王建德 周云山 陽(yáng)輝勇 賈杰鋒 李 泉

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

基于無(wú)級(jí)變速器的混合動(dòng)力汽車動(dòng)態(tài)模式切換研究

王建德 周云山 陽(yáng)輝勇 賈杰鋒 李 泉

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

對(duì)基于無(wú)級(jí)變速器的混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作模式進(jìn)行分析，建立了動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的混合動(dòng)力模式切換問(wèn)題，提出了一種模糊推理與最優(yōu)控制理論相接合的綜合控制策略。首先基于駕駛意圖采用模糊控制得到離合器接合時(shí)長(zhǎng)，然后基于動(dòng)力學(xué)模型采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃得到離合器的最優(yōu)傳遞轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)離合器最優(yōu)傳遞轉(zhuǎn)矩利用電機(jī)的快速響應(yīng)性來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述模式切換控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該策略能夠優(yōu)化離合器滑摩時(shí)間，體現(xiàn)駕駛意圖，實(shí)現(xiàn)模式切換的平順性。

模式切換；駕駛意圖；模糊控制；動(dòng)態(tài)規(guī)劃

0 引言

混合動(dòng)力汽車具有多種工作模式，在模式切換過(guò)程中，由于各動(dòng)力源的響應(yīng)特性差異以及變速器、離合器的狀態(tài)改變，可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩或電機(jī)轉(zhuǎn)矩突變，對(duì)車輛動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生不可忽視的沖擊。因此在模式切換時(shí)，需協(xié)調(diào)各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的平順性[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)混合動(dòng)力汽車模式切換進(jìn)行了大量研究。童毅等[4]提出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法；閆曉磊等[5]采用了二次型最優(yōu)控制算法；嚴(yán)運(yùn)兵等[6]建立了轉(zhuǎn)矩預(yù)分配+發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制控制方法；葉明等[7]對(duì)機(jī)電式無(wú)級(jí)變速器(continuously variable transmission，CVT)提出了基于速比控制的模式切換策略；劉振軍等[8]針對(duì)單電機(jī)CVT式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行協(xié)調(diào)速比控制，制定轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，采用電機(jī)補(bǔ)償；尹安東等[9]采用了動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略；WU等[10]應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃，提出最優(yōu)控制方案；SIMITH等[11]采用一種簡(jiǎn)單魯棒性好的控制算法，在模式切換過(guò)程能夠減少離合器需求轉(zhuǎn)矩與預(yù)估轉(zhuǎn)矩的差值，更好地得到電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。在諸多模式切換過(guò)程中，伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的模式切換，由于既有發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，又有離合器的控制，是混合動(dòng)力汽車模式切換研究的難點(diǎn)[12]，因此本文重點(diǎn)研究純電動(dòng)模式到伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模式切換。

由于CVT速比在一定范圍內(nèi)連續(xù)可變，可最大程度地優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作區(qū)域，CVT已經(jīng)在很多混合動(dòng)力汽車上得到成功應(yīng)用。本文以一種基于CVT的混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的模式切換過(guò)程，利用CVT速比連續(xù)變化的優(yōu)勢(shì)，采用了一種模糊推理與最優(yōu)控制理論相接合的綜合控制策略，實(shí)現(xiàn)了不同駕駛意圖下的模式切換過(guò)程。

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為基于CVT的混合動(dòng)力系統(tǒng)，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、集成啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)(integrated starter generator，ISG)、CVT及皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)(belt-driven starter generator，BSG)等部件組成。該系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)CVT中的液力變矩器，在液力變矩器原來(lái)的位置集成ISG和濕式離合器，離合器布置于ISG轉(zhuǎn)子內(nèi)部，離合器的控制集成到CVT中。ISG與CVT集成，并且省掉了CVT內(nèi)部的前進(jìn)/倒擋離合器，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)在軸向空間布置上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)前端采用了BSG，取代了原有的發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)電機(jī)，用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和給蓄電池充電，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)停車發(fā)電功能。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of hybrid electric system

1.2 系統(tǒng)工作模式

通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、ISG和BSG的工作狀態(tài)，該混合動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)充電、能量回收、停車發(fā)電、串聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)等多種工作模式，如表1所示。

