混合动力控制原理.docx

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混合动力控制原理

发动机启动模式

一：

发动机起动模式

当驾驶者发出起动指令后，由电动机通过行星轮系给发动机供能，使之起动。

该模式就是发动机起动模式。

在这种模式下，输出轴固定不动，与之啮合的齿轮副均不动，因此齿轮环静止。

二、蓄电池充电模式

在这种模式中，电机通过电动机同步开关连接到太阳轮上，停车锁将输出轴锁定，所有齿轮副空转。

发动机通过行星轮系给电动机供能，电动机工作在发电机状态，给蓄电池充电。

这种模式下的运动学和动力学关系与第一种模式相同，只是功率流动的方向

相反。

三、电动机驱动模式

汽车起动时速度较低，假设发动机工作则效率较低，一般只让电动机单独工作。

电机轴与电动机同步开关咬合，转矩通过电机齿轮传递到输出轴上。

其余齿轮均空转。

四、混合驱动模式

在汽车加速和爬坡这样需要较高的功率时，工作与混合驱动模式。

在这种模式中，电机轴与一组齿轮副共同作用，发动机和电机共同向输出轴提供转矩驱动车轮转动。

由于有四组齿轮，故可以得到不同的速度，可以根据具体运行环境选

五、发动机驱动模式

正常行驶时，发动机单独驱动时最经济的运行方式。

在这种模式中，一组齿数比较低的齿轮副被用于将发动机的转矩传递给输出轴，电机轴空转。

在这种模式下运行的HEv类似于普通燃油汽车。

六、电力连续可变传动模式（CVT）

这种模式用到了行星轮系，为汽车的控制提供了两个自由度，允许发动机的状态优化至最正确燃油效率。

发动机是唯一的动力源，给输出轴提供转矩驱动车轮运转的同时，给电机提供转矩，电机工作在发电机状态，将机械能转化成电能给蓄电池充电。

太阳轮通过电机同步开关于电机轴咬合，第四组齿轮副于行星轮系的齿轮环相连。

七、能量回收模式

类似于Prius的再生制动动能回收。

电机通过电机齿轮与输出轴连接，工作于发电机状态，将减速和刹车的机械能转化为电能为蓄电池重点。

运动学和动力学关系与第一种模式相同，只是功率流动的方向相反。

由上述可见，这种新设计的驱动系统可以完成Prius的驱动系统的全部工作模式，但是结构要简单，并且少了发电机以及在发电机处进行能量转换消耗的能

量，能够进一步的提高系统的效率。

输出轴最终驱动汽车运行还要克服相关阻力，包括滚动阻力、空气阻力、坡道阻力以及汽车加速以跟随预定速度轨迹而加速过程中的惯性等，如图4-9所

示。

最终的速度关系为:

工作模式的选择：

1：

驾驶者发出手动命令“起动”，汽车工作于发动机起动模式。

2：

驾驶者发出手动命令“充电”，汽车工作于蓄电池充电模式。

3：

在汽车所需要的功率较低、汽车运行速度较低、蓄电池储能较高、冷却液温度过高或发动机刚停止运行不久这几种情况之一下，汽车工作于电动机驱动模式。

逻辑表达式如下:

4：

当汽车所需转矩大于电力连续可变传动模式下发动机能够提供的转矩时，汽车工作于混合驱动模式。

逻辑表达式如下:

4：

在满足混合驱动条件但是电池电量低于储能下限、蓄电池电量正常但汽车运行于正常行驶状况要求有最正确效率或满足电力连续可变传动模式条件但是蓄电池储能太高不能继续充电的三种情况之一下，汽车工作于发动机驱动模式。

逻辑表达式如下:

5：

在汽车需要的转矩小于发动机所能提供的转矩且蓄电池储能低于其储能上限，或者汽车在正常行驶中蓄电池电量接近储能下限需充电时，汽车工作于电力连续可变传动模式。

逻辑表达式如下:

