一種單電機並聯式混合動力車輛模式切換的控制方法與流程
2023-06-02 16:51:46

本發明屬於混合動力電動車輛控制領域,具體涉及一種單電機並聯式混合動力車輛從純電動驅動模式向混合驅動/發動機驅動/發動機驅動且充電模式切換過程的控制方法。
背景技術:
單電機並聯式混合動力車輛在以純電動模式低速行駛過程中,如果駕駛員急踩加速踏板或者動力電池電量不足時,車輛會從純電動驅動模式切換至混合驅動/發動機驅動/發動機驅動且充電模式。對於單電機並聯式混合動力車輛來說,需要通過接合離合器來啟動發動機,以及發動機與電機快速同步來實現模式切換。整個模式過程包括了發動機啟動、離合器接合以及發動機和電機轉矩急劇變化等一系列瞬態過程,容易導致系統輸出轉矩突變,產生過大的縱向衝擊,嚴重影響車輛的縱向駕駛性能。
申請號為CN201010540884.1的中國專利「單電機雙離合器混合動力車輛發動機啟動協調控制方法」中,描述了一種單電機並聯式混合動力車輛從純電動驅動切換至混合驅動過程的協調控制方法。該方法通過離合器來啟動發動機,電機在提供驅動轉矩的同時補償離合器摩擦轉矩。當發動點火啟動,且發動機與電機達到等速運轉時,驅動電機取消補償離合器摩擦轉矩並進入轉速閉環控制模式;當發動機轉矩趨近於某確定值後,驅動電機退出轉速閉環控制模式,協調控制完成。
該專利描述的控制方法中,在發動機點火啟動後與電機轉速逐漸同步階段,離合器一直處於滑摩狀態,滑磨功會增加,尤其在城市工況下,混合動力車輛頻繁地進行此類模式切換會進一步加劇離合器磨損,影響離合器使用壽命。其次,由於離合器摩擦轉矩和發動機動態轉矩具有較強的非線性特性,而該專利中描述的控制方法僅考慮發動機和離合器動態轉矩中的穩態分量,忽略了其動態轉矩中的波動分量,將會使得發動機和離合器動態轉矩估計不準確,驅動電機不能對發動機和離合器動態轉矩進行精確補償,會影響到模式切換協調控制的實際效果。此外,該專利中描述的控制方法中沒有考慮車輛參數變化(如整車質量、檔位)和外部行駛阻力變化對協調控制性能的影響,該協調控制方法的魯棒性較差。
技術實現要素:
本發明所要解決的技術問題是提供一種單電機並聯式混合動力車輛模式切換的控制方法,不僅能夠保證車輛行駛動力性的需求,而且能有效抑制模式切換過程中發動機和離合器轉矩波動對車輛行駛產生的縱向衝擊;同時,還可有效減緩離合器元件的磨損,對整車和部件參數的變化和外部擾動具有較強的魯棒性。
為解決上述技術問題,本發明採用的技術方案是:
一種單電機並聯式混合動力車輛模式切換的控制方法,包括以下步驟:
在車輛以純電動模式行駛過程中,當駕駛員急踩加速踏板或者電池電量不足時,整車控制器發出模式切換指令;
根據從純電動驅動模式向混合驅動/發動機驅動/發動機驅動且充電模式切換過程中發動機和離合器元件的不同運行狀態,將整個模式切換過程劃分為發動機啟動、發動機-電機轉速同步、離合器接合和發動機-電機轉矩調節四個階段;
在發動機啟動階段,離合器開始接合,利用產生的摩擦轉矩來啟動發動機,電機通過主動控制來保證車輛的動力性,同時抑制模由於離合器摩擦轉矩波動、車輛參數攝動以及行駛阻力變化對車輛行駛造成的縱向衝擊;
在發動機-電機轉速同步階段,發動機點火啟動,溼式離合器迅速分離,發動機進行轉速控制,電機通過主動控制來保證車輛的動力性,同時抑制車輛參數攝動以及行駛阻力變化對車輛行駛造成的縱向衝擊;
在離合器接合階段,當發動機轉速與電機轉速之差小於100rpm時,溼式離合器再次接合,發動機採用轉速控制,電機通過主動控制來保證車輛的動力性,同時抑制由於離合器摩擦轉矩波動、車輛參數攝動以及行駛阻力變化對車輛行駛造成的縱向衝擊;
在發動機-電機轉矩調節階段,當離合器鎖止後,發動機採用轉矩控制,電機採用主動控制來保證車輛的動力性,同時抑制由於發動機動態轉矩波動、車輛參數攝動以及行駛阻力變化對車輛行駛造成的縱向衝擊;
當發動機轉矩達到預先指定的目標轉矩時,模式切換過程結束。
進一步的,電機主動控制採用基於前饋-線性二次型反饋控制與魯棒補償控制相結合的複合控制方法。
進一步的,首先,將模式切換過程的系統動力學模型轉化成標稱模型和不確定項之和的形式,其中,不確定項包括車輛參數攝動、發動機/離合器轉矩波動以及車輛外部行駛阻力變化;
其次,忽略不確定項的影響,針對標稱模型設計前饋控制器和線性二次型反饋控制器;
然後,將不確定性項視為等價幹擾,設計魯棒補償器抑制等價幹擾。
進一步的,在發動機啟動階段,電機控制輸入轉矩表示為:
前饋輸入:式中,R為一常數,Ni為常係數,i=1~4,為車輪角速度及其各階導數,為估計的車輛行駛阻力矩,為估計的離合器摩擦轉矩;
