法具有前饋性質(zhì),從理論上分析,模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的 輸出應(yīng)該是一致的,從原理上不應(yīng)該存在相位差,是一種比較理想的在動(dòng)態(tài)過 程中估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的算法;2該算法中沒有復(fù)雜的計(jì)算,最繁瑣的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

44、過程也僅為一 階微分方程,計(jì)算簡(jiǎn)單,尤其在低端的處理器上的實(shí)現(xiàn)容易;3該算法與現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控 制得較為理想時(shí)(理論空燃比附近可以近似地認(rèn)為由進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的充量12武漢理工大學(xué)尊十學(xué)位論文所做的功等同于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣所做的功159,刪。但是,在實(shí)際情況中并 不完全如此。另一方面,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生除了與進(jìn)入氣缸的充量相關(guān)以外, 還和點(diǎn)火J下時(shí)相關(guān)

45、等因素相關(guān),如果改變了點(diǎn)火正時(shí),也會(huì)造成轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)。 其次,此種算法必須建立準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型,尤其是較好地建立 通過發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的空氣流量與節(jié)氣門開度、進(jìn)氣歧管壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的模 型,只有當(dāng)模型標(biāo)定得比較準(zhǔn)確了才有可能更精確的估計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。 最后,該算法具有一定的局限性。利用該算法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)時(shí)只能 面向汽油機(jī),如果需要在柴油機(jī)上應(yīng)用還必須建立柴油機(jī)的平均值模型。即使 是只針對(duì)汽油機(jī),不同的汽油機(jī)采用不同的空燃比控制策略以及不同的補(bǔ)償方 式都將給建模過程帶來不便。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)特征是反映發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的非常有效的指標(biāo)之 一,因此,利用曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)

46、行估計(jì)己經(jīng)取得了一定的研 究成果【61卅】。國(guó)外采用的方法是通過試驗(yàn)直接標(biāo)定不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬時(shí) 轉(zhuǎn)速的波動(dòng)幅值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,然后制成MAP圖,在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行 過程中由計(jì)算的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值通過查MAP圖的方式得到估計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 矩。在確定瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系上,關(guān)鍵是如何定量描述瞬 時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)幅值。對(duì)這一問題,已經(jīng)提出了三種方法:1采用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火頻 率點(diǎn)的幅值;2采用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的均方值;3采用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的最大值與最小值 之差。清華大學(xué)李建秋博士在YC6108非增壓柴油機(jī)上對(duì)上述三種方法均進(jìn)行了 驗(yàn)證,結(jié)果表明,由這三種方法計(jì)算得到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值與發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值進(jìn)行發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)得到的結(jié)果也是非單調(diào)的,經(jīng)過適應(yīng)性修正后,可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)瞬 時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的線性擬和關(guān)系165J。該算法最大的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、涉及到的信號(hào)非常少且估計(jì)精度高。但是 對(duì)于增壓柴油機(jī)和電噴汽油機(jī),直接應(yīng)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(duì)原算法進(jìn)行修J下。該算法的不足之處就在于實(shí)時(shí)性要求比較高,計(jì)算的工作量比較大。13人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)有近20年的歷史。主要的應(yīng)用有發(fā)動(dòng) 機(jī)數(shù)據(jù)曲線的擬和、排放性能的預(yù)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷 等。應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩估計(jì)實(shí)

48、際上是對(duì)實(shí)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn) 行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)處理,得出較為理想的近似于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的模型,并利用此 模型進(jìn)行轉(zhuǎn)矩估計(jì)166“701。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如轉(zhuǎn)矩脈譜、燃油經(jīng)濟(jì)性 脈譜等都是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動(dòng)機(jī)性能估計(jì)與預(yù)測(cè)上的具體運(yùn)用。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng) 態(tài)特性需要性能很高的測(cè)功系統(tǒng)測(cè)定,因此,基于動(dòng)態(tài)特性的發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù),同樣可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具進(jìn)行發(fā)動(dòng) 機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)。這樣,就拋開了傳統(tǒng)的煩瑣數(shù)學(xué)建模的方法,只要選擇正 確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)方法,并有足夠的學(xué)習(xí)樣本,就可以建立起精度很高的發(fā) 動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)的非線性模型

