新型混合动力汽车动力切换动态过程分析_杜波

2011 （ Vol． 33 ） No． 12
杜波， 等： 新型混合动力汽车动力切换动态过程分析
［5 ］
·1019·
1
新型混合动力系统的结构
完成发动机起动 。发动机起动后， 电 发动机点火， ， ， 机对发动机转矩进行补偿 以保证车辆运行平稳 直 最终 至离合器主从动盘同步后电机逐渐退出工作， 实现发动机单独驱动车辆行驶。整个过程包括纯电 动、 电起机和发动机驱动 3 个阶段。 该动态过程的 动力学模型如图 2 所示。
1. Chongqing University，The State Key Lab of Mechanical Transmission，Chongqing 400030 ； 2. Chongqing Chang'an New Energy Automobile Co． ，Ltd． ，Chongqing 401120
2011 年（ 第 33 卷） 第 12 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2011 （ Vol． 33 ） No． 12
2011208
新型混合动力汽车动力切换动态同 ， 段志辉 ， 杨文辉 ， 彭志远
*
（ 1. 重庆大学， 机械传动国家重点实验室， 重庆 400030 ；
［ Abstract］ For a study on the torque fluctuation in the switching process from motor drive to engine drive for a new type of hybrid powertrain system with planetary gear mechanism，a dynamics model for the hybrid powertrain system is built and the process of power switching is analyzed． A torque coordinated control strategy for the process is proposed and verified by simulation and bench test． The results show that the torque coordinated control strategy can effectively reduce the torque fluctuation in power switching process and the impacts on vehicle． Keywords： hybrid powertrain system； power switching； dynamic process； torque coordinated control strategy 2］ 献［ 中对单轴并联式混合动力汽车动力切换过程
前言
具有纯电动工作模式的混合动力汽车， 在低速 中高速时须切换至发动机 时可以纯电机驱动行驶， 驱动或电机与发动机共同驱动行驶， 从而减少发动 机在低速、 低负荷非经济区的油耗和排放。 然而， 该 动力转换过程包括了发动机起动、 离合器接合、 发动 机和电动机转矩分配等动态过程， 控制不当容易引 起传动系统的转矩波动和冲击， 影响车辆行驶的动 力平顺性和乘坐舒适性。 1］中提出了采用电机进 针对这一问题， 文献［ 行转矩补偿的方式， 减小了丰田汽车公司普锐斯混 合动力汽车动力切换过程对系统的振动和冲击 。 文
中的离合器结合压力进行了闭环控制， 提高了动力 切换的平顺性， 但主要针对离合器接合压力控制， 没 3］ 考虑动力源转矩变化对系统的影响。 文献［ 中将 二次型最优控制算法应用到 HEV 动力切换中， 较好 地平衡了冲击度和滑摩功两项指标， 以保证动力切 换的平顺性， 但最优控制不能反映驾驶员的操作意 图， 加之计算量大， 实际应用困难。 本文中对一种基于行星齿轮机构的新型混合动 力系统
2. 重庆长安新能源汽车有限公司， 重庆 401120 ）
［ 摘要］ 为对基于行星齿轮机构的新型混合动力系统由纯电动驱动切换至发动机驱动过程中的转矩波动进 行研究， 建立了新型混合动力传动系统的动力学模型， 对动力切换过程进行了分析 。提出了该过程的转矩协调控制 策略， 并通过仿真和台架试验进行了验证 。结果表明， 该转矩协调控制策略能有效减小纯电动驱动切换至发动机驱 动过程中的转矩波动和对整车的冲击 。
· · · 3 o 3 i 2 o 2 i
以驾驶员加速踏板行程 α 及其变化率 α 压力估算， 为模糊控制器输入量， 离合器油泵油压增量 ΔP 为 与离合器预设初始油压 P o 相 模糊控制器输出量， 加， 可得到离合器初始接合压力 P b = ΔP + P o ； 第 2 阶段是对离合器接合过程的油压变化率进行控制， 以加速踏板行程 α 和离合器主从动盘转速差的绝对 值 | Δω | 为模糊控制器输入量， 离合器接合压力变化 离合器油压为 P = P b + ΔP 。 离合器 为输出控制量， 接合过程模糊控制器系统结构如图 3 所示。
［4 ］
的关键工作模式切换过程—纯电动驱动切
提 换至发动机驱动的动态过程进行了动力学分析， 出了动力源和离合器的转矩协调控制策略 。 通过仿 真分析和台架试验对所提出的转矩协调控制策略进 行了验证。
* 国家自然科学基金项目（ 51075411 ） 和重庆市重大科技攻关项目（ CSTC2008AA6025 ） 资助。 原稿收到日期为 2010 年 11 月 5 日， 修改稿收到日期为 2011 年 4 月 1 日。
［9 ］
离合器接合过程采用模糊控制器对油压进行调 ， 控制过程分为两个阶段： 第 1 阶段是接合初始
·
T cl = μzA p （ P in － P base ） R m
（ 2）
