-.z混合動力汽車課程論文超輕度混合動力汽車控制策略仿真**：趙江靈單位：機械學院專業(yè)：機械電子工程**：2011年6月22日摘要：建立整車仿真模型，以驗證所制定的控制策略，進展性能仿真。由于超輕度混合動力汽車是由發(fā)動機、電機、變速器和電池等機電液系統(tǒng)組成的復雜體系，準確建模較為復雜。為到達模擬整車動力性和燃油經(jīng)濟性的目的又能方便建模，采用理論建模與數(shù)值建模相結合的方法，即整車動力傳動系統(tǒng)采用理論建模；通過臺架試驗數(shù)據(jù)建立發(fā)動機、電機和電池的數(shù)值模型，應用模糊邏輯控制原理建立駕駛員模型〔輸出節(jié)氣門開度和制動力〕和變速器速比控制模型。關鍵詞：混合動力汽車，控制策略，仿真-.z1.概述1.1超輕度混合動力汽車的特點所謂的超輕度混合動力汽車是以*冬野教授所提出的新型回流式無級自動變速傳動為根底，充分利用回流式無級自動變速傳動系統(tǒng)超大速比變化*圍、低速時傳動效率高于純無級變速傳動和承載能力大的特點，采用比ISG型輕度混合動力汽車更小功率的電機作為汽車的第二動力源的汽車，如圖1所示。-.z圖1超輕度混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)布局-.z在功能方面，除具有輕度混合動力汽車電機輔助發(fā)動機怠速起停和能量回收的特性外，還利用回流式無級自動變速傳動超大速比的特點，在交通擁擠或進出車庫汽車爬行時采用電機單獨驅(qū)動；利用回流式無級自動變速傳動可連續(xù)實現(xiàn)正、反向傳動的特點，在低速倒車時采用純電動驅(qū)動，從而到達節(jié)省燃油和減少排放的目的。與普通汽車相比，超輕度混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性能和廢氣排放性能將會得到明顯改善，符合我國當前國民經(jīng)濟和社會開展的實際需要。同時，與目前國際上現(xiàn)有的混合動力汽車相比，價格更低，對國內(nèi)汽車企業(yè)具有更好的生產(chǎn)可行性和市場銷售前景。-.z-.z1.2主要工作模式超輕度混合動力汽車采用小功率電機作為輔助動力源，就決定了其工作模式與普通混合動力汽車不同，按照汽車行駛的不同工況確定具體工作模式。傳統(tǒng)汽車起步工況下，發(fā)動機燃油消耗量大，排放惡劣，并且給傳動系統(tǒng)帶來沖擊。超輕度混合動力汽車在汽車起步工況下，采用怠速起停起步控制，從而防止發(fā)動機運行在起步和怠速等惡劣工況下。在駕駛員給出起步命令后，控制系統(tǒng)發(fā)出起動電機指令，電機在很短時間內(nèi)〔如0.4s〕將發(fā)動機加速至怠速轉(zhuǎn)速〔如800r?min-1〕。到達怠速轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機才開場噴油點火，同時關閉電機，接合起步離合器，實現(xiàn)汽車起步。在城市繁忙道路上，交通擁擠和堵車經(jīng)常發(fā)生。汽車走走停停，節(jié)氣門開度很小，車速低，汽車需要的驅(qū)動功率不大。這種工況下發(fā)動機負荷率低，運行在低轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的高油耗高排放區(qū)。借助回流式無級自動變速系統(tǒng)具有的超大速比*圍的特點，小功率電機可以實現(xiàn)電機單獨驅(qū)動汽車運行在這種低速爬行工況下，到達消除發(fā)動機油耗和排放的目的。另外汽車倒車時一般功率需求不大，也可以采用電機單獨驅(qū)動的方式。汽車實際行駛中，經(jīng)常需要進展減速制動?；旌蟿恿ζ嚳梢岳秒姍C運行在發(fā)電機狀態(tài)下，回收制動能量，通過逆變器將能量儲存于電池中。當汽車長時間沒有運行或者電池過度放電時，電池的能量缺乏以驅(qū)動電機運行。除了采取外部充電來解決電池電荷過低外，進展車載充電也是設計時必須考慮的，即通過發(fā)動機驅(qū)動電機發(fā)電來給電池充電，使混合動力系統(tǒng)得以正常運作。2.整車控制策略超輕度混合動力汽車我們采用以發(fā)動機功率跟隨控制模式為主，并結合恒溫器控制模式的控制策略。其目的是充分利用發(fā)動機和電池的高效區(qū)，控制發(fā)動機和電機的功率輸出跟隨整車的功率需求而變化，使其到達整體效率最高。在具體實現(xiàn)上，依據(jù)汽車的工作模式特點確定相應的控制目標。