基于CVT的四轮驱动混合动力汽车传动控制策略研究

摘要

近年来，随着汽车工业的高速发展，资源短缺与环境污染日益严重，由于纯电动汽车短时间内在其长寿命、大容量电池等关键技术上难以突破，混合动力电动汽车将在相当长时间内发挥其独特优势。为了改善轻型SUV(Sport UtilityVehicle)汽车的燃油经济性和动力性能，本文提出了一种基于无级变速器(CVT)的四轮驱动混联式混合动力汽车系统结构方案，对四驱混合电动汽车整车传动控制策略相关技术进行了深入分析和研究。 首先通过计算分析，确定了包括驱动和能源部件的参数设计和选型、关键零部件的选择及设计，以及所有部件在整车中的安装布置。同时基于Matlab/Simulink平台系统，采取理论建模为辅，试验建模为主的方法建立起CVT混联式四驱混合动力整车传动系统正向仿真模型，该模型既可以用驾驶员的转矩或功率需求作输入，也可将循环工况转化为驾驶员需求，所建模型可用于分析评价不同的设计方案和控制策略的优化，也可为实车控制策略的开发建立仿真分析平台。 在分析了传统混合动力典型运行模式基础上，根据CVT混联式四驱混合动力整车动力总成系统结构特点，对包括驻车发电、电力变矩、纯电动、混合驱动等多种运行模式进行分类并分别进行详细的动力学分析，建立起各个运行模式下转矩、转速在传动过程中的变化规律和实现模式切换的发动机、电机及离合器控制规则。 根据动力总成控制系统结构特点，以发动机、电机稳态效率图和电池充放电效率曲线为依据，并基于发动机效率曲线和等功率及等转矩曲线，求得发动机高效工作区的功率门限Pe_min、Pe_max以及转矩门限Te_min、Te_max。然后根据驾驶员对施加在车轮上的驱动需求(其中低速以驱动转矩为参考量，高速以驱动功率为参考量)、车速、电池SOC等，通过不同的逻辑门限参数区分混合动力系统在不同模式间切换的规律，通过离合器和电机系统协调控制，提出了保证模式切换的平顺性的控制方法。并以混合动力系统综合效率最大化为原则确定了不同运行模式下的最佳工作曲线，以及前后电机、发动机转矩及CVT速比及夹紧力在不同模式下的控制方法。基于Matlab/Simulink平台的仿真研究表明，这种根据整车运行工况并综合了转矩及功率需求为控制变量的多参量逻辑门限能量管理策略，能实现运行模式的合理切换，在不降低车辆动力性能的前提条件下，非常有效的降低混合动力汽车的燃油消耗，并保持电池SOC的基本稳定。 以瞬时优化理论为基础，从等效燃油消耗量的思想出发，建立了四驱混联电动汽车在充/放电模式下的等效模型。在控制发动机工作于最佳燃油经济区的基础上，以有效燃油消耗率为优化目标函数，寻求出整车燃油消耗量最小时的理想操作线，理想操作线决定了发动机和各个电机的最佳控制值。并以此优化计算结果为基础，制定了模糊控制规则，仿真结果表明：基于瞬时优化的模糊控制策略能有效提高混联式混合动力汽车燃油经济性。 针对基于CVT的四驱混联式电动汽车的模式切换问题进行了较深入的研究。通过发动机、电机和离合器的协调控制，提出可使系统快速响应以及在模式切换时平稳的控制要点。 同时开发了基于CAN总线的多能源动力总成控制硬件系统，搭建完成了多能源动力总成半实物试验台架，并对CAN总线网络通讯、电子节气门系统、整车运行模式及模式切换等进行试验，最对改装后的混合动力汽车进行标定与匹配工作，并完成整车的动力性、燃油经济性试验。实验结果表明：改装后的混合动力汽车整车0～100km/h加速时间较原始车型减少3秒，燃油经济性提高约8％。同时整车模式切换较为平稳，没有明显冲击感觉。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1混合动力技术简介及国内外研究动态

1.1.1混合动力汽车技术简介

1.1.2混合动力电动汽车国内外研究动态

1.2国内外基于CVT的混合动力汽车的结构特点及研究现状

1.3混联式混合动力汽车传动控制策略研究现状

1.4本文主要研究内容及课题来源

第2章 四驱混合动力整车系统结构与部件建模

2.1整车系统结构方案及动力参数计算

2.1.1整车驱动结构及布置方式

2.1.2动力参数计算

2.2系统建模概述及整车模型构架

2.3四驱混合动力系统部件建模

2.3.1驾驶工况模型

2.3.2发动机模型

2.3.3镍氢电池模型

2.3.4电机模型

2.3.5 CVT及行星传递机构模型

2.3.6驾驶员模型

2.3.7车辆动力学模型

2.3.8附件模型

2.4本章小结

第3章 四驱混合动力传动系统运行模式分析

3.1混合动力典型运行模式分析

3.1.1串联混合动力总成的模式分析

3.1.2并联混合动力典型模式分析

3.2四驱混合动力传动系统结构及动力耦合特性分析

3.2.1驱动系统结构

3.2.2整车驱动模式及能量流动关系

3.2.3动力耦合系统转速合成关系

3.2.4动力耦合系统转矩合成关系

3.3各挡位运行模式分析

3.3.1 P挡(驻车挡)、N挡(空挡)运行模式

3.3.2 R挡(倒挡)运行模式分析

3.3.3 D挡运行模式分析

3.4过渡模式运行分析

3.4.1纯电动模式切换到发动机模式

3.4.2纯电动模式向电力变矩切换模式

3.4.3电力变矩模式向发动机模式切换

3.5各模式间转换关系

3.6本章小结

第4章 基于逻辑门限的整车控制策略研究

4.1引言

4.2基于CVT的混合动力汽车传动控制原理

4.2.1基于CVT的混合动力汽车发动机运行工况分析

4.2.2基于CVT混合动力汽车节能潜能

4.3混联式整车综合传动控制策略实现方法

4.3.1门限参数选择

4.3.2运行模式判别及转矩分配

4.3.3各模式下CVT控制策略

4.4仿真分析

4.5本章小结

第5章 燃油经济性瞬时优化控制策略研究

5.1引言

5.2混合动力汽车优化控制目标

5.3最佳燃油经济优化模型建立

5.3.1充电状态下的等效模型

5.3.2放电状态下的等效模型

5.4优化目标函数和边界条件

5.5优化结果与讨论

5.6基于瞬时优化的模糊逻辑控制策略研究

5.6.1基于模糊逻辑的控制系统结构

5.6.2隶属函数

5.6.3推理规则及校正模块

5.6.4仿真结果

5.7本章小结

第6章 四驱混合动力的模式切换协调控制研究

6.1混联式混合动力汽车动态协调问题的研究范围

6.2混合动力汽车动态协调问题的研究现状

6.3评价指标

6.4四驱混合动力运行模式平顺性切换策略分析

6.4.1无离合器分离模式切换过程分析

6.4.2有离合器分离模式切换过程分析

6.5本章小结

第7章 试验研究与验证

7.1整车硬件系统平台构成

7.1.1整车硬件系统结构

7.1.2整车控制系统硬件系统构成

7.2四驱混合动力系统半实物台架试验

7.2.1 CAN总线网路系统调试

7.2.2电子节气门调试

7.2.3 CVT速比及夹紧力控制

7.2.4工况模拟试验

7.3控制策略的实车试验结果

7.4本章小结

结论

参考文献

附录

致 谢