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原文传递基于机电转矩耦合特性分析的混合动力模式切换协调控制的研究

论文题名：	基于机电转矩耦合特性分析的混合动力模式切换协调控制的研究
关键词：	混合动力汽车;行驶过程;模式切换过程;动态冲击度;控制策略
摘要：	在汽车产业升级转型的背景下，汽车的研发重心逐步向节能、减排的方向倾斜，但是纯电动汽车受到电池发展的限制，在应用过程中还存在较大阻力，而混合动力汽车采用了双动力装置，具有多个行驶模式，低速时可以在纯电动模式下行驶，中高速可以在发动机驱动模式或者混合驱动模式下行驶，可以减少发动机在非经济油耗区工作的机会，既能实现节能减排，又满足了长距离行驶的需求，被认为是当前最具有发展潜力的节能汽车。本文依托国家重点研发计划“新能源汽车”专项子课题、国家自然科学基金江苏省六大人才高峰项目，研究一种功率分流式混合动力汽车的模式切换过程。　　混合动力汽车在行驶过程中会随着负载的变化进行模式切换，但是切换过程是一个动态过程，该过程涉及两个动力源转矩的切换。由于发动机和电机的响应速度不同以及发动机的非线性特性，模式切换过程中，电机能够迅速响应并跟踪目标转矩，而发动机转矩响应存在迟滞，无法快速准确的跟踪目标转矩，导致动力系统输出的转矩会有较大波动，从而产生冲击，影响汽车行驶平顺性。为了减小波动，降低模式切换过程中的动态冲击度，本文主要从以下内容开展工作：　　（1）基于一种功率分流式混合动力汽车，分析其动力耦合系统的结构。建立传动系统的转矩和转速平衡方程，探讨了发动机和两个电机的转矩和转速关系。并根据行驶过程中负载的变化，进行工作模式的划分，然后分析车辆的两个主要驱动模式：纯电动模式和混合驱动模式，并分析这两个模式的能量流动和转矩转速特征。　　（2）建立混合动力汽车整车动力学模型。根据能量流在模型中的流动方向和信号的传递方向，建立整车前向仿真模型。并根据行星齿轮的耦合特性建立行星齿轮扭转动力学模型，分别根据纯电动模式和混合驱动模式的耦合特点，推导对应的机电耦合扭转振动方程的无量纲形式，以用作下文的扭振分析以及混沌阈值的确定。　　（3）基于机电耦合分析的混合动力汽车工作域优化。混合动力汽车工作在不同工作模式时，其传动系统的机电耦合特性存在较大差距。建立纯电动和混合驱动模式下机电耦合的非线性动力学方程，并进行扭转振动分析。运用多尺度法求解动力学方程，并绘制幅频响应曲线，根据曲线研究负载、发动机机械输入激励和电机电磁激励对传动系统机电耦合扭转振动影响。求解并分析无扰动Hamilton系统平衡点将扰动项添加到Hamilton系统后，通过Melnikov方法求解纯电动模式和混合驱动模式下的混沌阈值，以此得出发动机和电机在两个驱动模式下的工作域优化方案：车辆处于纯电动模式行驶时，由电机MG2提供驱动车辆行驶的转矩，电机MG2的转矩TMG2≤74N·M。车辆处于混合驱动模式行驶时，由电机MG2和发动机同时提供驱动转矩，电机MG2提供的转矩TMG2≤63N·M，其余部分的驱动转矩由发动机提供，发动机在保证系统不出现混沌现象应控制发动机的转速范围为1500rpm≤nE≤4237rpm。　　（4）根据所提出的工作域优化方案，对模式切换过程进行协调控制。针对发动机动态响应滞后的问题，设计了发动机实时转矩估计器，并通过电机转矩补偿降低了动力耦合输出端的转矩波动。利用Matlab/Simulink软件平台进行仿真验证，仿真结果表明，整个切换过程基本控制在0.4秒左右，切换过程能够迅速完成。虽然控制前后在模式切换过程中车速差都能在合理范围内，但是控制后的模式切换过程中车速跟踪误差波动较小，车速跟踪情况更好。而且所提出的转矩补偿控制策略能有效减少模式切换过程中的冲击度，最后基于D2P平台进行控制策略快速原型的开发，验证控制策略的有效性，由于协调控制策略的参与，整个模式切换过程平顺性极大增强，在转矩发生突变的阶段能够较好地控制产生的冲击度的大小，车辆的最大正向冲击度由控制前的10.16m/s3降为控制后的4.46m/s3，最大负向冲击度由控制前的-20.05m/s3降为控制后的-6.08m/s3，而且冲击度持续时间和波动范围大幅度缩减，波动范围由控制前的36.21m/s3降为控制后的10.81m/s3，极大地减小了切换过程中的最大纵向冲击度。
作者：	窦磊
专业：	车辆工程
导师：	蔡英凤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021