表1 混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

□:不工作/分離；■：工作/接合；◆：驅(qū)動(dòng)；▲：發(fā)電

2 模式切換過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型

在建立車輛動(dòng)力系統(tǒng)模式切換過(guò)程模型時(shí)，忽略傳動(dòng)部件之間的傳動(dòng)效率，并將系統(tǒng)各部件視為剛體，將離合器兩側(cè)的所有質(zhì)量等效到離合器，建立圖2所示的動(dòng)力學(xué)模型。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)模式切換過(guò)程等效簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of hybrid electric system mode transition

圖2中，JICE、Jout分別為發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)和電機(jī)側(cè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ωp、ωs為離合器主從動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速，r/min；TICE、Tf、Tc、Tem、Tload分別為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩、離合器傳遞轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和變速器輸入端等效阻力矩，N·m。

車輛行駛阻力Fr由空氣阻力、坡道阻力和滾動(dòng)阻力組成，即

(1)

式中，m為整備質(zhì)量，kg；A為迎風(fēng)面積，m2；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；f為滾阻系數(shù)；α為坡度，rad；v為車速，km/h;g為重力加速度。

變速器輸入端的等效阻力矩為

(2)

式中，η為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率；r為輪胎半徑，m；ig為CVT速比；i0為主減速比。

離合器從動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速ωs和電機(jī)側(cè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jout分別為

(3)

(4)

式中，Jw、Jg、Jem、Jc分別為車輪、CVT、電機(jī)和離合器從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

離合器滑摩過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

(6)

離合器鎖止后，由于ωp=ωs，此時(shí)動(dòng)力學(xué)方程為

(7)

3 模式切換控制策略

研究表明，加速踏板開(kāi)度和加速踏板開(kāi)度變化率可反映駕駛意圖，當(dāng)加速踏板開(kāi)度大且變化率大時(shí)，表明駕駛員希望車輛快速進(jìn)入動(dòng)力更強(qiáng)的工作模式，應(yīng)優(yōu)先考慮動(dòng)力性；反之，優(yōu)先考慮平順性與舒適性，因此在模式切換控制策略制定時(shí)需要考慮駕駛意圖。

在伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的模式切換中，既有純電動(dòng)模式到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，也有純電動(dòng)模式到混合驅(qū)動(dòng)模式，取決于駕駛員意圖，在此以純電動(dòng)模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式為例，分析其模式切換過(guò)程，如圖3所示。首先通過(guò)BSG快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，neo為判斷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成的最低轉(zhuǎn)速，然后控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne同步電機(jī)轉(zhuǎn)速nm，待轉(zhuǎn)速差小于閾值Δnh后，進(jìn)行離合器滑摩控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速差小于閾值Δnl后，離合器完全接合。在整個(gè)過(guò)程中通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和CVT速比控制，實(shí)現(xiàn)模式切換過(guò)程中的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制，直到發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)輸出轉(zhuǎn)矩Tcoo與駕駛員需求轉(zhuǎn)矩Treq之差的絕對(duì)值小于閾值ΔT。電機(jī)空轉(zhuǎn)，從而完成從純電動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式切換。

圖3 純電動(dòng)切換到發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式流程圖Fig.3 Flow chart of mode transition from electric driven to engine driven

表2給出了Δnh模糊控制規(guī)則，模糊集合均為{S，MS，M，MB，B}，此處，S、MS、M、MB、B分別表示參數(shù)取值小、中小、中、中大、大。該表的制定源于專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，一般而言在較小的加速踏板開(kāi)度和加速踏板變化率條件下，取較小的轉(zhuǎn)速偏差，這是因?yàn)榛隈{駛意圖，此時(shí)駕駛員對(duì)扭矩響應(yīng)意愿不強(qiáng)，可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速較為精確的調(diào)節(jié)。而較大的加速踏板開(kāi)度和加速踏板變化率條件下，允許較大轉(zhuǎn)速差，以快速響應(yīng)駕駛扭矩需求。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速差閾值Δnh的模糊控制規(guī)則

