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原文传递单电机多模式混合动力系统的架构设计分析与模式切换研究

论文题名：	单电机多模式混合动力系统的架构设计分析与模式切换研究
关键词：	混合动力汽车;双行星排四离合器;单电机混合动力;反馈补偿;最优控制
摘要：	混合动力汽车（HEV）具有燃油效率高，动力性能好，续驶里程长等优点，是目前最具发展潜力的新能源汽车。然而，电驱动系统及动力耦合机构的复杂性增加了开发成本并降低了系统可靠性，成为发展混合动力汽车的两大阻碍。因此，开发一种技术继承性好、性能稳定可靠的高效混合动力系统对于HEV的推广具有重要意义。　　本文设计了一种新型的采用双行星排四离合器进行动力耦合的单电机混合动力系统架构，并展开了一系列研究工作，通过对比仿真和全局优化，实现了对燃油经济性能的分析评价；通过多阶段反馈补偿和最优控制，实现了典型模式切换的动态协调控制，并完成了混合动力控制器开发和台架试验验证。　　综合分析国内外的混合动力架构，可以分为双电机方案和单电机方案。针对现有双电机方案电驱动系统复杂且能量转换损失大的问题，以及采用自动变速器的单电机方案只能实现单自由度调节的弊端，本文采用递进式六步设计法，设计了一种新型的采用双排行星齿轮及四离合元件进行动力耦合的单电机混合动力系统架构，可沿用自动变速器的零部件，易于实现，稳定可靠。该系统具有16种工作模式，可实现发动机动力的纯机械路径传递，且具备连续调节发动机扭矩或转速的功能。本文剖析各种工作模式，匹配动力系统的主要参数，并采用“即插即用”式的模块化建模方法，在MATLAB/Simulink环境下建立了动力学模型，搭建了仿真分析和控制研究的关键开发平台。　　经济性是评价混合动力系统的首要指标，本文以提高燃油经济性为目标，开发出由“模式选择”模块和“扭矩分配”模块组成的实时控制策略，并联合已经建立的模型，在国内外多种典型工况下进行了所设计单电机方案与典型双电机方案的对比仿真，结果表明二者油耗彼此接近。提出了一种混合动力汽车燃油经济性能对比的定量分析法，得到了二者经济性能具有可比性的原因。此外，采用改良的动态规划算法对综合工况下的油耗进行全局优化，结果为3.66L/100km，进一步验证了所设计方案的节油潜力，与实时控制油耗结果3.94％的微小差异证明了所设计实时策略的优异控制效果。　　驾驶性能是混合动力系统性能的另一重要指标，本文选取对驾驶性能影响最为显著的两类模式切换进行控制研究。针对“纯电到混合”模式切换过程中单电机方案发动机启动慢及离合器滑摩到结合瞬间冲击度大的问题，提出了一种分阶段设计子控制系统，并采用模糊增益调节P ID作为扭矩控制反馈补偿器的4阶段协调控制方法；针对“混合到混合”模式切换过程，采用最优控制方法，在保证响应速度的前提下，对冲击度和离合器磨损指标进行了控制优化。闭环仿真和台架试验结果显示，所设计控制方法可以保证驾驶平稳性，提高模式切换响应速度，并降低离合器磨损，实现了预期控制效果。　　此外，本文应用德国ETAS的开发工具，开发出基于Infineon XE166高速芯片的整车控制器。基于ETAS-LABCAR的硬件在环试验结果与仿真结果十分接近，表明该控制器较好的实现了所设计的实时控制策略。文章最后搭建了试验台架，完成了基本工作模式的实现试验，并进行了模式切换控制的验证试验，试验结果表明，所设计协调控制方法实现了预期控制目标，具有较好的实用性。
作者：	朱福堂
专业：	车辆工程
导师：	殷承良;陈俐
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文