混合動力控制原理

1、發(fā)動機啟動模式一：發(fā)動機起動模式當(dāng)駕駛者發(fā)出起動指令后，由電動機通過行星輪系給發(fā)動機供能，使之起動。該模式就是發(fā)動機起動模式。在這種模式下，輸出軸固定不動，與之嚙合的齒輪副均不動，因此齒輪環(huán)靜 止。二、蓄電池充電模式在這種模式中，電機通過電動機同步開關(guān)連接到太陽輪上，停車鎖將輸出軸鎖定， 所有齒輪副空轉(zhuǎn)。發(fā)動機通過行星輪系給電動機供能，電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)， 給蓄電池充電。這種模式下的運動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系與第一種模式相同，只是功率流動的方向 相反。三、電動機驅(qū)動模式汽車起動時速度較低，若發(fā)動機工作則效率較低，一般只讓電動機單獨工作。電機軸 與電動機同步開關(guān)咬合，轉(zhuǎn)矩通過電機齒輪傳遞到輸出軸上。

2、其余齒輪均空轉(zhuǎn)。四、混合驅(qū)動模式在汽車加速和爬坡這樣需要較高的功率時，工作與混合驅(qū)動模式。在這種模式中， 電機軸與一組齒輪副共同作用，發(fā)動機和電機共同向輸出軸提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。由于有四組齒輪，故可以得到不同的速度，可以根據(jù)具體運行環(huán)境選五、發(fā)動機驅(qū)動模式正常行駛時，發(fā)動機單獨驅(qū)動時最經(jīng)濟(jì)的運行方式。在這種模式中，一組齒數(shù)比 較低的齒輪副被用于將發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩傳遞給輸出軸，電機軸空轉(zhuǎn)。在這種模式下運行的 HEv類似于普通燃油汽車。六、電力連續(xù)可變傳動模式 (CVT)這種模式用到了行星輪系，為汽車的控制提供了兩個自由度，允許發(fā)動機的狀態(tài)優(yōu)化至最佳燃油效率。發(fā)動機是唯一的動力源，給輸出軸提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)

3、動車輪運轉(zhuǎn)的同時，給電機提供轉(zhuǎn)矩， 電機工作在發(fā)電機狀態(tài)， 將機械能轉(zhuǎn)化成電能給蓄電池充電。太陽輪通過電機同步開關(guān)于電機軸咬合，第四組齒輪副于行星輪系的齒輪環(huán)相連。七、能量回收模式類似于Prius的再生制動動能回收。電機通過電機齒輪與輸出軸連接，工作于發(fā)電機狀 態(tài)，將減速和剎車的機械能轉(zhuǎn)化為電能為蓄電池重點。運動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系與第一種模式相同，只是功率流動的方向相反。由上述可見，這種新設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)可以完成Prius的驅(qū)動系統(tǒng)的全部工作模式，但是結(jié)構(gòu)要簡單，并且少了發(fā)電機以及在發(fā)電機處進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換消耗的能量，能夠進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的效率。輸出軸最終驅(qū)動汽車運行還要克服相關(guān)阻力，包括滾動阻力、空氣

4、阻力、坡道阻力以及汽車加速以跟隨預(yù)定速度軌跡而加速過程中的慣性 等，如圖4-9所示。最終的速度關(guān)系為：工作模式的選擇：1:駕駛者發(fā)出手動命令“起動”，汽車工作于發(fā)動機起動模式。2:駕駛者發(fā)出手動命令"充電”，汽車工作于蓄電池充電模式。3:在汽車所需要的功率較低、汽車運行速度較低、蓄電池儲能較高、冷卻液溫度過高 或發(fā)動機剛停止運行不久這幾種情況之一下，汽車工作于電動機驅(qū)動模式。邏輯表達(dá)式如下：4:當(dāng)汽車所需轉(zhuǎn)矩大于電力連續(xù)可變傳動模式下發(fā)動機能夠提供的轉(zhuǎn)矩時，汽車工作于混合驅(qū)動模式。邏輯表達(dá)式如下：（入 A Gq） n （Soc 巴 So仏）4:在滿足混合驅(qū)動條件但是電池電量低于儲能下