6：

汽车减速或刹车，所需要功率为零时，工作于能量回收模式。

逻辑表达式如

发动机性能优化

一：

混合驱动模式

在混合驱动模式下，先确定发动机需要提供的功率，然后从we一Pe关系曲线中选出对应的角速度we以实现最低油耗。

选出四组齿轮副中的一组，其齿数比最接近发动机角速度和输出轴角速度之比。

之后控制电动机工作在式（4-7）决定的角速度和式（4-8）决定的转矩上，以提供所需的辅助转矩。

二、发动机驱动模式

在这种模式中，发动机是唯一的动力源，它的输出功率由输出轴的角速度和功率决定。

输出轴功率给定后，发动机工作于最低速度时的耗油量是最低的，而对应的转矩最大以满足功率要求。

因此，四组齿轮副按照齿数比递减的优先权选择，齿数比最低的优先选择，这样发动机就能在运转域内以最低角速度运转。

这种策略能够到达最低油耗。

三、连续可变传动模式

在该模式下，对每一给定驾驶条件，发动机和电机转矩由式（4-12）和（4-13）决定，但根据式（4-11），发动机仍然有一个自由度We，它是该模式的优化目标。

对于一个给定的发动机转矩，存在一个发动机速度，在这一点发动机效率到达最大。

发动机的效率E可以用下面的函数表示:

增程式电动车

最小燃油消耗特性曲线对应的发动机的输出功率只比发动机全负荷工作（节气门全开）的输出功率稍微小一点。

荷电状态最大化控制策略

荷电状态最大化控制策略应该遵循以下原则，在任何时候（除了soc到达最高限度时），发动机应该工作在全负荷状态（节气门大开度），发动机输出其最大功率。

一部分功率用来平衡行驶时的路面需求功率，另一部功率则用来给电池充电。

博世起停系统：

启动停止策略：

MT/手动

ATandAMT/手动与手自动

发动机停止的条件

车辆停止，空档位置

松离合器踏板

车辆停止

踩刹车踏板

并且没有其他系统要求发动机运转

发动机起动的条件

踩离合器踏板

松离合器踏板

或其他系统要求发动机运转

双离合器别离机构

1）纯电开工况

在纯电开工况下，发动机不工作，离合器1由控制系统控制处于别离状态，此时只有电动机工作带动整车行驶。

离合器2为手动离合器，由驾驶员按照传统汽车的使用方法来操作。

2）混合驱开工况

在混合驱开工况时，离合器1由控制系统控制处于接合状态，电动机和发动机共同工作来实现各种混合驱开工况。

这种双离合器的方案在原理上是可行的，结构相对于行星轮系的方案要简单一些。

但是，自动离合器（离合器1）的接合，别离过程要求有完善的控制策略和控制精度的保证，因此需要做大量的实验和分析来优化自动离合器的控制系统，减少自动离合器接合时因前后两部分转速、扭矩差过大造成的接合冲击。

2．3．2．1可锁止齿圈的行星轮系动力分配机构

可锁止齿圈的行星轮系动力分配机构的工作原理。

①纯电动模式

该模式下，发动机不工作，转速为零（即太阳轮的转速为零）；电动机工作通过手动离合器及变速器驱动车辆行驶；而齿圈锁止机构此时释放齿圈，使之自由转动。

这样就实现了纯电动的工作模式。

②混合驱动模式

在混合驱动模式时，齿圈锁止机构将锁止齿圈，使其不能转动（齿圈转速为零），则发动机和电动机共同运转来实现混合驱动模式下的各种工况。

楔块式单向离合器（超越离合器）动力分配机构

1）概述

单向离合器的动力分配机构也可归于双离合器的方案，但单向离合器的工作

原理同传统摩擦片式离合器有本质的区别。

这种方案可以有效的减小接合带来的

冲击，而且更适合混合动力汽车使用。

下面将详细分析单向离合器的工作原理以

及在动力分配机构的不同工作模式下的工作状况。

2）楔块式单向离合器的工作原理

1．楔块式单向离合器的结构特征

图2—22所示是楔块式单向离合器的楔块尺寸特征，A>B>C。

正是由于楔

块的这种特殊尺寸，使得当外环和内环都逆时针旋转时，如果外环转速小于内环

转速，离合器别离（图2--23a），外环转速等于内环转速时，离合器接合（图2

--23b）

a）方案一

这种方案的基本结构是：

发动机和内环相连，电动机和外环相连，旋转方向都是逆时针。

在纯电动模式下，内环--发动机转速为零，外环--电动机逆时针旋转，驱动车辆行驶，这时离合器处于别离（超越）状态。

混合驱动模式下，二者以同样的转速逆时针旋转，此时离合器处于接合（逆止）状态。

b）方案二

这种方案的基本结构是，发动机和外环相连，电动机和内环相连。

旋转方向都是顺时针。

在纯电动模式下，外环--发动机的转速为零，内环--电动机顺时针旋转，驱动车辆行驶，这时离合器处于别离（超越）状态。

混合驱动模式下，二者以同样的转速顺时针旋转，此时离合器处于接合（逆止）状态。

使用超越离合器时应注意的问题：

1）离合器别离（超越）时旋转部分的最高转速能到达3000r／rain。

2）离合器接合（逆止）时能承受较大的冲击。

3）离合器接合（逆止）后能传递110Nm左右的扭矩。

4）离合器接合（逆止）后内、外环的最高转速能到达5500r／rain。

5）能在100℃的环境中长期稳定工作。

6）考虑到超越离合器的工作环境，要求其润滑尽量免维护。

控制策略的基本思路通常有两种：

一是直接法，即直接将优化目标（如油耗等）表示为系统状态变量、控制变量等的函数；

二是间接法，即最小损失法，从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，得到整个系统的能量（功率）损失。

