新型混合动力驱动系统与控制策略的设计_袁庆强

新型混合动力驱动系统与控制策略的设计袁庆强 徐 达 (武汉理工大学)赵春明 (天津市清源电动车辆有限责任公司)【摘要】 在丰田公司P ri us 混合动力汽车的驱动结构及其控制策略基础上,提出了一种新型混合动力汽车驱动系统的实现方案。

该方案采用了行星轮系和电控离合器结合的传动机构。

在设计过程中,以理论研究和分析为基础,着重讨论了驱动结构的各种工况模式和控制策略。

【主题词】 混合动力 汽车 驱动系统0 前言收稿日期:2007-06-0520世纪90年代以来,世界各国对改善环保和节约石油的呼声日益高涨,各式各样的电动汽车脱颖而出。

混合动力汽车既可以发挥发动机持续工作时间长、动力性好的优点,又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。

1997年5月丰田公司设计了一种新的动力系统TH S (Toyo ta H ybrid Sys -te m )使发动机的燃油效率提高了1倍,装载该系统的Pri u s 成为第一款实用性商业混合动力汽车,并于2003年推出第二代产品。

但由于其采用两个电机,致使其结构复杂,成本很高,整车布置较为困难。

为了改善这一状况,在Pri u s HEV 的基础上提出一种新的驱动系统设计方案,该方案的结构设计较为简单,仅采用1个电机,可以大大降低成本和提高发动机燃油效率。

1 Prius 混合动力汽车结构原理分析Pri u s 混合动力汽车结构的核心部分是行星轮机构,丰田称之为动力分配装置(PSD,Po w er Sp lit Dev ice)。

结构示意图如图1。

该行星轮系有两个自由度,在此结构中,发动图1 P r i us 动力分配机构机和行星架相联,通过行星齿轮将动力传递给外圈的齿圈和内圈的太阳轮,齿圈轴与电机和传动轴相联,太阳轮轴和发电机相联。

PSD 将发动机大约70%的转矩直接传递到驱动轴上,将另一部分转矩传送到发电机上,并且发电机、电机和发动机的转速存在一线性关系。

在驱动轴转速(即电机转速)不变的情况下,通过调节发电机来调整发动机转速。

同时,发动机和电机转矩可以直接叠加。

但是结构上较为复杂,给制造和控制带来了一定的困难。

2 改进的混合动力传动系统设计2.1 驱动系统结构所提出的改进型设计是一种多工作运行模式的混合动力汽车,其动力传动系统示意图如图2所示。

该驱动系统只采用1台电机,该电机既可以作为驱动电动机,又能作为充电和制动能量回收时的发电机使用。

在该系统中,行星轮系的太阳轮与发动机相联,行星架与驱动车轮相联,电机通过锥齿轮副、电控离合器、齿轮副分别与行星架和齿圈相联。

对于系统所采用的行星轮系,其各部分的运动学关系如下:N s +K @N r -(1+K )@N c =0(1)式中,N s 为太阳轮的转速;N r 为齿圈的转速;N c 为行星架的转速;K 为齿圈和太阳轮的齿数比。

行星轮系传递的转矩关系为:Ts +1kTr =1K +1T c(2)式中,Tr 为齿圈上的转矩;T s 为太阳轮上的转矩;T c 为行星架上的转矩;K 为齿圈和太阳轮的齿数比。

图2 新型混合动力传动系统示意图2.2 整车运行的各种工况模式(1)启动工况电控离合器1结合,电控离合器2断开,电机与行星架相联,将动力电池的电能转化成动能,通过差速器传递给车轮;由于发动机自身阻力,太阳轮不转动,发动机不提供动力,齿圈随动,整车处于纯电动行驶状态。

驱动系统参数关系如下:N s =0(3)K @N r -(1+K )@N c =0(4)Ts =1k Tr =1K +1Tc (5)(2)稳定行驶工况电控离合器1断开,电控离合器2结合,发动机通过行星轮系将动力传递给车轮;电机与齿圈相联,在车速一定即行星架转速一定的情况下,通过调整电机的转速来调整发动机的转速,使之总是工作在高效区,驱动系统参数关系见(1)、(2)式。

(3)加速爬坡工况电控离合器1结合,电控离合器2断开,电机与行星架相联,轴锁止机构将齿圈锁止,此时发动机和电机转矩直接叠加,共同提供动力驱动车轮,整车处于混合动力模式,驱动系统参数关系如下:N c =0(6)N s +K @N r =0(7)T s =1k Tr =1K +1Tc (8)(4)减速制动工况在踩下制动踏板时,电控离合器1结合,电控离合器2断开,电机与行星架相联,该模式类似于Pri u s 的再生制动动能回收模式,由电机作为发电机将减速或制动的机械能转换成电能储存在动力电池内,并提供一个制动力矩给车轮,使车轮减速或静止下来。

