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并联式混合动力汽车模式切换过程的研究姓名：李彤姓名：李彤导师：樊军导师：樊军 副教授副教授2022-10-2新疆大学硕士学位论文答辩内容提要内容提要l研究目的及意义l论文的主要研究内容l并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略l并联式混合动力传动系统动力学分析与建模l并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究l总结新疆大学硕士学位论文答辩研究目的及意义研究目的及意义l与传统汽车不同，在并联混合动力汽车上具备两种驱动系统，这样在车辆驱动状态下都会存在两种系统的不同组合，也就形成了混合动力汽车的多种工作模式，而在模式切换过程中就会产生切换品质问题l本文主要内容为解决模式切换品质问题，使拥有复杂动力系统的混合动力汽车不仅能够节油，同时保证车内各总成能够协调有序的工作，提高整车的动力平顺性以及乘坐舒适性。l本论文对并联式混合动力传动系统的模式切换进行理论及仿真分析，为发展混合动力汽车及开发满足混合动力汽车性能的动力传动系统，提供一定的理论依据和技术参考，对于并联式并联混合动力的控制优化具有积极意义。新疆大学硕士学位论文答辩主要研究内容主要研究内容l本文主要做了如下研究工作：(1)分析并联式混合动力传动系统的结构特点，结合其特点分析其整车控制策略及其可能的运行模式，并重点分析模式切换过程的动态控制方法；(2)分析发动机、电机和离合器的动态特性，建立发动机模型、电机模型和离合器模型，根据整车传动关系建立整车系统动力学模型；(3)根据并联式混合动力传动系统的结构特点，以混合动力模式切换过程评价指标分析为基础，利用仿真模型，研究离合器的控制方法和接合规律，通过仿真研究和比较，分析所选混合动力汽车的典型模式切换过程的品质。新疆大学硕士学位论文答辩研究对象研究对象并联式混合动力传动系统结构并联式混合动力传动系统结构特点分析特点分析新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能能 能量分配策略能量分配策略 新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量管理策略能量管理策略总需求转矩驾驶员需求转矩电池充电需求转矩在驱动工况下，将发动机及电机的外特性相互叠加得到发动机和电机所能提供的最大驱动转矩，作为加速踏板行程100%所对应的驱动转矩需求，将发动机脱开、电机零扭矩输出的状态作为加速踏板行程0%所对于的驱动转矩需求。电池对充电转矩的需求可以依据电池的荷电状态确定，根据电池的SOC值，可以将电池状态划分为可用和不可用两个大区域。在不可用区域，蓄电池如果继续放电将导致电池的损坏，此时必须停止电池对外放电，并及时使电机工作于发电机状态对蓄电池进行充电。新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略l动态控制策略在该混合动力系统中，能量分配策略按照驾驶员的操作要求和整车状态，预先确定发动机和电机及离合器的目标状态和目标转矩。在系统工作模式不断变化的过程中，可能引起发动机和电机目标转矩的突变，又由于发动机动态性能和电机动态性能的差别（主要为发动机和电机转矩变化的时间常数相差较大），有可能造成总扭矩的不足或超调，可能引起整车动力传动系统的动力输出不平稳，影响整车舒适性，因此需要进行模式切换的动态协调控制。在模式切换过程中，发动机的转矩变化响应较慢，而电机动态响应的时间常数较短，转矩变化较快。所以通过合理的控制发动机、电机的转矩变化率来改善模式切换过程中转矩的波动情况。为了充分利用电机对转矩控制指令响应迅速的优点，同时为了方便对发动机转矩变化率的试验掌控，对发动机功率管理系统提出要求，使发动机在状态切换时按照固定转矩变化率进行控制。这种控制方式还有效的避免了汽油机在节气门突然增加或者突然减小时燃油经济性及排放的恶化。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及能并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略量分配策略低低速速区区，发发动动机机关关闭闭低负荷区低负荷区，发动机关闭发动机关闭发动机正常工作区发动机正常工作区ONOFFONOFF发动机转速发动机转速eeT发发动动机机转转矩矩maxeTmineTmineo最佳油耗点最佳油耗点最佳油耗曲线最佳油耗曲线l1、发动机工作区间限制切断怠速在电池SOC允许的条件下，发动机低速下和极低负荷下不起动，由电机提供动力。当电池电量太低，电机无法提供动力时，为了满足汽车动力性要求，起动发动机。提高发动机平均负荷率由于发动机和电机同轴，可以把发动机转矩特性和电机转矩特性叠加形成新的转矩特性。按照形成的新转矩特性，以及油门开度决策整车转矩需求。在整车转矩需求不超过发动机最大转矩时只采用发动机实现转矩需求，只有当整车转矩需求大于发动机最大转矩时才起动电机补充动力。结合并联式式混合动力汽车传动系统的结构特点，分析整车控制策结合并联式式混合动力汽车传动系统的结构特点，分析整车控制策略。略。