圖4為模式切換的控制原理圖，將模式切換過(guò)程分為三個(gè)階段分別進(jìn)行控制。

圖4 模式切換控制原理圖Fig.4 Control principle scheme of mode transition

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段。首先控制BSG快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，BSG以最大轉(zhuǎn)矩將發(fā)動(dòng)機(jī)加速至怠速附近。由于此時(shí)離合器完全分離，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力沒(méi)有傳遞到車輪，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)不會(huì)影響車輛行駛的平順性，這是采用BSG啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步階段。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，處于空載，無(wú)扭矩輸出，駕駛員的加速踏板并不直接輸入給發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，而是通過(guò)整車控制器(hybrid control unit，HCU)根據(jù)分配的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)輸出偽加速踏板開(kāi)度αp給發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。一方面HCU采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開(kāi)度控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速，另一方面通過(guò)CVT的速比調(diào)節(jié)保持電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速快速同步，以減少二者之間的偏差。

發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開(kāi)度為

(8)

式中，e(t)為目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。

電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為

Temcmd=min(Tload,Temmax(ωs))

(9)

式中，Temmax(ωs)為電機(jī)在ωs轉(zhuǎn)速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

(3)離合器接合階段。當(dāng)離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差|ne-nm|<Δnh時(shí)，離合器滑摩接合，此時(shí)需要根據(jù)離合器的轉(zhuǎn)矩調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，同時(shí)需要基于駕駛意圖，控制離合器接合時(shí)長(zhǎng)。離合器接合太快會(huì)導(dǎo)致其傳遞的轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變，從而超過(guò)了電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)乃俣群途?；離合器接合太慢會(huì)增加離合器片的磨損。合理控制離合器的接合速度(油壓變化或轉(zhuǎn)矩變化)是該階段控制策略的關(guān)鍵[13]。

本文通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償+CVT速比控制，使離合器在接合時(shí)從動(dòng)端的轉(zhuǎn)速基本保持不變，以減小離合器的接合過(guò)程對(duì)車輛沖擊度產(chǎn)生的影響，保證切換過(guò)程中的平順性。該階段離合器的控制主要是使接合過(guò)程中滑摩功最小。

離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩與油缸的壓力之間存在線性關(guān)系：

(10)

式中，sign(·)為符號(hào)函數(shù)；Δω為離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差；μd為摩擦副的動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)；Z為離合器的摩擦副個(gè)數(shù)；Ap為活塞作用面積；Pn為油缸的壓力；Ri、Ro分別為摩擦片內(nèi)外半徑。

因此，離合器的轉(zhuǎn)矩控制與油壓控制可視為同一個(gè)問(wèn)題。

本文在離合器接合階段控制策略的基本思路是，首先根據(jù)駕駛意圖(離合器開(kāi)始接合時(shí)刻的加速踏板開(kāi)度α及加速踏板開(kāi)度變化率Δα)，通過(guò)模糊推理得到離合器接合的時(shí)長(zhǎng)，然后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃在該時(shí)長(zhǎng)內(nèi)對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩進(jìn)行最優(yōu)控制，最后利用電機(jī)的快速響應(yīng)性和轉(zhuǎn)矩精確控制根據(jù)駕駛員需求轉(zhuǎn)矩和離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

在計(jì)算離合器接合時(shí)長(zhǎng)tf時(shí)，將離合器開(kāi)始接合時(shí)刻的α、Δα和tf使用三角形函數(shù)進(jìn)行模糊化，模糊集合均為{S，MS，M，MB，B}，模糊控制規(guī)則如表3所示[14]。模糊推理后經(jīng)過(guò)反模糊化可得到離合器接合時(shí)長(zhǎng)tf。

表3 離合器接合時(shí)間tf的模糊控制規(guī)則

確定離合器接合時(shí)長(zhǎng)后，需在確定時(shí)間段內(nèi)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和離合器轉(zhuǎn)矩使該時(shí)間段內(nèi)離合器的總滑摩功最小。由于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的滯后性，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為

(11)

式中，TICEcmd為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；τe為滯后時(shí)間。

由式(5)和式(11)聯(lián)立，選取狀態(tài)變量為x1=ωp、x2=TICE，控制變量為u1=TC、u2=TICEcmd，可得如下?tīng)顟B(tài)方程：

