基于CVT的四轮驱动混合动力汽车传动控制策略研究

【摘要】： 近年来,随着汽车工业的高速发展,资源短缺与环境污染日益严重,由于纯电动汽车短时间内在其长寿命、大容量电池等关键技术上难以突破,混合动力电动汽车将在相当长时间内发挥其独特优势。为了改善轻型SUV(Sport Utility Vehicle)汽车的燃油经济性和动力性能,本文提出了一种基于无级变速器(CVT)的四轮驱动混联式混合动力汽车系统结构方案,对四驱混合电动汽车整车传动控制策略相关技术进行了深入分析和研究。 首先通过计算分析,确定了包括驱动和能源部件的参数设计和选型、关键零部件的选择及设计,以及所有部件在整车中的安装布置。同时基于Matlab/Simulink平台系统,采取理论建模为辅,试验建模为主的方法建立起CVT混联式四驱混合动力整车传动系统正向仿真模型,该模型既可以用驾驶员的转矩或功率需求作输入,也可将循环工况转化为驾驶员需求,所建模型可用于分析评价不同的设计方案和控制策略的优化,也可为实车控制策略的开发建立仿真分析平台。 在分析了传统混合动力典型运行模式基础上,根据CVT混联式四驱混合动力整车动力总成系统结构特点,对包括驻车发电、电力变矩、纯电动、混合驱动等多种运行模式进行分类并分别进行详细的动力学分析,建立起各个运行模式下转矩、转速在传动过程中的变化规律和实现模式切换的发动机、电机及离合器控制规则。 根据动力总成控制系统结构特点,以发动机、电机稳态效率图和电池充放电效率曲线为依据,并基于发动机效率曲线和等功率及等转矩曲线,求得发动机高效工作区的功率门限Pe _min、Pe _max以及转矩门限Te _min、Te _max。然后根据驾驶员对施加在车轮上的驱动需求(其中低速以驱动转矩为参考量,高速以驱动功率为参考量)、车速、电池SOC等,通过不同的逻辑门限参数区分混合动力系统在不同模式间切换的规律,通过离合器和电机系统协调控制,提出了保证模式切换的平顺性的控制方法。并以混合动力系统综合效率最大化为原则确定了不同运行模式下的最佳工作曲线,以及前后电机、发动机转矩及CVT速比及夹紧力在不同模式下的控制方法。基于Matlab/Simulink平台的仿真研究表明,这种根据整车运行工况并综合了转矩及功率需求为控制变量的多参量逻辑门限能量管理策略,能实现运行模式的合理切换,在不降低车辆动力性能的前提条件下,非常有效的降低混合动力汽车的燃油消耗,并保持电池SOC的基本稳定。 以瞬时优化理论为基础,从等效燃油消耗量的思想出发,建立了四驱混联电动汽车在充?放电模式下的等效模型。在控制发动机工作于最佳燃油经济区的基础上,以有效燃油消耗率为优化目标函数,寻求出整车燃油消耗量最小时的理想操作线,理想操作线决定了发动机和各个电机的最佳控制值。并以此优化计算结果为基础,制定了模糊控制规则,仿真结果表明:基于瞬时优化的模糊控制策略能有效提高混联式混合动力汽车燃油经济性。 针对基于CVT的四驱混联式电动汽车的模式切换问题进行了较深入的研究。通过发动机、电机和离合器的协调控制,提出可使系统快速响应以及在模式切换时平稳的控制要点。 同时开发了基于CAN总线的多能源动力总成控制硬件系统,搭建完成了多能源动力总成半实物试验台架,并对CAN总线网络通讯、电子节气门系统、整车运行模式及模式切换等进行试验,最对改装后的混合动力汽车进行标定与匹配工作,并完成整车的动力性、燃油经济性试验。实验结果表明:改装后的混合动力汽车整车0~100km/h加速时间较原始车型减少3秒,燃油经济性提高约8%。同时整车模式切换较为平稳,没有明显冲击感觉。 【关键词】：混联式 无级变速器(CVT) 传动控制策略 四驱越野车 燃油经济性优化 模式切换 试验研究 混合电动汽车
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：U463.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-29
• 1.1 混合动力技术简介及国内外研究动态14-20
• 1.1.1 混合动力汽车技术简介14-17
• 1.1.2 混合动力电动汽车国内外研究动态17-20
• 1.2 国内外基于CVT 的混合动力汽车的结构特点及研究现状20-25
• 1.3 混联式混合动力汽车传动控制策略研究现状25-27
• 1.4 本文主要研究内容及课题来源27-29
• 第2章 四驱混合动力整车系统结构与部件建模29-47
• 2.1 整车系统结构方案及动力参数计算29-31
• 2.1.1 整车驱动结构及布置方式29-30
• 2.1.2 动力参数计算30-31
