两档双离合器自动变速器的纯电动汽车传动系统协调控制技术研究

【摘要】：纯电动汽车以行驶噪声低、零排放、所依靠的电能来源广泛等优点，被视为新一代汽车发展的必然趋势，受到人们的广泛关注，成为当前研究的热点技术之一。 双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmission）通过装在两个轴上的离合器相互切换，实现无动力中断换档，同时具有传动效率高的优点，能够提高车辆行驶经济性以及动力性，是一种目前业内较为看好、应用前景广阔的新型变速器。 结合以上技术背景，本文将两档双离合器自动变速器搭载至纯电动汽车，以传动系统协调控制技术为核心，就如何建立纯电动汽车传动控制系统、制定传动系统协调控制的两档DCT换档规律、优化传动系统换档过程协调控制策略，进行深入研究，以期提高纯电动汽车的行驶经济性和换档品质。本研究对于新能源汽车技术的发展具有积极的意义。 本研究的主要内容及其成果如下： (1)结合国家标准与本研究电动汽车的设计目标，对纯电动汽车动力传动系统的动力电池、驱动电机和变速器的参数进行综合匹配设计，建立了研究平台。通过对动力电池容量、驱动电机功率和变速器速比等关键参数进行多方面的比较和分析，确定两档双离合器变速器电动汽车动力传动系统的各项参数；并建立了包含车辆动力学模型、变速器档位决策模块、动力电池模型、驾驶员模型等的整车仿真模型，进行ECE、ECE_EUDC循环工况和等速工况仿真测试，结果表明按照本研究方案装备的车辆在对目标车速的跟随性、加速性和续驶里程方面均可满足国家标准和设计目标要求；通过实车试验，验证车辆的行驶经济性、爬坡性和加速性均可满足国家标准和设计目标要求。 (2)对于装备双离合器变速器的纯电动汽车，控制传动系统中的双离合器变速器与驱动电机，使之能够对主控制逻辑发出的协调控制指令做出准确、快速的响应是纯电动汽车传动系统协调控制技术的重要内容。在对DCT控制系统研究中，通过构建干式双离合器转矩传递的数学模型，建立离合器转矩传递与离合器分离轴承位移之间的关系；使用神经网络预测控制(NNPC)方法，结合比例流量阀模型，对离合器液压换档机构的分离轴承位移进行预测控制，使分离轴承位移能够跟随目标位移，进而实现离合器传递转矩对传动系统主控逻辑制定的目标转矩的跟随。在电机控制系统中，设计电机CAN通信控制器，使电机能够响应传动系统的主控制逻辑指令。通过上述研究，为电动汽车传动系统协调控制搭建了基础平台。 (3)换档规律是纯电动汽车传动控制系统主控逻辑的核心内容之一。它决定着换档操作的路线，对于传动系统协调控制的换档规律而言，它同时制定了当前加速踏板下的电机输出转矩。本文在传统汽车换档规律基础上提出电动汽车的三种基本换档规律的制定方法，即动力性换档规律、经济性换档规律，以及利用动力性系数来判断驾驶员意图倾向的综合性换档规律。针对综合性换档规律不能完全兼顾动力性与经济性的问题，本文尝试引入传动系统协调控制的DCT换档规律。在该换档规律下，加速踏板开度信号不再直接控制电机动力输出，而是解析为车辆的需求驱动转矩，将需求驱动转矩作为换档规律的输入，在满足当前驱动转矩的前提下，通过电机输出转矩与变速器档位的组合使电机具有最佳工作效率，提高车辆行驶经济性。通过对综合性换档规律与传动系统协调控制的DCT换档规律进行ECE循环工况仿真对比分析，发现后者比前者的电机驱动效率提高8.4%，表明车辆行驶经济性得到改善。 (4)能够平稳、快速的进行档位变换是纯电动汽车传动系统协调控制需要解决的另一个关键问题。对于装备双离合器变速器的电动汽车而言，换档过程需要解决两个主要问题：一是如何控制两离合器和电机的输出转矩跟随目标转矩，研究内容(2)中已经对该问题进行了研究；二是如何规划切换过程中两离合器传递的目标转矩和电机输出的目标转矩，使变速器与电机间相互协调配合，达到较好的换档品质。因此，本文进一步对基于DCT的纯电动汽车传动系统换档过程协调控制策略进行研究。在分析传统换档品质评价指标基础上，建立以冲击度和滑摩功的加权和形式、以电机和两离合器的动力学参数作为输入变量的综合性换档品质评价指标，并结合对升、降档过程的动力学分析，建立各换档工况下两离合器及电机动力参数变量间关系的动力学模型。在此基础上，提出基于粒子群优化算法的传动系统换档过程协调控制策略，改善装备两档DCT的纯电动汽车换档品质。 (5)为了验证两档DCT的纯电动汽车传动系统换档过程协调控制策略，本文进行正转矩升、降档实车试验，并将试验结果与传统换档策略进行比较分析。试验结果表明，本文提出的传动系统协调控制换档策略下的换档冲击小，舒适性较好，换档时间较短，滑摩功亦处于可以接受的范围，换档品质得到改善。 本文在以下几方面具有创新性： (a)针对双离合器自动变速器控制，提出了基于神经网络预测控制(NNPC)的分离轴承位移控制方法。试验表明，使用该控制方法，离合器的分离轴承能较好的实现对目标位移的跟随。 (b)提出并制定了基于纯电动汽车传动系统协调控制的两档DCT换档规律，使车辆在获得动力性同时，改善车辆行驶经济性。仿真结果表明，该换档规律比普通综合性换档规律的电机驱动效率提高8.4%。 (c)针对搭载DCT的纯电动汽车，提出了基于粒子群优化算法的传动系统换档过程协调控制策略，为换档过程控制中驱动电机和离合器目标转矩的确定提供了一种新的计算方法。试验结果表明该控制策略能够改善车辆换档品质。 (d)在对传动系统换档过程协调控制策略的优化过程中，使用傅里叶基向量分解方法将对驱动电机输出转矩和两离合器输出转矩三者的时间轨线优化问题转换为参数优化问题，使粒子群优化算法适用于换档过程协调控制策略的优化。 【关键词】：纯电动汽车 双离合器自动变速器 传动系统协调控制 换档规律 换档过程控制策略