49、。文獻(xiàn)47禾1J用BP和RBF兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變 節(jié)氣門開度下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了動(dòng)態(tài)估計(jì),估計(jì)誤差較小。本文中關(guān)于發(fā)動(dòng) 機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)的模型也是在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析,結(jié)合本課題的任務(wù),本文的研究?jī)?nèi)容可 劃分為如下四部分:1并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)仿真模型的建立。在沒有充分試驗(yàn)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(dòng)力汽車關(guān)鍵部件的動(dòng)力學(xué)模型,如發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電動(dòng)機(jī)模型及自 動(dòng)變速傳動(dòng)系統(tǒng)模型,進(jìn)而搭建單軸式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的整車仿真模型。 2發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)模型的理論與試

50、驗(yàn)研究。作為動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ),本文在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)模型。3整車動(dòng)態(tài)控制的仿真研究。在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)基于規(guī)則的能量管理策略,并 實(shí)現(xiàn)對(duì)整車模型的循環(huán)工況驗(yàn)證。提出動(dòng)態(tài)控制算法,完成并聯(lián)混合動(dòng)力汽車14在各種狀態(tài)切換過程中的動(dòng)念控制研究。4整車動(dòng)態(tài)控制策略的臺(tái)架試驗(yàn)研究。搭建試驗(yàn)臺(tái)架,完成定工況模式下的各種切換試驗(yàn),并驗(yàn)證動(dòng)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(xiàn)分析”“整車建模” “前期試驗(yàn)”“算法仿真研究"“驗(yàn)證試驗(yàn)”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(dòng)力汽車的特點(diǎn)及研究背景,闡述并聯(lián)混 合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)控制的研究現(xiàn)狀,概述本論文工作的研究?jī)?nèi)容和研究方法; 第2章并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模:對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)及傳 動(dòng)系統(tǒng)中各主要部件進(jìn)行分析,建立相應(yīng)仿真模型,確定多能源動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì):制定發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性及 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)方案,測(cè)定并分析發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立 發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)模型;第4章并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制策略:論述并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩 預(yù)分配策略,確定動(dòng)態(tài)控制算法;第5章并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制仿真研究:驗(yàn)證整車控制仿真模型 的正確性

52、和有效性,對(duì)動(dòng)態(tài)控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證;第6章動(dòng)態(tài)控制算法的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證:搭建混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)架,利用快 速控制原型工具,對(duì)各種典型的狀態(tài)切換進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制算法的驗(yàn)證。第7章結(jié)束語:對(duì)本文的研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),并對(duì)后續(xù)的研究 予以展望。15武漢理,r人學(xué)博十學(xué)佗論文第2章并聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模并聯(lián)混合動(dòng)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(jìn) 行大量實(shí)車試驗(yàn)來比較評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案。因?yàn)檫@樣做將耗費(fèi)大量的人力、物力及 財(cái)力,并且還會(huì)使得設(shè)計(jì)開發(fā)周期延長(zhǎng)。因此,在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的前期理 論研發(fā)中,必須引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),以此進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬。這種 仿真模擬的前提是對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)

53、力源系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、整車控制系 統(tǒng)等依據(jù)其特性,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,然后在仿真軟件平臺(tái)上,建立整車系 統(tǒng)的仿真模型。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車較傳統(tǒng)車型龐大而復(fù)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(shí)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(gè)系統(tǒng)的特性和行為。通過系統(tǒng)仿真,可以在設(shè)計(jì)初始階段快速分 析整車系統(tǒng)的有關(guān)特性,提供動(dòng)力系統(tǒng)詳細(xì)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(jì)和開 發(fā)提供依據(jù)。建模與仿真技術(shù)在并聯(lián)混合動(dòng)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(dòng)力汽車系統(tǒng)各部件間的相互作用頻

