混合動(dòng)力控制原理

混合動(dòng)力控制原理發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式一：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式當(dāng)駕駛者發(fā)出起動(dòng)指令后，由電動(dòng)機(jī)通過行星輪系給發(fā)動(dòng)機(jī)供能，使之起動(dòng)。該模式就是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式。在這種模式下，輸出軸固定不動(dòng)，與之嚙合的齒輪副均不動(dòng)，因此齒輪環(huán)靜止。二、蓄電池充電模式在這種模式中，電機(jī)通過電動(dòng)機(jī)同步開關(guān)連接到太陽(yáng)輪上，停車鎖將輸出軸鎖定，所有齒輪副空轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)通過行星輪系給電動(dòng)機(jī)供能，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給蓄電池充電。這種模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系與第一種模式相同，只是功率流動(dòng)的方向相反。三、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式汽車起動(dòng)時(shí)速度較低，若發(fā)動(dòng)機(jī)工作則效率較低，一般只讓電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作。電機(jī)軸與電動(dòng)機(jī)同步開關(guān)咬合，轉(zhuǎn)矩通過電機(jī)齒輪傳遞到輸出軸上。其余齒輪均空轉(zhuǎn)。四、混合驅(qū)動(dòng)模式在汽車加速和爬坡這樣需要較高的功率時(shí)，工作與混合驅(qū)動(dòng)模式。在這種模式中，電機(jī)軸與一組齒輪副共同作用，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同向輸出軸提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。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(yùn)行環(huán)境選五、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞給輸出軸，電機(jī)軸空轉(zhuǎn)。在這種模式下運(yùn)行的HEv類似于普通燃油汽車。六、電力連續(xù)可變傳動(dòng)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(gè)自由度，允許發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)優(yōu)化至最佳燃油效率。發(fā)動(dòng)機(jī)是唯一的動(dòng)力源，給輸出軸提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，給電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能給蓄電池充電。太陽(yáng)輪通過電機(jī)同步開關(guān)于電機(jī)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(dòng)動(dòng)能回收。電機(jī)通過電機(jī)齒輪與輸出軸連接，工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將減速和剎車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能為蓄電池重點(diǎn)。選擇，齒數(shù)比最低的優(yōu)先選擇，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)就能在運(yùn)轉(zhuǎn)域內(nèi)以最低角速度運(yùn)轉(zhuǎn)。這種策略能夠達(dá)到最低油耗。三、連續(xù)可變傳動(dòng)模式在該模式下，對(duì)每一給定駕駛條件，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩由式(4-12)和(4-13)決定，但根據(jù)式(4-11)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然有一個(gè)自由度We，它是該模式的優(yōu)化目標(biāo)。對(duì)于一個(gè)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，存在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)速度，在這一點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)效率達(dá)到最大。發(fā)動(dòng)機(jī)的效率E可以用下面的函數(shù)表示:增程式電動(dòng)車最小燃油消耗特性曲線對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率只比發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工作(節(jié)氣門全開)的輸出功率稍微小一點(diǎn)。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(shí)候(除了soc達(dá)到最高限度時(shí))，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該工作在全負(fù)荷狀態(tài)(節(jié)氣門大開度)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出其最大功率。一部分功率用來(lái)平衡行駛時(shí)的路面需求功率，另一部功率則用來(lái)給電池充電。博世起停系統(tǒng)：?jiǎn)?dòng)停止策略：MT/手動(dòng)ATandAMT/手動(dòng)與手自動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)雙離合器分離機(jī)構(gòu) 1)純電動(dòng)工況在純電動(dòng)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，離合器1由控制系統(tǒng)控制處于分離狀態(tài)，此時(shí)只有電動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)整車行駛。離合器2為手動(dòng)離合器，由駕駛員按照傳統(tǒng)汽車的使用方法來(lái)操作。2)混合驅(qū)動(dòng)工況在混合驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，離合器1由控制系統(tǒng)控制處于接合狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)各種混合驅(qū)動(dòng)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(duì)于行星輪系的方案要簡(jiǎn)單一些。但是，自動(dòng)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(shí)驗(yàn)和分析來(lái)優(yōu)化自動(dòng)離合器的控制系統(tǒng)，減少自動(dòng)離合器接合時(shí)因前后兩部分轉(zhuǎn)速、扭矩差過大造成的接合沖擊。2．3．2．1可鎖止齒圈的行星輪系動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)可鎖止齒圈的行星輪系動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)的工作原理。①純電動(dòng)模式該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，轉(zhuǎn)速為零(即太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速為零)；電動(dòng)機(jī)工作通過手動(dòng)離合器及變速器驅(qū)動(dòng)車輛行駛；而齒圈鎖止機(jī)構(gòu)此時(shí)釋放齒圈，使之自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)的工作模式。②混合驅(qū)動(dòng)模式在混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，齒圈鎖止機(jī)構(gòu)將鎖止齒圈，使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)(齒圈轉(zhuǎn)速為零)，則發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)模式下的各種工況。楔塊式單向離合器(超越離合器)動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)1)概述單向離合器的動(dòng)力分配機(jī)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(lái)的沖擊，而且更適合混合動(dòng)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(dòng)力分配機(jī)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1．