(12)

其中，由于經(jīng)轉(zhuǎn)速同步后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍不大，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩Tf可視為定值。

將上述狀態(tài)方程按時(shí)間步長(zhǎng)Δt離散化后可得到系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：

(13)

(14)

系統(tǒng)的性能指標(biāo)，即總滑摩功為

(15)其中，ωs為定值，其值由模式切換開(kāi)始時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速所決定。L(x(k),x(k+1))表示從第k階段到第k+1階段的滑摩功。將式(14)代入式(15)，可以根據(jù)每個(gè)階段的始末狀態(tài)直接計(jì)算滑摩功。

為簡(jiǎn)化問(wèn)題求解，將狀態(tài)變量的取值進(jìn)行網(wǎng)格化。在離合器接合過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在每個(gè)階段內(nèi)不應(yīng)該出現(xiàn)減小的情況。故狀態(tài)變量和控制變量的約束條件為

(16)

針對(duì)上述離散型最優(yōu)控制問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法進(jìn)行求解，具體過(guò)程如圖5所示。該方法通過(guò)直接遍歷每個(gè)階段始末狀態(tài)的可達(dá)狀態(tài)集X(k)和X(k+1)來(lái)計(jì)算滑摩功，最后由最優(yōu)狀態(tài)序列X*根據(jù)式(14)計(jì)算出最優(yōu)控制的決策序列U*。圖中，階段總數(shù)N由離合器接合時(shí)長(zhǎng)tf與步長(zhǎng)Δt(取0.1 s)的比值取整得到；初始狀態(tài)X(1)為離合器開(kāi)始接合時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；末端狀態(tài)X(N+1)為電機(jī)轉(zhuǎn)速ωs和模式切換結(jié)束時(shí)所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；X(i,k)為可達(dá)狀態(tài)集X(k)中的第i個(gè)元素，J*(X(i,k))為從狀態(tài)X(i,k)到達(dá)終點(diǎn)狀態(tài)X(N+1)的最小滑摩功。

圖5 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的求解流程Fig.5 Solving process of dynamic programming

根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法可以同時(shí)求解出離合器最優(yōu)傳遞轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。在離合器接合的過(guò)程中，電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為

(17)

本文采用離線計(jì)算、在線查表的方法將動(dòng)態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制，即通過(guò)N、ωp(1)、ωp(N+1)、TICE(1)和TICE(N+1)查表可得到離合器轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)命令轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制軌跡。由于離合器接合時(shí)間較短，該過(guò)程的最優(yōu)控制采用開(kāi)環(huán)控制。

4 結(jié)果與分析

模式切換試驗(yàn)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖6所示。分別在平緩加速、中等加速和緊急加速下進(jìn)行試驗(yàn)，車輛從靜止?fàn)顟B(tài)純電動(dòng)起步，根據(jù)能量管理策略進(jìn)行模式切換。基于加速踏板開(kāi)度及其變化率和車速計(jì)算駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作模式的切換，如在平緩加速和中等加速時(shí)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，而在緊急加速時(shí)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式。在此不做能量管理策略的研究，只進(jìn)行伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的模式切換平順性的研究。

圖6 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模式切換試驗(yàn)Fig.6 Mode transition test on chassis dynamo-meter

圖7 平緩加速時(shí)模式切換過(guò)程Fig.7 Mode transition under gentle acceleration

圖7所示為平緩加速時(shí)的模式切換過(guò)程，從6.9s開(kāi)始進(jìn)入模式切換，首先啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，7.1s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始同步電機(jī)轉(zhuǎn)速。7.7s時(shí)開(kāi)始離合器接合，此時(shí)加速踏板開(kāi)度為30.28%，加速踏板開(kāi)度變化率為54%s-1。離合器接合過(guò)程中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的介入，電機(jī)逐漸退出工作。模式切換過(guò)程中各參數(shù)的變化，如圖7所示。

