一种混联式混合动力汽车模式切换过程发动机和驱动电机控制策略研究

摘要

在能源和环境问题日益严峻的时代背景下，汽车作为人们日常生活中最重要的交通工具之一，必须更节能、更高效和更清洁。混合动力汽车是一种有效、可靠的新能源汽车解决方案，其中混联式混合动力汽车兼具串联式混合动力和并联式混合动力的特点，具有较强的提高整车经济性的能力。为了满足整车能量管理策略的要求，混合动力汽车在运行过程中需要在不同模式间切换。然而，模式切换过程中，特别是纯电动模式向发动机驱动或混合驱动模式切换的过程中，涉及发动机起动、离合器结合等瞬态过程，影响整车驾驶性和排放。因此，以优化模式切换过程驾驶性和排放为目标，进行发动机和驱动电机控制策略的研究，对提高混合动力汽车整车性能具有重要意义。同时，由于模式切换过程的持续时间很短，且切换期间发动机、ISG、离合器和驱动电机等多部件发生瞬时动态变化，因此给研究带来一定的挑战。
　　本文针对一种混联式混合动力汽车，通过研究纯电动模式向混合驱动模式切换过程中的发动机控制策略和驱动电机控制策略，达到改善模式切换过程整车驾驶性和排放的研究目标。具体研究内容主要包括以下几个方面：
　　（1）采用Mototron快速原型控制器开发平台，搭建发动机管理系统基本框架，并通过图形化控制策略开发软件Matlab/Simulink，开发基本的发动机控制功能模块，包括电子节气门控制、基本的进气量控制、喷油控制以及点火控制，为模式切换过程发动机控制策略的研究提供基础和平台。
　　（2）针对模式切换时发动机起动过程驾驶性和排放问题，进行模式切换过程发动机控制策略的研究。首先，通过台架测试对传统发动机起动特性进行研究。传统发动机起动时，发动机必须输出足够的有效转矩，以保证起动成功。因此，传统发动机进气量控制、喷油控制和点火控制都必须考虑有效转矩输出的需求；同时，传统发动机起动时，首循环转速低，油气混合差，燃烧条件恶劣。接着，分析总结混合动力发动机起动控制的特点：一，ISG提供辅助转矩，发动机控制策略可以摆脱有效转矩输出需求的限制；二，ISG可以实现良好调速，发动机转速和进气歧管压力控制精确。最后，进行模式切换过程发动机控制策略的优化：一，转速和负荷的优化，即工作点的优化，包括发动机目标转矩实现过程的离合器状态选择，首循环转速和负荷，以及转速和负荷的变化路径；二，喷油量的优化，包括基于转速和进气歧管压力精确控制的喷油量优化，以及基于点火能量的喷油量优化。
　　（3）针对模式切换时离合器结合过程的驾驶性问题，进行了模式切换过程驱动电机转矩控制策略的研究。首先，建立用于模式切换过程驱动电机转矩控制策略设计与仿真的混合动力汽车整车系统动力学模型。接着，提出了模式切换过程驱动电机转矩的控制策略：一，驱动电机转矩的一部分用于满足整车驾驶需求，另一部分用于补偿离合器输出的转矩对传动系和整车造成的影响；二，补偿控制由基于离合器/发动机转矩估计的前馈控制和用于消除离合器/发动机转矩估计误差和瞬态效应的反馈控制两部分组成。反馈控制器以理想车轮转速为参考量，以实际车轮转速为反馈量，基于忽略车轮负载转矩并考虑参数辨识误差的系统模型，采用鲁棒控制理论进行设计。仿真结果显示，设计的控制策略可以有效地补偿离合器输出转矩，降低车辆冲击度，改善整车驾驶性，并对模型参数辨识误差具有一定的鲁棒性。
　　（4）通过半实物台架实验，进一步验证了模式切换过程驱动电机转矩控制策略的有效性。首先，搭建了半实物台架测试平台，将输入测功机（模拟发动机和ISG组成的总成）、真实的变速箱（包括离合器）和虚拟车辆模型组成一个闭环的混合动力系统，虚拟车辆模型由驱动电机及其控制策略、主减速器、差速器、半轴、车轮、车身和路面组成。具体地，输入测功机经过变速箱输出的转矩为虚拟车辆模型的输入；虚拟车辆模型实时运行并计算得出发动机转矩控制命令和左、右车轮转速，分别作为输入测功机的参考转矩和左、右测功机的参考转速；测功机跟踪各自的参考转矩或转速，实现半实物台架对混合动力系统的模拟。接着，通过半实物台架测试，验证了驱动电机转矩控制策略在车辆从纯电动模式向混合驱动模式切换时补偿转矩冲击，降低车辆冲击度的有效性。同时，通过改变实验时的参考车速和虚拟模型的参数值，验证了驱动电机转矩控制策略的鲁棒性。

目录

声明

缩写说明

第一章 绪论

1.1课题的研究背景

1.2 混合动力汽车模式切换过程排放优化控制研究现状

1.3 混合动力汽车模式切换过程驾驶性优化控制研究现状

1.4 研究现状总结

1.5 课题的主要研究内容

第二章 发动机管理系统基本功能开发

2.1 前言

2.2 快速原型控制器开发平台简介

2.3 控制器系统开发

2.4 本章小结

第三章 模式切换过程发动机控制策略研究

3.1 前言

3.2 发动机实验台架

3.3 传统发动机起动特性研究

3.4 模式切换过程中发动机转速和负荷的优化

3.5 模式切换过程发动机喷油量控制的优化

3.6 驾驶性和排放优化总结

3.7 本章小结

第四章 模式切换过程驱动电机转矩控制策略研究

4.1 前言

4.2 整车模型

4.3 控制对象特性分析

4.4 控制结构

4.5 反馈控制器设计

4.6 仿真验证

4.7 本章小结

第五章 模式切换过程驱动电机转矩控制策略台架实验验证

5.1 前言

5.2 半实物台架测试平台

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 主要研究内容和总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文