在起步工況下，通過綜合控制電機驅(qū)動電流、發(fā)動機節(jié)氣門開度和起步離合器的接合速度來實現(xiàn)汽車的快速平穩(wěn)起步，并實現(xiàn)起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動小，工作穩(wěn)定，降低起步排放和噪音。在發(fā)動機工作時〔包括發(fā)動機單獨驅(qū)開工況和電池低SOC充電工況〕，控制目標就是把發(fā)動機限制在最優(yōu)工作曲線附近工作，并限制發(fā)動機功率瞬時變化的速度和幅度，使在滿足駕駛員動力需求的前提下油耗少、排放小。這種工況下，把發(fā)動機運行在優(yōu)化工作線上的目標轉(zhuǎn)速作為回流式無級自動變速系統(tǒng)的速比調(diào)節(jié)的輸入量，通過調(diào)節(jié)速比使發(fā)動機運行在目標區(qū)域。同時通過控制節(jié)氣門開度和限定節(jié)氣門開度的變化率實現(xiàn)對發(fā)動機功率瞬時變化的控制。當電機單獨運行時〔包括爬行起步、超低速行駛工況、再生制動和正常倒車工況〕，控制目標就是把電機限制在最高效率曲線附近工作。這種工況下，把電機運行在優(yōu)化工作線上的目標轉(zhuǎn)速作為速比調(diào)節(jié)的輸入量，通過調(diào)節(jié)速比使電機運行在目標區(qū)域，同時調(diào)節(jié)驅(qū)動電流〔或占空比〕實現(xiàn)電機的輸出轉(zhuǎn)矩的控制以滿足工況需求。并考慮電池組充放電的效率和使用壽命，把電池的SOC值*圍限制在一個充放電內(nèi)阻都比擬低的區(qū)間內(nèi)〔0.3～0.8之間〕。3.混合動力汽車整車控制策略仿真超輕度混合動力汽車整車控制策略仿真我們按照前向仿真為主，后向仿真為輔的建模思想建立整車仿真模型，即根據(jù)工況要求，經(jīng)過后向運算得到汽車需求功率大小，通過工況模式判斷決定當前的汽車的工作模式。按照前向仿真的思路，根據(jù)當前車速和目標車速通過駕駛員模型得到發(fā)動機節(jié)氣門開度和制動力大小。結合工況模式判斷，確定發(fā)動機和電機的實際工作狀態(tài)和目標工作線，將信號傳到回流式無級自動變速系統(tǒng)模塊，通過匹配控制，得到使發(fā)動機或電機能在最高效區(qū)工作的目標速比。最后由傳動系模塊運算得到汽車的實際車速。整車仿真模型如圖2所示。-.z圖2超輕度混合動力汽車仿真模型-.z3.1工況判斷模塊1〕模塊功能：根據(jù)實際工況判斷超輕度混合動力汽車的工作模式，確定發(fā)動機的開關狀態(tài)、電機的工作模式。2〕主要輸入?yún)?shù)：目標車速、實際車速、油門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電池SOC、變速器速比、變速器效率、制動力和制動強度等。3〕主要輸出參數(shù)：各離合器制動器狀態(tài)、各離合器接合或別離動作需求信號、汽車起步信號、發(fā)動機開關信號、電機工作狀態(tài)和發(fā)動機供油信號等。工況判斷其主要控制流程如下：首先判斷起步類型，根據(jù)起步類型控制各離合器的初始狀態(tài)，發(fā)出汽車起步指令。待汽車完成起步后根據(jù)目標車速和傳動系當前狀態(tài)反算出發(fā)動機處的需求功率Preq，假設需求功率大于零且小于電機最大功率，同時電池SOC值大于允許驅(qū)動電機的門限值，則允許進展電機驅(qū)動模式判斷。同理，假設再生制動功率大于零且電池SOC值小于允許充電的門限值，或者進入低SOC充電狀態(tài)，則允許進展發(fā)電機模式判斷?；陔姍C和發(fā)電機工作信號及當前工況信息得到發(fā)動機的控制信號。-.z根據(jù)汽車理論，發(fā)動機處的需求功率Preq可由下式計算：式中：is——坡度。3.2駕駛員模型1〕模塊功能：模擬駕駛員輸出等效節(jié)氣門開度和制動力大小，使汽車運行在目標工況下。2〕輸入?yún)?shù)：目標車速、實際車速、各離合器狀態(tài)、起步狀態(tài)、給定起步油門和電機工作狀態(tài)等。3〕輸出參數(shù)：等效節(jié)氣門開度、機械制動力和再生制動力等。等效節(jié)氣門控制模塊包括起步階段節(jié)氣門控制模塊、正常行駛節(jié)氣門控制模塊、起步至正常行駛轉(zhuǎn)換階段控制模塊和怠速節(jié)氣門控制模塊。