5、限、蓄電池電量正常但汽車運行于正常行駛狀況要求有最佳效率或滿足電力連續(xù)可變傳動模式條件但是蓄電池儲能太高不能繼續(xù)充電的三種情況之一下，汽車工作于發(fā)動機驅(qū)動模式。邏輯表達(dá)式如下：（口 3） n（Soc < Soclnw）OF （Soo Socjr （怙 >or（ <Gq）n（So2SocT）5:在汽車需要的轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動機所能提供的轉(zhuǎn)矩且蓄電池儲能低于其儲能上限，或者 汽車在正常行駛中蓄電池電量接近儲能下限需充電時，汽車工作于電力連續(xù)可變傳動模式。 邏輯表達(dá)式如下：g（% > 耳t）n（Soc < So%）6:汽車減速或剎車，所需要功率為零時，工作于能量回收模式。邏輯

6、表達(dá)式如<0發(fā)動機性能優(yōu)化一：混合驅(qū)動模式在混合驅(qū)動模式下，先確定發(fā)動機需要提供的功率，然后從we 一 Pe關(guān)系曲線中選出對應(yīng)的角速度 we以實現(xiàn)最低油耗。選出四組齒輪副中的一組，其齒數(shù)比最接近發(fā)動機 角速度和輸出軸角速度之比。之后控制電動機工作在式（4-7）決定的角速度和式（4-8）決定的轉(zhuǎn)矩上，以提供所需的輔助轉(zhuǎn)矩。二、發(fā)動機驅(qū)動模式在這種模式中，發(fā)動機是唯一的動力源，它的輸出功率由輸出軸的角速度和功率決定。輸出軸功率給定后，發(fā)動機工作于最低速度時的耗油量是最低的，而對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩最大以滿足功率要求。因此，四組齒輪副按照齒數(shù)比遞減的優(yōu)先權(quán)選擇， 齒數(shù)比最低的優(yōu)先選擇， 這樣發(fā)動機就能在運

7、轉(zhuǎn)域內(nèi)以最低角速度運轉(zhuǎn)。這種策略能夠達(dá)到最低油耗。三、連續(xù)可變傳動模式在該模式下，對每一給定駕駛條件，發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩由式(4-12)和(4-13)決定，但根據(jù)式(4-11)，發(fā)動機仍然有一個自由度We,它是該模式的優(yōu)化目標(biāo)。對于一個給定的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，存在一個發(fā)動機速度，在這一點發(fā)動機效率達(dá)到最大。發(fā)動機的效率E可以用下面的函數(shù)表示：4 二 g/(：吆)八：吆)將式(4-24)對q求偏導(dǎo)并令其為零，如式(4-25):(425)由上式可以解出最大效率曲線EQT腫、如圖4-12所示圖發(fā)動機最大效率曲線在發(fā)動機運轉(zhuǎn)域內(nèi)的每一個轉(zhuǎn)矩值，對應(yīng)蜃大效率曲線找到一個速度值，發(fā)動機被控制以該速度運轉(zhuǎn).而電動機

8、角速度山式(4-11)決定°增程式電動車最小燃油消耗特性曲線對應(yīng)的發(fā)動機的輸出功率只比發(fā)動機全負(fù)荷工作（節(jié)氣門全開）的輸出功率稍微小一點。荷電狀態(tài)最大化控制策略荷電狀態(tài)最大化控制策略應(yīng)該遵循以下原則，在任何時候（除了 SOC達(dá)到最高限度時），發(fā)動機應(yīng)該工作在全負(fù)荷狀態(tài) （節(jié)氣門大開度），發(fā)動機輸出其最大功率。一部分功率用來平衡行駛時的路 面需求功率，另一部功率則用來給電池充電。博世起停系統(tǒng):Logical Structure/®輯緒構(gòu)HMI InputActuators 人財血帕器Battery SOF 電也眈ElectricalLead Demands 電力負(fù)載晉求HVA

9、CEl. EnergyMgintI 1 i. - ：|：ICE CoolingMrThermalMgmtVacium + MgmtVehicle Stop車稀11CE StatusICEControlHMIControl 削Sr i點訓(xùn)StarterControl：.!叫."TransmissionControl J啟動停止策略MT/手動AT and AMT/手動與手自動發(fā)動機停止的條件車輛停止，空檔位置 松離合器踏板車輛停止 踩剎車踏板并且沒有其他系統(tǒng)要求發(fā)動機運轉(zhuǎn)發(fā)動機起動的條件踩離合器踏板松離合器踏板或其他系統(tǒng)要求發(fā)動機運轉(zhuǎn)雙離合器分離機構(gòu)發(fā)隣機變速箝誠合器2電動機圖2-15雙

