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原文传递混联式HEV动力耦合机构特性及模式切换协调控制研究

论文题名：	混联式HEV动力耦合机构特性及模式切换协调控制研究
关键词：	混合动力汽车;动力耦合机构;模式切换;效率最优;干扰补偿
摘要：	混合动力汽车（HybridElectricVehicle，HEV）不仅继承了传统燃油车动力性强、巡航里程高等特点，还能够基于高效的动力耦合机构将不同的动力合理地耦合和分解，根据行驶工况在不同的工作模式之间进行切换，进而达到节能减排的效果。混联式HEV将传统的变速箱替换为名为“E-CVT”的行星齿轮耦合机构，发动机的输出功率可以通过动力耦合机构实现分流或者汇合，动力耦合系统已逐步成为目前HEV研究的一个前沿方向。HEV模式切换过程中动态协调控制会严重影响整车动力性和行驶平顺性，因此，本文选择一种典型的混联式HEV对其动力耦合机构特性及协调控制开展理论和应用研究。　　首先，选择一种典型的双行星排式混合动力系统构型，深入分析了动力耦合系统的动力学特性、功率分流特性及传动效率特性，确定该结构特性参数。依据车辆前向建模法和实验建模法搭建了发动机、电机等关键部件动态模型，并建立了基于杠杆模型原理的动力耦合机构瞬态模型和完整的混联式HEV切换模型，为后续的能量管理控制、动态协调控制提供稳态和瞬态模型。为了探究动力耦合机构模式切换瞬态冲击振动和噪声特性，进行了实车道路试验，分析了包括混合驱动工况和加速工况下模式切换时的振动加速度及噪声信号，揭示了非稳态工况下动力耦合系统模式切换时的振动噪声情况和瞬态切换特性规律，为设计合理的协调控制策略打基础。　　第二，深入分析了混合动力系统的综合传递效率，结合动态规划（DP）设计最优模式分配模块，将HEV能量管理问题转化为以整车传动效率为目标的各动力源转矩优化分配问题，设计了基于效率最优模型预测控制策略，进行了基于传动效率的最优控制，提高了车辆的燃油经济性，为HEV模式切换协调控制提供基础。　　第三，分析切换过程中系统稳定性影响因素，针对其复杂多变的工作模式，从降低整车模式切换冲击和抗干扰协调控制角度出发，设计了多变量改进型线性扩张状态观测器（MVILESO）估计发动机转矩干扰和行驶工况干扰，仿真分析了MVILESO估计精确性和稳定性，再结合发动机起动阶段模式切换规则，引入模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）算法，设计了模型预测控制器，构建了基于干扰观测器的模型预测动态协调控制策略，并仿真分析了可行性和有效性。考虑到发动发动机起动后阶段动力源受时变响应特性影响，再结合发动机转矩干扰和输出负载端干扰等影响，需要对电机、发动机转矩重新分配，找出了冲击度补偿规律，设计了“基础电机转矩补偿+干扰补偿转矩再分配”动态协调控制策略，通过MVILESO的精确估计和干扰补偿模块的转矩再分配算，使车辆实现了良好的车速跟踪适应性和切换过程平稳性。　　第四，建立了动力耦合系统的三维实体模型，将模型导入ADAMS中，并综合运用多体动力学理论和有限元法建立了刚柔耦合多体动力学模型，选择纯电动模式逐渐切换至混合驱动模式，将动力耦合系统动力源角加速度和齿轮啮合力特性作为仿真观测目标，揭示了双行星排齿轮机构的激励对动力耦合机构模式切换冲击振动的影响规律；研究上述动态协调控制策略下动力耦合系统模式切换过程中的动态特性，选择相应的观测对象，对动力耦合系统进行了多体动力学仿真，结果表明提出的动态协调控制策略对模式切换过程中车辆的振动噪声情况有良好地改善作用。　　最后，搭建了基于D2P的协调控制策略快速控制原型和NI实时仿真器的硬件在环实验平台，开展了基于传动效率预测的能量管理控制策略、基于MVILESO干扰估计的MPC及干扰补偿动态协调控制策略HIL试验研究，试验结果验证了本文提出的稳态能量管理策略及基于干扰观测下的“MPC+干扰补偿”动态协调控制策略可行性、实用性和优越性。
作者：	张红党
专业：	车辆工程
导师：	左言言
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022