之所以稱為等效節(jié)氣門是因為輸出的節(jié)氣門開度并不是實際的發(fā)動機節(jié)氣門開度，只有當發(fā)動機單獨工作時等效節(jié)氣門開度才是實際節(jié)氣門開度。當電機單獨驅(qū)動時，這時發(fā)動機實際節(jié)氣門開度為零，而等效節(jié)氣門開度不為零，電機輸出功率為等效節(jié)氣門開度下發(fā)動機的輸出功率。當電池低SOC充電時，實際節(jié)氣門開度大于等效節(jié)氣門開度，因為發(fā)動機需發(fā)出額外功率來給電池充電?？偟膩碚f，輸出的等效節(jié)氣門開度是使發(fā)動機單獨驅(qū)動時，運行在等效節(jié)氣門開度下輸出的功率剛好滿足工況的需要。進而根據(jù)等效節(jié)氣門開度來決定其他工況下電機的驅(qū)動電流大小和發(fā)電率。-.z制動力控制模塊包括總制動力控制模塊、制動狀態(tài)判斷模塊和制動力分配模塊。總制動力控制也是根據(jù)實際車速和目標車速的差值采用模糊控制方法來確定，如圖3所示。-.z圖3總制動力控制模塊-.z3.3發(fā)動機控制模塊1〕模塊功能：模擬發(fā)動機驅(qū)動或反拖制動功能，根據(jù)工況輸出發(fā)動機各工況下的輸出轉(zhuǎn)矩，控制發(fā)動機點火狀態(tài)，發(fā)出允許起步離合器結合命令。2〕輸入?yún)?shù)：節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機開關信號、起步類型和發(fā)動機供油信號等。3〕輸出參數(shù)：發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速、低SOC充電功率、實際節(jié)氣門開度、怠速起停完成信號和起步離合器結合信號等。發(fā)動機模型為基于臺架試驗數(shù)據(jù)的數(shù)值模型，其控制模塊如圖4所示。發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩控制流程如下：首先判斷發(fā)動機是否工作在低SOC充電工況，假設是，則進展節(jié)氣門修正，輸出實際節(jié)氣門開度。根據(jù)節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速查發(fā)動機特性曲線的二維表得到發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。假設節(jié)氣門開度很小〔小于1％〕，查表值與實際值相差較大，需進展輸出轉(zhuǎn)矩修正。判斷發(fā)動機供油狀態(tài)，假設發(fā)動機未供油但在運行中，說明發(fā)動機允許在反拖狀態(tài)，則根據(jù)轉(zhuǎn)速查表得到發(fā)動機的反拖阻力矩。進展發(fā)動機點火狀態(tài)判斷，假設發(fā)動機未點火而轉(zhuǎn)速大于零，說明發(fā)動機運行在起動階段，則查表輸出發(fā)動機起動阻力矩。-.z圖4發(fā)動機控制模塊-.z根據(jù)控制的目標需求可以選擇發(fā)動機的目標工作線，即通過控制變速器速比實現(xiàn)發(fā)動機工作在最正確經(jīng)濟線、最正確動力線或者其他優(yōu)化線上。通過查表得到發(fā)動機的目標轉(zhuǎn)速，輸出給變速器控制模塊。發(fā)動機起動點火控制模塊的作用是按照起步模式分別控制發(fā)動機的點火時刻：假設為怠速起停起步，則當發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過怠速轉(zhuǎn)速〔800r?min-1〕就進展點火，同時關閉電機，發(fā)出允許接合起步離合器命令；假設為正常起步，則控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過起步轉(zhuǎn)速〔200r?min-1〕就進展點火，同時關閉起步電機。-.z-.z3.4電機及逆變器控制模塊1〕模塊功能：模擬電機驅(qū)動和發(fā)電功能，根據(jù)工況輸出電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩，給出驅(qū)開工況的目標轉(zhuǎn)速或制開工況的目標轉(zhuǎn)速，提出驅(qū)開工況的電流需求，計算再生制動的充電電流。2〕輸入?yún)?shù)：電機轉(zhuǎn)速、電機開關信號、等效節(jié)氣門開度、再生制動功率、起步狀態(tài)和起步模式等。