10、離合器的結(jié)構(gòu)示意1）純電動工況在純電動工況下，發(fā)動機不工作，離合器i由控制系統(tǒng)控制處于分離狀態(tài)，此時只有電動機工作帶動整車行駛。離合器 2為手動離合器，由駕駛員按照傳統(tǒng)汽車的使用方法來操作。2）混合驅(qū)動工況在混合驅(qū)動工況時，離合器 1由控制系統(tǒng)控制處于接合狀態(tài)，電動機和發(fā)動機共同工作來實現(xiàn)各 種混合驅(qū)動工況。這種雙離合器的方案在原理上是可行的，結(jié)構(gòu)相對于行星輪系的方案要簡單一些。但是， 自動離合器（離合器1）的接合，分離過程要求有完善的控制策略和控制精度的保證，因此需要做 大量的實驗和分析來優(yōu)化自動離合器的控制系統(tǒng)，減少自動離合器接合時因前后兩部分轉(zhuǎn)速、扭矩差過大造成的接合沖擊。2. 3. 2

11、. 1可鎖止齒圈的行星輪系動力分配機構(gòu)JE王一 /齒BB鎖止機詢2-16可鎖止齒圈可鎖止齒圈的行星輪系動力分配機構(gòu)的工作原理。 純電動模式該模式下，發(fā)動機不工作，轉(zhuǎn)速為零（即太陽輪的轉(zhuǎn)速為零）；電動機工作通過手動離合器及變速 器驅(qū)動車輛行駛；而齒圈鎖止機構(gòu)此時釋放齒圈， 使之自由轉(zhuǎn)動。這樣就實現(xiàn)了純電動的工作模 式。 混合驅(qū)動模式在混合驅(qū)動模式時， 齒圈鎖止機構(gòu)將鎖止齒圈，使其不能轉(zhuǎn)動（齒圈轉(zhuǎn)速為零），則發(fā)動機和電動機共同運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)混合驅(qū)動模式下的各種工況。楔塊式單向離合器（超越離合器）動力分配機構(gòu)1）概述單向離合器的動力分配機構(gòu)也可歸于雙離合器的方案，但單向離合器的工作 原理同傳統(tǒng)摩擦片式離

12、合器有本質(zhì)的區(qū)別。這種方案可以有效的減小接合帶來的 沖擊，而且更適合混合動力汽車使用。下面將詳細(xì)分析單向離合器的工作原理以 及在動力分配機構(gòu)的不同工作模式下的工作狀況。2）楔塊式單向離合器的工作原理i 楔塊式單向離合器的結(jié)構(gòu)特征外環(huán)圖2 22所示是楔塊式單向離合器的楔塊尺寸特征，A>B>C正是由于楔塊的這種特殊尺寸，使得當(dāng)外環(huán)和內(nèi)環(huán)都逆時針旋轉(zhuǎn)時，如果外環(huán)轉(zhuǎn)速小于內(nèi)環(huán) 轉(zhuǎn)速，離合器分離（圖2-23a），外環(huán)轉(zhuǎn)速等于內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速時，離合器接合（圖2(a)a）方案一這種方案的基本結(jié)構(gòu)是：發(fā)動機和內(nèi)環(huán)相連，電動機和外環(huán)相連，旋轉(zhuǎn)方向都是逆時針。在純電動模式下，內(nèi)環(huán) -發(fā)動機轉(zhuǎn)速為零，外環(huán)-電

13、動機逆時針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動車輛行駛，這時離 合器處于分離（超越）狀態(tài)。混合驅(qū)動模式下，二者以同樣的轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)，此時離合器處于接合（逆止）狀態(tài)。b）方案二這種方案的基本結(jié)構(gòu)是，發(fā)動機和外環(huán)相連，電動機和內(nèi)環(huán)相連。旋轉(zhuǎn)方向都是順時針。在純電動模式下，外環(huán)-發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為零， 內(nèi)環(huán)-電動機順時針旋轉(zhuǎn)， 驅(qū)動車輛行駛，這時離 合器處于分離（超越）狀態(tài)?；旌向?qū)動模式下，二者以同樣的轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)， 此時離合器處于接合（逆 止）狀態(tài)。使用超越離合器時應(yīng)注意的問題:1）離合器分離（超越）時旋轉(zhuǎn)部分的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到3000r /rain2）離合器接合（逆止）時能承受較大的沖擊。3）離合器接合（逆止）后能傳遞11