楔塊式單向離合器的結(jié)構(gòu)特征圖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(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，離合器接合(圖2--23b)a)方案一這種方案的基本結(jié)構(gòu)是：發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)環(huán)相連，電動(dòng)機(jī)和外環(huán)相連，旋轉(zhuǎn)方向都是逆時(shí)針。在純電動(dòng)模式下，內(nèi)環(huán)--發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，外環(huán)--電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，這時(shí)離合器處于分離(超越)狀態(tài)。混合驅(qū)動(dòng)模式下，二者以同樣的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)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(dòng)機(jī)和外環(huán)相連，電動(dòng)機(jī)和內(nèi)環(huán)相連。旋轉(zhuǎn)方向都是順時(shí)針。在純電動(dòng)模式下，外環(huán)--發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，內(nèi)環(huán)--電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，這時(shí)離合器處于分離(超越)狀態(tài)?；旌向?qū)動(dòng)模式下，二者以同樣的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)離合器處于接合(逆止)狀態(tài)。使用超越離合器時(shí)應(yīng)注意的問題：1)離合器分離(超越)時(shí)旋轉(zhuǎn)部分的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到3000r／rain。2)離合器接合(逆止)時(shí)能承受較大的沖擊。3)離合器接合(逆止)后能傳遞110Nm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100℃的環(huán)境中長(zhǎng)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(rùn)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(jì)算當(dāng)前驅(qū)動(dòng)條件下各個(gè)部件的效率入手，得到整個(gè)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單、實(shí)用性較強(qiáng)，因此國(guó)外的樣車和產(chǎn)品車型大部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(yùn)算的數(shù)據(jù)量非常大，特別是要實(shí)時(shí)采集大量的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳油耗點(diǎn)和最佳排放點(diǎn)，并在運(yùn)行中實(shí)時(shí)跟蹤兩點(diǎn)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(duì)目標(biāo)的改善效果在很大程度上依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型精度和運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)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(duì)HFJ7161PHEV總成控制系統(tǒng)是合適的?？傮w控制方案混合動(dòng)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(dú)立的整車控制單元，同時(shí)整車控制單元和各總成控制單元之間相互獨(dú)立(至少在邏輯上)。FFJ7161PHEV采用分布式層次化的控制方案，如圖3一l所示?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)屬于多能源動(dòng)力系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間需要協(xié)調(diào)工作才能實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)在各個(gè)工況下的功能，從而體現(xiàn)混合動(dòng)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(shì)。整個(gè)系統(tǒng)的控制策略主要由主控制器來(lái)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(dòng)踏板位置、檔位等)以及各個(gè)子系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，確定各子系統(tǒng)的運(yùn)行模式并對(duì)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(hào)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)的控制器，由各個(gè)子系統(tǒng)的控制器完成對(duì)相應(yīng)子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。整車控制策略啟動(dòng)工況控制策略觀察發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩特性圖可知，初始啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩成正比趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較??；而電機(jī)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(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)啟動(dòng)整車進(jìn)入純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況；而當(dāng)電池soc低于設(shè)定的下限值時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)整車。驅(qū)動(dòng)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SOC低于設(shè)定下限值SOC_low，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作，并恒定工作在設(shè)定的某一轉(zhuǎn)矩，在驅(qū)動(dòng)汽車行駛的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)給電池組充電直到SOC達(dá)到設(shè)定下限值soc_low與上限值SOC_hi的平均值SOC_ave；若SOC不低于設(shè)定下限值SOC_low，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)汽車行駛。通過設(shè)定合理的發(fā)動(dòng)機(jī)最小工作轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)最低工作轉(zhuǎn)速，可在滿足駕駛員行駛意圖的同時(shí)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作于怠速與低轉(zhuǎn)矩運(yùn)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行駛的主要工況，該工況汽車的行駛功率全部由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。若電池SOC低于設(shè)定下限值SOC_ave，發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)汽車行駛的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)給電池組充電；若SOC不低于設(shè)定的平均值SOC_ave，電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)汽車行駛。加速和高速行駛工況在加速和高速行駛工況，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)必須聯(lián)合協(xié)