3〕輸出參數(shù)：電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、電機制動轉(zhuǎn)矩、電機效率、驅(qū)開工況的目標轉(zhuǎn)速、制開工況的目標轉(zhuǎn)速、電池充放電電流等。電機模型是關于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的二維效率數(shù)值模型，其控制模塊如圖8所示。電機輸出轉(zhuǎn)矩控制流程如下：首先判斷電機的工作模式和開關信號，假設為驅(qū)開工況則按照等效節(jié)氣門開度求得電機需求驅(qū)動功率，假設為再生制動或低SOC充電工況則由發(fā)電功率模塊求得電機發(fā)電的需求功率。將功率需求信號傳輸給電機輸出功率模塊，綜合考慮起步工況〔怠速起停起步或爬行起步〕的功率需求輸出實際電機功率Pm，再通過電機轉(zhuǎn)矩控制得到電機的輸出轉(zhuǎn)矩.-.z-.z3.5電池控制模塊1〕模塊功能：模擬電池儲能功能，實時輸出電池SOC值。2〕輸入?yún)?shù)：電池需求充放電電流和電池當前SOC值。3〕輸出參數(shù)：電池實際充放電電流和電池剩余SOC值。電池模塊如圖5所示。為簡化模型，只考慮到電池充放電效率隨電池SOC值和充放電電流的變化，沒有考慮其隨電池溫度的變化。其控制流程為：根據(jù)由電機模塊輸出的電池需求充放電電流信號和電池當前SOC值，查表得到電池充放電效率，進而得到電池實際充放電電流，通過積分得到電池累計充放電電量和電池剩余能量，與電池總能量比擬得到電池剩余SOC值。-.z圖5電池控制模塊-.z3.6回流式無級自動變速器控制模塊1〕模塊功能：實現(xiàn)回流式無級自動變速器功能，根據(jù)工況要求和工作模式確定變速器速比，使電機和發(fā)動機運行在目標工作線上，通過控制變速器內(nèi)各離合器實現(xiàn)汽車平穩(wěn)起步和回流式無級自動變速器各工況模式的轉(zhuǎn)換。2〕輸入?yún)?shù)：驅(qū)動系統(tǒng)合成輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速、電機實際轉(zhuǎn)速、發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速、電機目標轉(zhuǎn)速、發(fā)動機開關信號、發(fā)動機點火狀態(tài)、各離合器初始狀態(tài)、等效節(jié)氣門開度和起步油門開度等。3〕輸出參數(shù)：變速器速比、變速器速比變化率、各離合器狀態(tài)、變速器輸出轉(zhuǎn)矩和起步階段發(fā)動機電機轉(zhuǎn)速等.-.z-.z回流式無級自動變速器控制是本文研究的主要內(nèi)容。速比控制流程如下：首先判斷發(fā)動機是否工作，假設發(fā)動機工作則控制變速器速比使發(fā)動機運行在優(yōu)化工作線上，否則控制變速器速比使電機運行在〔驅(qū)動或制動〕優(yōu)化工作線上。隨后進展變速器工況模式轉(zhuǎn)速控制，假設變速器工作在工況轉(zhuǎn)換點，則需要對速比和各離合器進展單獨控制，使工況平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。-.z-.z3.7傳動系統(tǒng)模塊1〕模塊功能：傳遞整個傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，模擬整車運行環(huán)境，得到實際車速和加速度等信號。2〕輸入?yún)?shù)：動力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、各離合器狀態(tài)、變速器速比、速比變化率和機械制動力等。3〕輸出參數(shù)：實際車速、加速度、發(fā)動機電機轉(zhuǎn)速、傳遞轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機離合器狀態(tài)和電機控制信號等。根據(jù)汽車理論，汽車行駛過程中的加速度可以由下式計算：式中：Tout——變速器輸出端轉(zhuǎn)矩，Tbrk——車輪處機械制動力矩。汽車起步完成后正常行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne和車速v的關系如下：-.z圖6