14、0Nn左右的扭矩。4）離合器接合（逆止）后內(nèi)、外環(huán)的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到5500r / rain。5）能在100C的環(huán)境中長期穩(wěn)定工作。6）考慮到超越離合器的工作環(huán)境，要求其潤滑盡量免維護(hù)?？刂撇呗缘幕舅悸吠ǔＳ袃煞N：一是直接法，即直接將優(yōu)化目標(biāo)（如油耗等）表示為系統(tǒng)狀態(tài)變量、控制變量等的函數(shù)；二是間接法，即最小損失法，從計算當(dāng)前驅(qū)動條件下各個部件的效率入手，得到整個系統(tǒng)的能量（功率）損失。損失最小的狀態(tài)變量就是當(dāng)前驅(qū)動條件下應(yīng)該選擇的狀態(tài)變量。具體的控制方法有：邏輯門限值控制、動態(tài)自適應(yīng)控制、邏輯模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制四種。由于邏輯門限值控制方法快速簡單、實用性較強，因此國外的樣車和產(chǎn)品車型大部

15、分都采用這種控制方法。其他三種復(fù)雜的控制方法需要采集和運算的數(shù)據(jù)量非常大，特別是要實時采集大量的發(fā)動機 運行數(shù)據(jù)計算發(fā)動機的最佳油耗點和最佳排放點，并在運行中實時跟蹤兩點數(shù)值的變化，使控制系統(tǒng)的 軟件和硬件都過于復(fù)雜。另外，三種復(fù)雜控制方法對目標(biāo)的改善效果在很大程度上依賴于發(fā)動機的動態(tài) 模型精度和運行數(shù)據(jù)的實時快速檢測的精度，精度的偏差導(dǎo)致目標(biāo)效果明顯惡化。因此，采用邏輯門限 值控制 方法對HFJ7161PHE總成控制系統(tǒng)是合適的?？傮w控制方案混合動力汽車總體控制方案基本上分為兩大類，即分布式和集成式。所謂分布式是指設(shè)置獨立的整車控制單元，同時整車控制單元和各總成控制單元之間相互獨立（至少在邏

16、輯上）。FFJ7161PHEV采用分布式層次化的控制方案，如圖31所示。混合動力系統(tǒng)屬于多能源動力系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間需要協(xié)調(diào)工作才能實現(xiàn) 混合動力系統(tǒng)在各個工況下的功能，從而體現(xiàn)混合動力系統(tǒng)在提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能方面的優(yōu)勢。整個系統(tǒng)的控制策略主要由主控制器來完成。主控制器根據(jù)駕駛員的各種操作（鑰匙、油門踏板位置、制動踏板位置、檔位等）以及各個子系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，確定各子系統(tǒng)的運行模式并對其進(jìn)行相應(yīng)的能量分配以及協(xié)調(diào)控制。最后主控制器將控制信號發(fā)送給對應(yīng)的子系統(tǒng)的控制器，由各個子系統(tǒng)的控制器完成對相應(yīng)子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。整車控制策略啟動工況控制策略觀察發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)速一一轉(zhuǎn)矩特性圖可

17、知，初始啟動階段，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩成正比趨勢，在轉(zhuǎn)速較低時，發(fā)動機輸岀轉(zhuǎn)矩較?。欢姍C的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩成反比，在低轉(zhuǎn)速下 具有良好的轉(zhuǎn)矩特性。為了克服傳統(tǒng)轎車啟動時，發(fā)動機在較大負(fù)荷下由靜止達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過 程中燃油經(jīng)濟(jì)性和排放都較差的問題，一般情況下都有電機啟動整車進(jìn)入純電動驅(qū)動工況；而當(dāng) 電池SOC低于設(shè)定的下限值時，由發(fā)動機啟動整車。驅(qū)動行駛工況控制策略低速小負(fù)荷行駛工況在輕載或低速行駛工況，若電池SOCK于設(shè)定下限值SOC_?W，發(fā)動機啟動工作，并恒定工作在設(shè)定的某一轉(zhuǎn)矩，在驅(qū)動汽車行駛的同時，驅(qū)動電機給電池組充電直到 SO（達(dá)到設(shè)定下限值soc_low與上限值SOC_hi的平均值SOC_ave若SO不低于設(shè)定下限值SOCJow，發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，電機單 獨工作驅(qū)動汽車行駛。通過設(shè)定合理的發(fā)動機最小工作轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機最低工作轉(zhuǎn)速，可在滿足駕駛員行駛意圖的同時， 避免發(fā)動機工作于怠速與低轉(zhuǎn)矩運行工況 ，從而大大改善了整車燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能。 中速中負(fù)荷行駛工況中速中負(fù)荷行駛工況（即巡航工況）是HFJ7161PHEV亍駛的主要工況，該工況汽車的行駛功率全部 由發(fā)動機提供。若電池SOC低于設(shè)定下限值SOC_ave發(fā)動機在驅(qū)動汽車行駛的同時，驅(qū)動電機給電池組充電；若SOCR氐于