驱动系统参数关系见(3)、(4)、(5)式。

(5)停车充电模式电控离合器1断开,电控离合器2结合,电机与齿圈相联,在整车静止状态下由发动机单独驱动发电机发电。

此外,电池还可以采用外接充电的方式进行充电。

以上仅就整车运行工况进行分析,驱动系统发动机或电机单独驱动的工作模式包含在上述运行工况内。

由上述可见,这种新型混合动力汽车的驱动系统可以完成Pri u s 驱动系统的全部工作模式,但结构较之简单,并且减少了发电机,整车成本大大降低。

这种双电控离合器结构使电机在连接上更加灵活,从而可以有非常灵活的控制策略。

3 整车控制策略控制策略解决的问题是在总的请求负荷给出后,根据当前各设备的状况,确定发动机和电动机应该如何工作。

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。

基于以上两种思路,具体的控制策略有很多,如发动机最优工作曲线控制、瞬时优化控制、全局优化控制、发动机恒定工作电控点等。

从理论上讲全局最优模式当然是最佳的,但是实现起来有一定的困难,因为对于实际的行驶路况是无法预料的,针对特定路况得到的最优并不适用于其它路况。

考虑到实用性和设计的方便性,该车采用发动机恒定工作点模式,使发动机工作在最优恒定的工作点,电机负责动态部分,避免了发动机动态调节带来的损失。

图3是整车控制流程图,整车控制系统根据从电池管理系统、电机管理系统、发动机EC U 和整车传来的各种信号来调整车辆在纯电动模式、混合动力模式和传统模式间切换。

图4是交流感应电机控制系统简图,图5是发动机ECU 输入/输出信号图,图6是蓄电池与相关部件控制框图。

图3整车控制流程图图4交流感应电机控制系统简图图5 发动机ECU 输入/输出信号图3.1 纯电动模式的选择当汽车动力电池SOC 大于某一设定值时,在驾驶员发出启动指令,汽车运行速度小于某一设定值,功率小于某一设定值等任一情况下,汽车工作于纯电动模式。

逻辑表达式如下:[P req [P 0]G (V req [V 0)]H (SOC \SOC 0)(9)式中,P req 为整车实际驱动功率,P 0为某一设定较低功率,V req 为汽车实际运行速度,V 0为某一设定较低速度,SOC 为动力电池当前储能状态,SOC 0为某一设定动力电池储能上限值,以下公式相同符号含义与此相同。

图6 蓄电池与相关部件控制框图3.2充电模式的选择当整车静止,SOC低于某一设定值时,或者汽车减速或制动,所需要功率为零时,工作于充电模式。

逻辑表达式如下:SOC<SOC1(10)P req[0(11)其中,SOC1为设定动力电池储能下限。

3.3混合驱动加速模式的选择当汽车所需转矩大于稳定调速模式下发动机能够提供的最大转矩并且此时动力电池SOC大于某一设定值时,汽车工作于混合驱动模式(加速工况)。

逻辑表达式如下:(T req\T1)H(SOC\SOC1)(12)式中,T1为设定在稳定调速模式下发动机最大转矩值,SOC1为设定动力电池储能下限。

3.4混合驱动调速模式的选择当汽车所需转矩小于设定稳定调速模式下发动机能够提供的最大转矩,并且SOC大于设定动力电池储能下限,小于某一设定动力电池储能上限值时;或者车速大于某一设定值,并且SOC小于设定动力电池储能下限需充电时,汽车工作于稳定调速混合动力模式。

逻辑表达式如下:(T req[T1)H(SOC1[SOC[SOC0)(13)或者(V\V1)H(SOC[SOC0)(14)其中,V1为汽车进入正常行驶状态的速度下限。

3.5传统模式的选择在满足混合驱动条件但是电池电量低于储能下限、或者汽车运行于正常行驶状况,蓄电池电量正常,但发动机工作于最佳效率区,此时汽车工作于发动机驱动模式。

逻辑表达式如下:(T req\T1)H(SOC[SOC0)(15) 4结语通过对Pri u s混合动力汽车驱动系统的研究,提出了一种新型混合动力汽车驱动系统的实现方案,该驱动结构能够实现混合动力汽车所要求的各项功能,比Pri u s驱动结构简单,降低了成本。

并基于该驱动系统设计出适合该车运行模式的发动机恒定工作点控制策略。

该控制策略可靠实用,对其更深层次的研究,需建立在进一步的仿真工作上。

参考文献1杨宏亮,陈全世等.混联式混合动力汽车控制策略研究综述.公路交通科技,20022何洪文.混合动力车辆驱动系统研究和控制策略分析.博士学位论文.北京理工大学,2003.13Yus uk eH ori,i J its u t ak a Tak eo,Yuta Susuk.i A H yb ri d E lec-tric Drive Syste m f or Low-Floor C i ty Bus,20024Seri al Con trol and C o mmun icati on s Veh icl e N et w ork.SAE J1939,2001.65Andre w Burke Insti tute of Trans portati on S t ud ies U n i vers it y ofC alif orn ia-Davis.Present Stat u s of t h e Em ergi ng H yb ri d-E lectri c andD i eselTechnol ogi es to Reduce CO2Em i ss i on of Ne w L i gh t-Du ty Veh-i cles i n Californ i a,2004.66郑荣良.混合动力型电动汽车发动机转速自动控制系统.江苏理工大学学报(自然科学版),2001A bstractOn the basis o f the dri v e configurati o n and the con tro l strategy of Prius o f Toyo ta,the rea lizati o n sche m e for a ne w type drive syste m o fHEV is presen-ted.I n the sche m e,t h e drive syste m consists of the p lanetar y gear train and e l e ctrica l clutch.Dur i n g the design process,the m ult-i wo r k i n g m odes o f the drive syste m and t h e contr o l strategy are m a i n l y d iscussed.。