圖8和圖9所示分別為中等、緊急加速時(shí)的模式切換過(guò)程，不同駕駛意圖下的模式切換時(shí)間和沖擊度大小如表4所示。從表中數(shù)據(jù)看出，在不同的駕駛意圖下，所體現(xiàn)出的模式切換時(shí)間和沖擊度大小是不一的，這是由于所采用的控制策略，在非緊急駕駛意圖下，優(yōu)先考慮整車平順性，采用較長(zhǎng)的離合器接合時(shí)間；在緊急駕駛意圖下和保證整車平順性的前提下，優(yōu)先滿足整車動(dòng)力性，縮短離合器滑摩時(shí)間。

圖8 中等加速時(shí)模式切換過(guò)程Fig.8 Mode transition under moderate acceleration

圖9 緊急加速時(shí)模式切換過(guò)程Fig.9 Mode transition under urgent acceleration

平緩加速中等加速緊急加速離合器接合時(shí)長(zhǎng)(s)1.41.20.7模式切換時(shí)長(zhǎng)(s)2.42.31.9最大沖擊度(m/s3)2.34.87.7

由表4可以看出，該策略的模式切換時(shí)間最長(zhǎng)為2.4 s，最大沖擊度也僅為7.7 m/s3，體現(xiàn)出了良好的模式切換效果。這是因?yàn)樵摽刂撇呗允峭ㄟ^(guò)BSG快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步后進(jìn)行離合器控制的。一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)不影響模式切換平順性，減少了模式切換過(guò)程的沖擊因素；另一方面，離合器在主從動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速差較小的時(shí)候接合，縮短了離合器接合時(shí)間同時(shí)降低了接合沖擊強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1)對(duì)一款BSG聯(lián)合ISG的CVT型并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作模式進(jìn)行分析，建立了動(dòng)力學(xué)模型，為控制策略提供了理論依據(jù)。

(2)提出了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步和離合器接合的三階段模式切換方法，提高了模式切換的平順性且延長(zhǎng)了離合器的使用壽命。

(3)提出了模糊推理與最優(yōu)控制理論相接合的綜合控制策略，基于駕駛意圖采用模糊控制方法控制離合器接合時(shí)長(zhǎng)，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃在該時(shí)長(zhǎng)內(nèi)對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩進(jìn)行最優(yōu)控制，協(xié)調(diào)模式切換過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩變化，為試驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)。

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，該策略能夠優(yōu)化離合器滑摩時(shí)間，體現(xiàn)駕駛意圖，并且能夠有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式切換過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和整車的沖擊度，提高車輛的行駛平順性。模式切換過(guò)程需要發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、CVT和離合器共同作用，本文對(duì)離合器控制方法沒(méi)有考慮溫度和磨損程度對(duì)其特性的影響，后續(xù)將考慮對(duì)這些因素作修正。

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(編輯 王旻玥)

Research on Dynamic Mode Transition of Hybrid Electric Vehicle Based on Continuously Variable Transmission(CVT)

WANG Jiande ZHOU Yunshan YANG Huiyong JIA Jiefeng LI Quan

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

For a hybrid electric system based on continuously variable transmission(CVT), its structures and working modes were analyzed, and a kinetics model was established. A comprehensive control strategy combining fuzzy reasoning and optimal control theory was proposed for mode transition with engine starting. In the strategy, a clutch combination time was firstly obtained by fuzzy control based on driving intention. Then, an optimal clutch transmission torque and an optimal engine target torque were determined through the kinetics model with dynamic programming. Finally, the output torque of the motor was adjusted in real time according to the optimal clutch transmission torques by making use of the quick responsiveness of motor. Experiments were performed to verify the proposed control strategy. The experimental results show that the control strategy may optimize the clutch slip time based on driving intention, and achieve the smoothness of mode transition.

mode transition; driving intention; fuzzy control; dynamic programming

2016-07-04

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2014DFA70170)

U469.72

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.10.019

王建德，男，1983年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)樾履茉雌?、車輛動(dòng)力傳動(dòng)與控制。E-mail：wjdcvt@163.com。周云山，男，1957年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。陽(yáng)輝勇，男，1986年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生。賈杰鋒，男，1990年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院碩士研究生。李 泉，男，1976年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生。