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及转转 能量分配策略能量分配策略l2、再生制动能量回收控制：l 在电池SOC允许的情况下，主要有两种制动能量回收模式：1)滑行再生制动：2)制动踏板踩下时的再生制动：新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式并联式混合动力传动系统运行模式 及能量分配策略及能量分配策略l3 SOC平衡策略平衡策略l我们一般认定电池SOC的额定区间为0.4到08这个范围，理想值为0.6。下图为把电量分为额定区间和理想值所对应的区域电池的效率。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略4电机助力策略电机助力策略l当整车所需要的总的驱动力矩大于当前油门下发动机所能提供的最大的最大转矩时候，这时候剩下的那部分驱动力矩由电机来完成。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略5 SOC削减策略 左图是NEDC工况仿真时电池SOC随时间的变化结果，SOC初始值为0.7。由此图发现，在一次循环之后，电池的SOC增加了0.0643，如果连续进行多次循环工况的仿真SOC将持续增加。右图是连续五次NEDC循环工况的仿真。新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统运行模式及转矩管并联式混合动力传动系统运行模式及转矩管理策略理策略l这种现象是由于在NEDC循环工况中没有纯电动工作方式，而且在一次循环中，制动能量回收的电量大于电机助力的电量，而前面设计的SOC补充策略解决不了这个问题。SOC持续增加，将导致连续运行NEDC循环工况时，在后面的循环中将无法进行制动能量回收。因此应设计适当的SOC削减策略，以通过适当的电机助力削减电池SOC。SOC削减策略必须满足的要求l1.在进行循环工况仿真时，要求soc变化数值在一定范围内。l2.Soc初值与soc均衡值（期望soc变化范围的中心值）不一致的时候，要求对soc的收敛过程快速完成。l3.在进行soc削减策略时，还要考虑到节能状况。新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统运行模式及能量分并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略配策略lSOC削减策略的核心内容削减策略的核心内容l当soc小于等于均衡值的时候，我们提出了用滑动助力门槛曲线的soc削减策略。用公式表示为：l l其中：l为期望发动机和电机输出的总力矩。l 代表助力门槛曲线。ln为当前的电机的转速。l代表助力门槛曲线。l当soc大于0.6小于等于0.7时，为助力门槛曲线1。*/*/()(),()()*0,()()()iitotalt ttotalt titotalt tTnTn TnTnmcTnTnTn*()()()totalcnmcTnTnTn新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略l当soc大于0.7小于等于0.8时,为助力门槛曲线2。l当soc大于0.8时，为助力门槛曲线3。l从以上内容可以看出，soc削减策略的核心内容是不同soc的初始值所对应的助力门槛曲线的确定。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及能并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略量分配策略l我们设定助力门槛曲线的外形和发动机的万有特征曲线是一样的。l l可由下图中垂直距离 Bi 得到。l下面我们来求解下垂直距离 Bi：l1 兼顾到节能和满足soc削减速度两方面的情况，在进行3次循环后，使soc值在0.6到0.7之间。l2.垂直距离尽可能的小一些。l在满足以上两个条件的前提下，利用优化求解到垂直距离 Bi。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略l助力门槛曲线的优化方法助力门槛曲线的优化方法l我们设定助力门槛曲线的外形和发动机的万有特征曲线是一样的 新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略l优化方法优化方法l本文选用的是遗传算法优化，这种方法比较方便，它在适应度函数值评估个体的操作上就可以进行优化，遗传算法优化结果对全局的最优解收敛比较容易，它对不可以用函数显示表达的场合进行优化比较合适，这两个原因是本文选择这种优化方法的原因。l优化算法的运用：l1构造适应度函数l一般情况在兼顾到节能的要求下，适应度函数表示为新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及能并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略量分配策略l但这种方法对轮盘赌选择中的概率问题不相适应，所以要对它的尺度进行变化，一般转化为l如果是求目标函数最大值的问题，a为负。反之，则a为正。本文优化目标函数是在仿真结束的时候使垂直移动距离Bi在soc在0.6在0.65这个范围内的最小值，所以设定a取0.1。l目标函数可以用下式表示：l式中：l优化结果 l l l l l l 00.60.65()100SOCG SOC终止其他80.60.7130.70.8170.8SOCBSOCSOC新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统运行模式及并联式混合动力传动系统运行模式及能量分配策略能量分配策略在在soc的初始值在的初始值在0.8，并且经过，并且经过10次次NEDC循环循环soc变变化的情况如化的情况如下图下图。