损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量。

具体的控制方法有：

逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络控制四种。

由于逻辑门限值控制方法快速简单、实用性较强，因此国外的样车和产品车型大部分都采用这种控制方法。

其他三种复杂的控制方法需要采集和运算的数据量非常大，特别是要实时采集大量的发动机运行数据计算发动机的最正确油耗点和最正确排放点，并在运行中实时跟踪两点数值的变化，使控制系统的软件和硬件都过于复杂。

另外，三种复杂控制方法对目标的改善效果在很大程度上依赖于发动机的动态模型精度和运行数据的实时快速检测的精度，精度的偏差导致目标效果明显恶化。

因此，采用逻辑门限值控制方法对HFJ7161PHEV总成控制系统是合适的。

总体控制方案

混合动力汽车总体控制方案基本上分为两大类，即分布式和集成式。

所谓分布式是指设置独立的整车控制单元，同时整车控制单元和各总成控制单元之间相互独立（至少在逻辑上）。

FFJ7161PHEV采用分布式层次化的控制方案，如图3一l所示。

混合动力系统属于多能源动力系统，各个子系统之间需要协调工作才能实现混合动力系统在各个工况下的功能，从而表达混合动力系统在提高燃油经济性和排放性能方面的优势。

整个系统的控制策略主要由主控制器来完成。

主控制器根据驾驶员的各种操作（钥匙、油门踏板位置、制动踏板位置、档位等）以及各个子系统当前状态进行判断，确定各子系统的运行模式并对其进行相应的能量分配以及协调控制。

最后主控制器将控制信号发送给对应的子系统的控制器，由各个子系统的控制器完成对相应子系统的调节和控制。

整车控制策略

启开工况控制策略

观察发动机和电机的转速——转矩特性图可知，初始启动阶段，发动机的转速和转矩成正比趋势，在转速较低时，发动机输出转矩较小；而电机的转速、转矩成反比，在低转速下具有良好的转矩特性。

为了克服传统轿车启动时，发动机在较大负荷下由静止到达稳定转速的过程中燃油经济性和排放都较差的问题，一般情况下都有电机启动整车进入纯电动驱开工况；而当电池soc低于设定的下限值时，由发动机启动整车。

驱动行驶工况控制策略

低速小负荷行驶工况

在轻载或低速行驶工况，假设电池SOC低于设定下限值SOC_low，发动机启开工作，并恒定工作在设定的某一转矩，在驱动汽车行驶的同时，驱动电机给电池组充电直到SOC到达设定下限值soc_low与上限值SOC_hi的平均值SOC_ave；假设SOC不低于设定下限值SOC_low，发动机处于关闭状态，电机单

独工作驱动汽车行驶。

通过设定合理的发动机最小工作转矩和发动机最低工作转速，可在满足驾驶员行驶意图的同时，防止发动机工作于怠速与低转矩运行工况,从而大大改善了整车燃油经济性能和排放性能。

中速中负荷行驶工况

中速中负荷行驶工况（即巡航工况）是HFJ7161PHEV行驶的主要工况，该工况汽车的行驶功率全部由发动机提供。

假设电池SOC低于设定下限值SOC_ave，发动机在驱动汽车行驶的同时，驱动电机给电池组充电；假设SOC不低于设定的平均值SOC_ave，电机处于关闭状态，发动机单独工作驱动汽车行驶。

加速和高速行驶工况

在加速和高速行驶工况，发动机和电机必须联合协调工作，才能让汽车获得良好的动力性能。

当电池SOC小于下限值SOClow时，发动机功率仅用于驱动汽车行驶；当电池SOC大于下限值SOC_low时，电机和发动机共同工作驱动汽车行驶。

减速制开工况控制策略

在减速制开工况下，根据电池SOC和整车制动转矩需求，电机再生制动系统和机械制动系统可单独工作或同时工作。

纯电动驱开工况。

当油箱燃油量小于一定值，或者为了满足周围环保需要，纯电动按钮被按下时，整车进入纯电动驱开工况。