54、繁而復(fù)雜,只有通過 建模仿真彳能定量分析其對(duì)整車系統(tǒng)性能的影響。動(dòng)力部件的性能參數(shù)對(duì)于 保證動(dòng)力性能等優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jì)算方法或者通過大量試驗(yàn)柬測(cè)定這些參數(shù)代價(jià) 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(jì)目標(biāo)的前提下,提高參 數(shù)匹配的速度與準(zhǔn)確性。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車能量管理策略較多,對(duì)其進(jìn)行優(yōu) 化是要解決的核心問題。依靠大量試驗(yàn)來測(cè)試比較各種控制策略的實(shí)際效果代 價(jià)極大且不可行,系統(tǒng)仿真可以以極小代價(jià)有效的解決這一問題。2.1并聯(lián)混合動(dòng)力汽車仿真方法分類并聯(lián)混合動(dòng)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(shí)際所得車速實(shí)時(shí)調(diào)整加速肺0動(dòng)踏板,從 而使得車輛控制器能夠按照駕駛員意圖進(jìn)行能量管理。駕駛員對(duì)踏板的調(diào)整通16武漢理rT大學(xué)博+學(xué)位論文常以轉(zhuǎn)矩的方式體現(xiàn)出來。控制器按照駕駛員轉(zhuǎn)矩需求計(jì)算出動(dòng)力源應(yīng)該處于 的工作狀念及應(yīng)該提供的轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的控制。整個(gè)仿真系統(tǒng)中控制 信號(hào)與功率流完全按照實(shí)車相同的傳遞路線進(jìn)行傳遞。汽車前向仿真用軟件中 最具有代表性的是美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的PSATl74,751。(

56、a前向仿真流程 期肇車速廣-一一、二實(shí)際運(yùn)篙銎力II二二刪-v輪卜l-1.J【.J 一車輪.一車輛動(dòng)力巨覽j璺生 ;模型1學(xué)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(dòng)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(jì)算得到為了滿足循環(huán)工況的要 求,車輛各個(gè)部件應(yīng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩按照循環(huán)工況要求的車速進(jìn)行每一時(shí)間步長(zhǎng)的 實(shí)時(shí)計(jì)算,并沿著與實(shí)際轉(zhuǎn)矩傳遞的路線相反的方向進(jìn)行傳遞?？刂破鞲鶕?jù)能 量管理策略,將傳動(dòng)部件傳送的整車需求功

57、率進(jìn)行分配后,以需求值的形式傳 遞給各個(gè)動(dòng)力源,從而實(shí)現(xiàn)控制。美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)部件的動(dòng)態(tài)變化過程的計(jì)算,因而對(duì)積分運(yùn)算有較高要求。前 向仿真時(shí)通常采用高階的解算器進(jìn)行積分運(yùn)算,例如四階龍格一庫塔公式,以 提高仿真的精度。由此所對(duì)應(yīng)的仿真步長(zhǎng)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(xué)博士學(xué)位論文慢。同時(shí)導(dǎo)致計(jì)算過程中需要保存的數(shù)據(jù)量較大,這就要求計(jì)算機(jī)有較強(qiáng)的存 儲(chǔ)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(zhǔn)靜態(tài)基礎(chǔ)之上。不考慮傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際的瞬態(tài)變化過程,因 此大大降低了對(duì)積分運(yùn)算的要求,從而對(duì)于解算器的要求較低。后向仿真計(jì)算 步長(zhǎng)可以較大,一般為1秒,因此仿真速度較快,對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力要求也 較低。鑒于各自的特點(diǎn),前、后向仿真模式的實(shí)際應(yīng)用不盡相同。前向仿真一般 用于對(duì)已選定的部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及動(dòng)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(dǎo)下,適當(dāng)改進(jìn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù),以達(dá)到整車性能滿足設(shè) 計(jì)要求的目的。后向仿真一般用于初期的系統(tǒng)預(yù)估,對(duì)所需開發(fā)的電動(dòng)汽車整 車結(jié)構(gòu)及相應(yīng)控制策略作初步的