从 左图可以看出当初始值 SOC 为 0.8 时，连续 10 次 NEDC 循环中 SOC 的变化情况可见，当 SOC 大于规定的 SOC 均恒值时，滑动助力门槛曲线的方法很好的保证了 SOC 的稳定变化。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统动力学分析与并联式混合动力传动系统动力学分析与建模建模l发动机模型l模拟发动机的模型有两种方式,第一种是实际用到的发动机进行实体测量，对发动机输出扭矩、转速、燃油消耗率数值进行反复模拟，最后得出一组数据库。利用这个数据库把发动机的工作特性模拟出来，第二种是发动机理论模型，是利用已知数据然后再用自己学过的燃料燃烧的模拟及热力学知识，把发动机的各个输出参数求解出来。第一种实际测量的比较精确一些，建立模型也相对容易，但是必须先对发动机进行选型。第二种建模比较难，不确定因素也很多，本文选用的是第一种方法利用发动机的万有特性直接进行建模，本文选用的是型号为3G10排量为1.0L的汽油发动机。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统动力学分析与并联式混合动力传动系统动力学分析与建模建模l通过大量的研究得出，不管是是部分负荷特性曲线还是发动机的外特性曲线，都是用发动机转速与发动机节气门开度的函数,在固定的节气门开度下利用三次多项式拟合就可以达到我们需求的发动机输出扭矩曲线的精度,所以可以用有限的发动机试验数据和三次样条插值方法得到发动机的数值模型。因此本仿真模型使用数表的方法来描述发动机的工作过程。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统动力学分析并联式混合动力传动系统动力学分析与建模与建模l发动机输出扭矩与转速函数的关系可以表示为：l l此公式可以用MATLAB通过数值分析一维线性插值求解出来。l发动机转矩与转速函数的关系可以表示为：l l式中：发动机有效的燃油消耗率（g/kWh）l拟合系数，其中 ls曲面的拟合阶数l此公式可以用MATLAB通过数值分析二维线性求解出来。发动机的能量消耗量可通过燃油消耗率进行计算，而燃油消耗率由驱动系统确定出来的发动机功率（或者由转矩与转速）确定。0kieieiTa100ijjsekeejibaTebka11212kjjji 新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统动力学分析并联式混合动力传动系统动力学分析与建模与建模l 发动机的数值模型新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统动力学分析并联式混合动力传动系统动力学分析与建模与建模l发动机的发动机的Matlab/Simulink模型新疆大学硕士学位论文答辩并联式式混合动力传动系统动力学分析并联式式混合动力传动系统动力学分析与建模与建模1max_max2min(,)mmmreqm_dismTTTTs1min_max2max(,)mmmreqm_chgmTTTTs电动时：发电时：电机动态模型电机动态模型0100020003000400050006000020406080100120n(r/min)T(Nm)Tmax Tn 由于电动机转矩的时间常数远小于发动机的时间常数，而且仿真研究中不需考虑电动机的三相电压或电流的瞬态值，因此可以对电机模型进行简化，利用电动机的MAP，加上一阶惯性来近似。新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统动力学分析与并联式混合动力传动系统动力学分析与建模建模000,0ncecdsncinnincsfallFTsignF RTFTTT离合器动态模型离合器动态模型duecudsabuae输入力矩影响参数输入力矩影响参数 狭义动态摩擦系数狭义动态摩擦系数 新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究模式切换过程评价滑磨功冲击度滑磨功表征摩擦副主、从动部分之间滑动摩擦力作功的大小，实际上反映了摩擦副主、从动部分的磨损情况。滑磨功是耐久性要求的主要评价指标，是离合器磨损情况的量化表示，滑磨功越小对于延长离合器的寿命就越有利。对于模式切换以及变速器换档控制，二者的目标是一致的，均是使动力切换时平稳，快速，无冲击。所以模式切换控制的效果评价可以参考换档过程换档品质评价指标，来对模式切换控制效果做出评价。0sltslcemWTdt22dad vJdtdt01*()*gcmiidJTTrmdt新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究l在混合动力汽车模式切换过程中，对于本文的并联式混合动力汽车，模式切换都是在离合器结合情况下发生的，所以对离合器的结合规律进行研究是很有必要的。离合器的结合过程转矩动态控制策略及典型驱动模式切换品质分析：1.纯电动驱动切换至其他驱动模式2.行车充电向发动机单独驱动切换3.发动机单独驱动向行车充电模式切换4.发动机驱动与联合驱动模式之间切换新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究a 空行程阶段AB段为空行程阶段，该阶段用于消除节能离合器主、从动盘之间的间隙。