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U463.212
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 研究背景与意义15-16
• 1.2 纯电动汽车传动系统的研究现状16-17
• 1.3 双离合器自动变速器概述17-20
• 1.3.1 双离合器自动变速器发展现状17-19
• 1.3.2 两档双离合器变速器结构与工作原理19-20
• 1.4 本文研究的内容20-21
• 1.5 本文的技术路线21-23
• 第2章 基于两档 DCT 的纯电动汽车传动系统的参数选择23-49
• 2.1 电动汽车行驶性能要求及基本参数23-24
• 2.1.1 电动汽车行驶性能要求23-24
• 2.1.2 电动汽车基本参数24
• 2.2 传动系统的参数选择24-37
• 2.2.1 电池参数选择24-27
• 2.2.2 驱动电机参数选择27-31
• 2.2.3 变速器参数选择31-37
• 2.3 传动系统参数选择结果对整车性能影响的仿真分析37-46
• 2.3.1 仿真模型的建立37-42
• 2.3.2 传动系统参数匹配结果仿真与分析42-46
• 2.4 传动系统参数匹配实车试验46-48
• 2.4.1 行驶经济性试验46
• 2.4.2 坡道爬坡试验46-47
• 2.4.3 加速试验47-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 两档 DCT 纯电动汽车传动控制系统49-89
• 3.1 纯电动汽车传动控制系统的组成49-50
• 3.2 两档 DCT 的控制系统50-85
• 3.2.1 干式双离合器转矩传递模型50-61
• 3.2.2 两档 DCT 液压换档机构的控制61-78
• 3.2.3 DCT 控制系统的硬件组成及原理78-82
• 3.2.4 DCT 的液压换档机构控制试验与分析82-85
• 3.3 电动汽车驱动电机的控制系统85-87
• 3.3.1 电机驱动器及接口定义85-86
• 3.3.2 电机 CAN 通信控制器86-87
• 3.4 本章小结87-89
• 第4章 纯电动汽车传动系统协调控制的两档 DCT 换档规律89-105
• 4.1 纯电动汽车的 DCT 基本换档规律89-96
• 4.1.1 动力性换档规律的制定90-93
• 4.1.2 经济性换档规律的制定93-94
• 4.1.3 综合性换档规律的制定94-96
• 4.2 纯电动汽车传动系统协调控制的 DCT 换档规律96-101
• 4.2.1 综合性换档规律局限性与传动系统协调控制 DCT 换档规律思想96-98
• 4.2.2 加速踏板开度与车辆动力输出关系的制定98-99
• 4.2.3 传动系统协调控制换档规律的制定99-101
• 4.3 制动能量回收模式中换档规律的制定101-102
• 4.4 综合性换档规律与协调控制 DCT 换档规律的仿真比较分析102-104
• 4.5 本章小结104-105
• 第5章 基于 DCT 的纯电动汽车传动系统换档过程协调控制策略与换档试验105-143
• 5.1 换档品质评价指标105-108
• 5.2 DCT 换档过程动力学模型108-116
• 5.2.1 升档工况动力学分析109-112
• 5.2.2 降档工况动力学分析112-116
• 5.3 基于粒子群优化算法的传动系统换档过程协调控制策略116-134
• 5.3.1 粒子群优化算法简介116-119
• 5.3.2 粒子群优化算法在传动系统换档过程协调控制策略中的实现119-124
• 5.3.3 传动系统协调升档策略中粒子群优化算法的目标函数及约束条件124-127
• 5.3.4 传动系统协调降档策略中粒子群优化算法的目标函数及约束条件127-130
• 5.3.5 优化结果与分析130-134
• 5.4 两档 DCT 传动系统协调换档过程试验与分析134-141
• 5.4.1 试验车辆与试验方法134-136
• 5.4.2 数据采集与处理136-137
• 5.4.3 试验结果与分析137-141
• 5.5 本章小结141-143
• 第6章 全文总结143-147
• 6.1 本文研究内容与成果143-144
• 6.2 本文创新点144-145
• 6.3 展望145-147
• 参考文献147-153
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目153-154
• 致谢154

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