• 2.2 系统建模概述及整车模型构架31-33
• 2.3 四驱混合动力系统部件建模33-46
• 2.3.1 驾驶工况模型33-34
• 2.3.2 发动机模型34-37
• 2.3.3 镍氢电池模型37-39
• 2.3.4 电机模型39-41
• 2.3.5 CVT 及行星传递机构模型41-43
• 2.3.6 驾驶员模型43-44
• 2.3.7 车辆动力学模型44-45
• 2.3.8 附件模型45-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第3章 四驱混合动力传动系统运行模式分析47-64
• 3.1 混合动力典型运行模式分析47-50
• 3.1.1 串联混合动力总成的模式分析47-48
• 3.1.2 并联混合动力典型模式分析48-50
• 3.2 四驱混合动力传动系统结构及动力耦合特性分析50-54
• 3.2.1 驱动系统结构50-51
• 3.2.2 整车驱动模式及能量流动关系51-53
• 3.2.3 动力耦合系统转速合成关系53
• 3.2.4 动力耦合系统转矩合成关系53-54
• 3.3 各挡位运行模式分析54-60
• 3.3.1 P 挡（驻车挡）、N 挡（空挡）运行模式54-55
• 3.3.2 R 挡（倒挡）运行模式分析55-57
• 3.3.3 D 挡运行模式分析57-60
• 3.4 过渡模式运行分析60-62
• 3.4.1 纯电动模式切换到发动机模式60-61
• 3.4.2 纯电动模式向电力变矩切换模式61-62
• 3.4.3 电力变矩模式向发动机模式切换62
• 3.5 各模式间转换关系62-63
• 3.6 本章小结63-64
• 第4章 基于逻辑门限的整车控制策略研究64-89
• 4.1 引言64-65
• 4.2 基于CVT 的混合动力汽车传动控制原理65-69
• 4.2.1 基于CVT 的混合动力汽车发动机运行工况分析65-67
• 4.2.2 基于CVT 混合动力汽车节能潜能67-69
• 4.3 混联式整车综合传动控制策略实现方法69-81
• 4.3.1 门限参数选择70-72
• 4.3.2 运行模式判别及转矩分配72-76
• 4.3.3 各模式下CVT 控制策略76-81
• 4.4 仿真分析81-88
• 4.5 本章小结88-89
• 第5章 燃油经济性瞬时优化控制策略研究89-105
• 5.1 引言89-90
• 5.2 混合动力汽车优化控制目标90-91
• 5.3 最佳燃油经济优化模型建立91-95
• 5.3.1 充电状态下的等效模型92-94
• 5.3.2 放电状态下的等效模型94-95
• 5.4 优化目标函数和边界条件95-97
• 5.5 优化结果与讨论97-99
• 5.6 基于瞬时优化的模糊逻辑控制策略研究99-104
• 5.6.1 基于模糊逻辑的控制系统结构99-100
• 5.6.2 隶属函数100-103
• 5.6.3 推理规则及校正模块103-104
• 5.6.4 仿真结果104
• 5.7 本章小结104-105
• 第6章 四驱混合动力的模式切换协调控制研究105-116
• 6.1 混联式混合动力汽车动态协调问题的研究范围105-107
• 6.2 混合动力汽车动态协调问题的研究现状107-108
• 6.3 评价指标108-109
• 6.4 四驱混合动力运行模式平顺性切换策略分析109-115
• 6.4.1 无离合器分离模式切换过程分析109-111
• 6.4.2 有离合器分离模式切换过程分析111-115
• 6.5 本章小结115-116
• 第7章 试验研究与验证116-127
• 7.1 整车硬件系统平台构成116-119
• 7.1.1 整车硬件系统结构116-118
• 7.1.2 整车控制系统硬件系统构成118-119
• 7.2 四驱混合动力系统半实物台架试验119-125
• 7.2.1 CAN 总线网路系统调试120
• 7.2.2 电子节气门调试120-121
• 7.2.3 CVT 速比及夹紧力控制121
• 7.2.4 工况模拟试验121-125
• 7.3 控制策略的实车试验结果125-126
• 7.4 本章小结126-127
• 结论127-130
• 参考文献130-137
• 附录A 攻读博士期间发表的论著目录137-138
• 附录B 攻读博士期间参与的项目138-139
• 附录C 部分试验仪器及设备139-141
• 致谢141

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