式中： μ 为摩擦片的摩擦因数； z 为离合器的摩擦面 数； A p 为活塞作用面积； P in 为油缸控制压力； P base 为 回位弹簧压力； R m = 2 （ R － R ） / （ 3 R － 3 R ） 为摩擦 Ri 、 R o 为离合器片的内、 片的等效摩擦半径， 外半径。 此阶段的行星机构具有 2 个自由度， 忽略机构 采用隔离法， 对太阳轮、 齿圈和行星架 间的摩擦力， 单独进行受力分析， 可得混合动力传动系统动力学 方程为 J e θ e = T cl － T e － T c p / （ 1 + p） － c e θ e · · · J m θ m = T m － T cl － T c / （ 1 + p） － c m θ m · · · · J c θ c = Tc － k c （ θc － θv ） － cc （ θ c － θ v ） · · · · · J v θ v = k c （ θ c － θ v ） + c c （ θ c － θ v ） － c v θ v － T res （ 3 ） 发动机驱动阶段
· · ·
图1
混合动力系统结构简图
该系统中行星齿轮机构的齿圈与发动机相连， 行星架与变速器输入轴相连， 太阳轮与电机相连， 通 过控制动力系统中动力源的工作状态和湿式离合器 的接合与分离， 可实现多种工作模式（ 如表 1 所示） ， 以满足混合动力汽车各种工况要求 。 表1
工作模式 纯电动 电起机 发动机驱动 行车充电 混合驱动 混合驱动 再生制动
本文中研究的混合动力系统结构如图 1 所示。 该系统主要由发动机、 单向离合器、 湿式离合器、 行 ISG 电机、 换挡离合器和 AMT 变速器 星齿轮机构、 组成。
图2
纯电动切换至发动机驱动过程动力学模型
T e 在发动机未点火之前为起动阻力矩 ， 图 2 中， 点火后为发动机输出转矩； T m 为电机电磁转矩； T res 为整车阻力折算到变速器输入轴的当量阻力矩； J e 为发动机等效转动惯量 （ 包括曲轴、 飞轮、 湿式离合 器从动盘和齿圈） ； J m 为电机转子等效转动惯量 （ 包 括转子和湿式离合器主动盘及太阳轮 ） ； J c 为行星 架的等效转动惯量 （ 包括行星架和换挡离合器主动 盘） ； J v 为折算到变速器输入轴的等效转动惯量 （ 包 变速器齿轮、 半轴、 轮胎和整 括换挡离合器从动盘、 ） ； 、 、 、 J 、 J Jc 、 Jv 的 车的转动惯量 θ e θ m θ c θ v 分别为 e m 、 cm 、 c v 分别为 J e 、 Jm 、 J v 的旋转黏性阻尼； 角位移； c e 、 k c 为换挡离合器的当量扭转刚度； c c 为减振器结构 阻尼系数。 2. 2 纯电动切换至发动机驱动过程分析 （ 1 ） 纯电动阶段 在此阶段， 汽车纯电动低速行驶， 发动机和与其 固结的行星齿轮内齿圈由于单向离合器的作用锁 止， 电机的动力通过与其固结的太阳轮 ， 经行星架输 出。其动力学方程为 J m θ m = T m － T c / （ 1 + p） － cm θ m · · · · J c θ c = Tc － k c （ θc － θv ） － cc （ θ c － θ v ） （ 1） · · · · · J = k （ － ） + c （ － ） － c － T θ θ θ θ θ θ c c v c c v v v res v v · · θ m = （ 1 + p） θ c 式中： T c 为行星架输出转矩； p 为齿圈与太阳轮的齿 数比。 （ 2 ） 电起机阶段 在此阶段， 湿式离合器逐渐接合， 电机转矩增 加， 电机转矩的一部分维持车辆继续行驶 ， 另一部分 通过湿式离合器带动发动机转动。 发动机起动后，
新型混合动力系统典型工作模式
元件工作状态 单向离合器 √ × × × × × × 湿式离合器 × √ √ √ √ × √ 说明 起步或低速行驶 行进中起动发动机 较大需求转矩， 电量充足 电池电量不足 大需求转矩， 电机助力 高速行驶， 电机调速 ISG 和发动机联合制动
注： √—接合； × —分离。
关键词： 混合动力系统； 动力切换； 动态过程； 转矩协调控制策略
An Analysis on the Power Switching Dynamic Process in a New Type of HEV
Du Bo1 ，Qin Datong1 ，Duan Zhihui2 ，Yang Wenhui1 ＆ Peng Zhiyuan1
2
2. 1
纯电动切换至发动机驱动过程分析
纯电动切换至发动机驱动过程动力学模型 当车辆以纯电动起步， 低速运行一段时间后， 由
须切换至发动机驱动。 在此 于加速或爬坡的要求， 过程中电机转矩增加， 湿式离合器逐渐接合， 其传递 的摩擦力矩克服发动机的起动阻力矩， 须在 0. 4s 内 将发动机拖动至达到其点火转速 800r / min 以上， 使
（ 3）
图3 离合器接合过程模糊控制器系统结构
此阶段发动机输出转矩达到平稳， 电机逐渐退 出工作， 直至发动机单独工作。 湿式离合器已完全 接合， 主从动盘转速一致， 行星齿轮的太阳轮和内齿 变为直接传动。其动力学方程为 圈转速相同， （ J e + J m + J c ） θ e = Te + Tm － （ ce + cm ） θ e － · · k c （ θc － θv ） － cc （ θ c － θ v ） · · · · · J v θ v = k c （ θ c － θ v ） + c c （ θ c － θ v ） － c v θ v － T res · · · θe = θm = θc
·1020·
汽
车
工
程
2011 年（ 第 33 卷） 第 12 期
根据发动机和电动机的转矩关系向电动机发送转矩 控制指令， 电动机进行转矩补偿， 直至湿式离合器主 从动盘转速同步。 湿式离合器在此阶段处于滑摩状态， 随着油缸 工作压力的增加， 其传递的转矩逐渐增大， 其计算公 式为
［6 ］
当湿式离合器结构参数确定后， 其传递的摩擦 ， 转矩主要取决于离合器的工作压力 只要合理控制 就可对摩擦转矩进行控制。 液压缸的油压， 节