LQR反饋控制輸入:式中,K為狀態反饋增益,Xe(t)為狀態變量;
魯棒補償輸入:式中,f1和f2為常係數,Ae,Be為誤差矩陣,I為單位矩陣,ye(s)表示狀態變量的線性組合,s為復變量;
此階段,電機控制輸入轉矩為前饋控制輸入轉矩LQR反饋控制輸入轉矩TmLQR和魯棒補償輸入轉矩之和。
進一步的,在發動機-電機轉速同步階段,此階段由於離合器已分離,電機不再對離合器轉矩進行補償,即在公式此階段,電機控制輸入轉矩為前饋控制輸入轉矩LQR反饋控制輸入轉矩TmLQR和魯棒補償輸入轉矩之和。
進一步的,在離合器接合階段,發動機和電機角加速度相等時,即得離合器目標轉矩為:式中,Te,Tm為發動機和電機轉矩,分別為整車等效轉動慣量、電機轉子等效轉動慣量和發動機等效轉動慣量,ig為變速器速比;此階段,電機控制輸入轉矩為前饋控制輸入轉矩LQR反饋控制輸入轉矩TmLQR和魯棒補償輸入轉矩之和。
進一步的,在發動機-電機轉矩調節階段,電機控制輸入轉矩表示為:
前饋輸入:式中,R′,N′為常係數,Tmr為能量管理策略分配的電機目標轉矩,為估計的車輛行駛阻力矩,為估計的發動機轉矩;
LQR反饋控制輸入:式中,K′為狀態反饋增益,Xe(t)為狀態變量;
魯棒補償輸入:式中,f1,f2為常係數,Ae,Be為誤差矩陣,I為單位矩陣,ye(s)表示狀態變量的線性組合,s為復變量;
此階段,電機控制輸入轉矩為前饋控制輸入轉矩LQR反饋控制輸入轉矩TmLQR和魯棒補償輸入轉矩之和。
與現有技術相比,本發明的有益效果是:1、能夠保證車輛在模式切換過程中的動力性需求,同時能有效抑制模式切換過程中發動機和離合器轉矩波動對車輛行駛產生的縱向衝擊。2、能夠有效減緩離合器元件的磨損。3、對車輛參數變化和外部擾動具有較強的魯棒性。
附圖說明
圖1為單電機並聯式混合動力車輛的混合動力系統結構。
圖2為單電機並聯式混合動力車輛模式切換過程的控制流程。
圖3為電機主動控制原理。
圖4為發動機轉速控制原理。
圖5為單電機並聯式混合動力車輛模式切換仿真結果。
圖6為當車輛參數發生變化時,單電機並聯式混合動力車輛模式切換仿真結果。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1所示,在單電機並聯式混合動力車輛結構中包括發動機1、扭轉減振器2、離合器3、電機4、自動變速器5和驅動輪6等。其中,發動機1與電機4同軸並聯布置,自動變速器5中取消了液力變矩器,電機4安裝於自動變速器5輸入端,在發動機1和電機4之前布置有一個溼式多片離合器3。溼式多片離合器3採用電控液壓式,其接合過程依靠油壓進行控制。
當車輛起步或低速行駛時,溼式離合器3處於分離狀態,車輛由電機4單獨驅動,以純電動模式行駛。當駕駛員急踩加速踏板或者電池電量不足時,溼式離合器3開始接合,帶動發動機1運轉。當發動機1點火啟動,並且發動機轉速與電機轉速達到相等時,溼式離合器3鎖止,發動機和電機同軸並聯驅動,車輛進入混合驅動/發動機驅動/發動機驅動且充電模式。
圖2為本發明針對單電機並聯式混合動系統從純電動模式向混合驅動/發動機驅動/發動機驅動且充電模式切換過程的控制流程。根據單電機並聯式混合動力車輛從純電動至混合驅動/發動機驅動/發動機驅動且充電模式切換過程中發動機和離合器元件的不同運行狀態,整個模式切換過程劃分為發動機啟動、發動機-電機轉速同步、離合器接合和發動機-電機轉矩調節四個階段。
在車輛以純電動模式行駛過程中,當駕駛員急踩加速踏板或者電池電量不足時,整車控制器發出模式切換指令。首先,離合器開始接合,利用產生的摩擦轉矩來啟動發動機,電機通過主動控制來保證車輛的動力性,同時抑制模式切換過程中離合器摩擦轉矩對車輛行駛產生的縱向衝擊。當發動機轉速ne上升至800rpm時,發動機點火啟動,溼式離合器迅速分離,發動機進行轉速控制,電機採用主動控制來保證車輛的動力性。當發動機轉速與電機轉速之差小於100rpm時(即|nm-ne分離—>再接合過程,在發動機-電機同步階段離合器處於分離狀態,滑磨功為3.08kJ,產生的滑磨功較小。
圖6為當車輛參數(質量、剛度、阻尼等)發生變化時,採用本發明方法,從純電動驅動模式向混合驅動模式切換過程的仿真結果。從圖6中可看出,在整個模式切換過程中,車速最大跟蹤誤差為0.278km/h,衝擊最大值為0.69m/s3,離合器滑磨功為3.09kJ。與圖5中的結果相比,離合器滑磨功幾乎不變,車速最大跟蹤誤差和最大衝擊度兩個性能指標數值雖然有所增大,但仍在可接受的範圍內。這說明本發明方法對車輛參數攝動具有較好的魯棒性。