此时主动盘转速为ISG转速，从动盘转速为0，无扭矩传递，ISG驱动车辆行驶，仍为纯电动工况。由于AB段到BC段的过渡很难清晰识别，所以在AB段离合器的接合速度要尽可能慢，防止进入BC段后出现较大的冲击。b 克服阻力阶段 BC段为克服阻力阶段，在此阶段离合器产生滑摩，并且有扭矩传递，但是所传递的扭矩小于发动机转动的阻力矩，发动机仍处于静止状态，ISG的一部分扭矩用于驱动车辆继续行驶，另一部分扭矩被离合器滑摩消耗。该阶段是产生冲击的主要阶段，离合器的接合速度要尽量慢，以满足冲击度的要求，同时考虑离合器寿命问题。l离合器结合过程新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究l c 扭矩增长阶段当离合器传递的扭矩大于发动机最大静阻力矩45Nm时，发动机开始转动，进入扭矩增长阶段，即CD段。在该阶段，离合器仍然处于滑摩状态，传递的扭矩 不断增加，该阶段也是产生冲击的主要阶段，离合器的接合速度也是尽量慢，以满足冲击度的要求，同时防止离合器过度磨损。lDE段为同步阶段，该阶段，离合器不再滑摩，同时也不会产生冲击，该阶段要尽快完成。根据以上对离合器接合过程的特性分析，在实际控制中，对于离合器的接合速度采用的控制原则为“慢慢慢快”。新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换品质并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究仿真研究44.555.566.57-5-4-3-2-101时间（s）冲击度（g/s）44.555.5601000200030004000500060007000时间（s）滑磨功（J）44.555.566.57-2-1.5-1-0.500.5时间（s）冲击度（g/s）新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究l以上对于离合器的接合过程进行了详细的动力学分析，推倒出了冲击度的公式，给实际的控制提供了理论依据。对离合器接合过程特性进行了分析，并在实际控制中采用了“慢慢慢快”控制原则。通过试验证明了，降低离合器的接合速度可以有效的减小接合时的冲击度和滑磨功。新疆大学硕士学位论文答辩 并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究44.555.566.57-20-1001020304050TeTaTm44.555.566.577.5-20-1001020304050TeTaTm纯电动到发动机单独驱动纯电动到发动机单独驱动新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换品质并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究仿真研究4.555.566.57-40-20020406080TeTaTm4.555.566.57-40-20020406080TeTaTm纯电动向行车充电模式转换纯电动向行车充电模式转换新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究4.555.566.57-20-1001020304050607080TeTaTm4.555.566.577.5-20-1001020304050607080TeTaTm纯电动到联合驱动模式的切换纯电动到联合驱动模式的切换新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换品质并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究仿真研究44.555.566.57-10010203040506070TeTaTm44.555.566.57-10010203040506070TeTaTm行车充电向发动机单独驱动切换行车充电向发动机单独驱动切换新疆大学硕士学位论文答辩并联式混合动力传动系统模式切换并联式混合动力传动系统模式切换品质仿真研究品质仿真研究44.555.566.5701020304050607080TeTaTm44.555.566.57010203040506070TeTaTm44.555.566.57010203040506070TeTaTm44.555.566.57010203040506070TeTaTm发动机驱动与联合驱动模式之间切换发动机驱动与联合驱动模式之间切换新疆大学硕士学位论文答辩总结总结l根据并联式混合动力汽车的运行模式，对典型模式切换过程进行仿真，通过仿真可以看出协调控制有效改善了模式切换过程的平顺性，减小了切换过程产生的冲击。l上述仿真过程均在特定的档位、需求转矩、车速等参数之下进行模式切换的。在实际行车中，模式切换会发生在任意档位、车速、需求转矩之下，但是其本质相同，协调控制的原则不变，故从上述一系列工况仿真中验证了协调控制算法的有效性和可行性。l本文所做研究是根据并联式混合动力传动系统的结构特点，以混合动力模式切换过程评价指标分析为基础，利用仿真模型，研究离合器的控制方法和接合规律，通过仿真研究和比较，分析所选混合动力汽车的典型模式切换过程的品质。研究表明，通过合理的控制手段，能有效的降低模式切换过程的扭矩波动，提高模式切换的品质。2022-10-2
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