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混合动力系统模式切换平顺性优化控制

贺春荣  
【摘要】:在新能源汽车产业发展的进程中,混合动力汽车凭借结构优势和相对成熟的技术积累,被认为是从传统内燃机汽车到纯电动汽车过渡的最切实可行的方案。混合动力汽车运行模式的多样性是发挥其系统优势的关键,但是不同模式间切换的平顺性问题会影响整车的动力性和驾乘舒适性,所以针对模式切换品质的优化控制技术具有很强的实用性和研究意义。本课题依托国家自然科学基金项目:《基于混杂系统理论的双行星排式HEV能量管理系统动态建模与优化控制研究》,针对一种同轴并联式混合动力汽车模式切换品质问题,引入模型预测控制算法来优化输出模式切换瞬间各动力部件的转矩,实现模式间平顺切换的控制效果。首先,对混合动力汽车从纯电动至联合驱动的模式切换协调控制问题进行了规划。从混合动力汽车动力耦合系统出发,分析了发动机、驱动电机和离合器在模式切换中的转矩输出特性或传递特性,着眼于发动机加入和退出驱动系统过程,确定离合器是影响模式切换品质的重要使能部件。在此基础上,制定了模式切换过程控制效果的评价指标,从切换时间、切换冲击度和离合器滑磨损耗方面来具体评估切换效果。其次,从整车控制出发,制定了稳态能量控制策略以实现混合动力系统对车辆需求转矩的识别、运行模式的选择以及各模式下的转矩分配。在充分了解模型预测控制算法原理和适用性的基础上,针对纯电动至联合驱动的瞬态切换过程,引入模型预测控制算法,用以协调模式切换瞬时的发动机、电机和离合器转矩。主要协调控制流程包括:建立面向离合器控制的模式切换离散化控制模型;系统在预测时域内的状态量和输出量计算;带约束的优化目标函数的制定和求解;优化输出的控制量在被控系统上的施加。最后,以一种同轴并联式混合动力汽车系统为原型,根据模式平顺切换的预期控制目标,基于MATLAB/SIMULINK和AVL/CRUISE环境搭建了混合动力车辆的联合仿真模型,作为验证整车性能和协调控制策略有效性的平台。基于所建的联合仿真平台执行了一系列的仿真实验,包括所设计模型预测控制策略和传统电机转矩补偿策略的对比仿真、对模型预测控制器预测输出情况的分析以及对算法适用性和敏感性方面的仿真测试。仿真结果显示,相较于传统电机转矩补偿策略,本文针对模式切换过程引入的模型预测协调控制策略能够取得更好的控制效果,在模式切换冲击度、滑磨功和切换时间等评价指标上都有更优表现;针对协调控制算法输出特性的仿真结果表明,模型预测控制器能快速实现对参考信号的跟踪,体现算法的有效性和实时性;而针对模式切换阈值和发动机、电机转矩变化率权重系数的敏感性测试,为系统的稳定运行提供了准确的参数设定。


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