在混合动力电动公交车的动力转换期间离合器，发动机和电动机的扭矩协调
Chen, G. Xi
机械工程学院汽车电子与控制 上海交通大学国家重点实验室，上海，200240
电子邮件：li.h.chen@sjtu.edu.cn
摘要：理想的运行性能要求串并联混合动力电动汽车在串联和并联运行模式之间平稳过渡。离合器广泛应用于串联并联混合动力电动车辆以连接或断开动力系部件。由于离合器摩擦特性的不连续非线性效应，难以实现具有很小摩擦耗散的平滑过渡。因此，期望考虑摩擦不连续性以改善混合动力电动车辆的模式转换性能。在本文中，开发了一种基于超稳定性理论的模型参考自适应控制方案，以协调后传动配置的混合动力电动公交车的离合器，发动机和电动机的转矩。值得强调的是，通过小的摩擦力矩控制离合器快速平稳地接合，这直接有助于小的急动和很小的摩擦耗散。模拟和实验的结果表明，与传统操作相比，车辆颠簸和摩擦耗散都大大降低。验证了所提出的自适应控制方案的有效性。
1. 前言
串联混合动力电动汽车（SPHEV）与标准电动汽车相比可以提高效率并减少排放，因为它们可以同时使用串联和并联能源管理策略。 所以，车辆可以适应各种驾驶条件。 为了获得良好的性能，必须平滑地执行SPHEV的不同操作模式之间的转换。
近年来，已经研究了用于耦合串联和并联功率流的各种机制。 这些方法包括行星齿轮[1,2]，无级变速器[3]，带离合器的开关动力系[4,5,6]。 由于它们的高效率，小空间要求和传统变速器的结构演变，离合器广泛用于SPHEV的新型耦合器单元
一种配置是图1中描绘的变速器后SPHEV，其中集成的起动机和发电机（ISG）以及牵引电动机（TM）被添加到动力系。 在仅电机驱动模式中，离合器分离，并且牵引电机仅使用来自电池的电力来驱动车辆。 在并行驱动模式中，离合器接合，牵引电动机与发动机一起驱动车辆。 据估计，该SPHEV的能源管理策略将使中国公交车的理论燃油消耗降低30.3％[5]。 然而，许多实验表明，除非经过精心控制，否则从仅电机到并联驱动的模式转换可能会对驱动器造成干扰。 干扰就像强烈的冲击，超速发动机和离合器片的过度摩擦。 这也被证明是具有类似配置的其他混合动力车辆中的严重问题[8]。
离合器脱开
发动机
变速器
逆变器
电池
离合器脱开
变速器
发动机
电池
逆变器
- 仅电动机驱动模式（b）并联驱动模式 图1 SPHEV的体系结构
为解决模式转换问题，已采用模型预测控制方法来调节电机和离合器的扭矩[9]。 针对一类切换混合动力系统，提出了一种基于状态空间划分的子域控制器。 仿真结果表明，离合器啮合特性对于提高模态转换的平滑性具有重要意义。 然而，一些现有解决方案基于启发式技术，而其他解决方案没有明确表达离合器涉及过渡中的建模和控制。
基于考虑离合器非线性摩擦特性的数学模型，本文提出了一种模型参考自适应控制（MRAC），以获得SPHEV几乎没有摩擦耗散的平滑过渡，如图1所示。在仅电机驱动模式下，牵引电动机扭矩影响车辆的纵向动力学。在并行驱动模式中，转换马达扭矩与发动机扭矩一起影响车辆动态。因此，模式转换的功能是通过受控的离合器扭矩将发动机扭矩引入传动系。由于模式转换不应该干扰车辆动力学，因此预期车辆将如同仍处于仅电机驱动模式一样运行。从控制的角度来看，应该协调离合器，发动机和牵引电动机的三个转矩，以使车辆在仅电动机驱动模式下跟踪其动态。这种扭矩协调非常适合模型参考自适应控制，这是一种很好的方法，并已被许多研究人员使用[10,11,12]。在模型参考自适应控制系统中，工厂的期望性能由参考模型表示，该参考模型给出对命令信号的期望响应。因此，通过修改参考模型，设计者在改变目标方面获得了相当大的灵活性。因此，MRAC可以克服其他控制算法遇到的挑战，因为它们具有预定义的恒定目标。
在MRAC架构下，构建参考模型以描述仅电机驱动模式的期望传动系动态。 基于Popov超稳定性理论[13]分析MRAC的稳定性。 使用实际动态状态和参考状态之间的状态误差来调节自适应控制器。 MRAC方法应用于SPHEV总线。 所提出的模拟和实验结果验证了MRAC的有效性，并与传统控制方法的结果进行了比较。
2动态模型
在SPHEV模式转换期间涉及离合器接合的车辆传动系统可被视为多体系统。 出于简化的目的，忽略了用于减少振动和冲击的离合器的阻尼和弹性元件，并且假设离合器组件的所有部件都以集中质量的形式存在[14]。 动态模型如图2所示 ，其中：是轴A的总惯性力矩，包括曲轴，飞轮，集成的起动器和发电机，以及离合器的压板; 是轴B的总惯性矩，包括车身，牵引电动机，齿轮箱和离合器的摩擦片;是轴A的角速度，也是发动机转速; 是轴B的角速度，与车速成比例; 是施加到轴A的驱动扭矩，其等于发动机扭矩; 是离合器摩擦力矩; 是转矩电动机转矩;是抗扭矩包括道路，坡度和风阻
轴B
轴A
图2. SPHEV动力传动系统的动态模型，模式转换中的通用动力学方程SPHEV动力传动系统可写为：
等式（1）表示轴A的动力学，等式（2）表示轴B的发动机扭矩，发动机扭矩可以表示为节气门开度和角速度的函数公式，可以表示为，工作量和从牵引电机到轴B的齿轮比的函数公式。阻力矩可以表示为车辆质量，道路阻力系数，轴B的角速度，变速箱的齿轮比，最终传动比和轮胎半径的函数。
当离合器的摩擦片相互接触时，表示为，应用如图3的经典的库仑摩擦模型，其中是正常的压力，是滑动摩擦系数，是与离合器几何参数相关的常数。
当，摩擦处于滑动阶段，在这个阶段，的方向取决于和的角速度差，的大小等于和的乘积。
当，摩擦处于粘着阶段，在这个阶段，受和的乘积的影响，它的方向和大小随着整个动力传动系统的动力学而变化。
粘着阶段
滑动阶段
滑动阶段
图3库仑摩擦模型
当离合器的摩擦片不接触时，并且离合器处于脱离阶段，表示为，在该阶段不产生摩擦扭矩。
通常，离合器相位从分离转变为滑动，然后在研究的模式转换中顺序地粘附。可以看出，在三个阶段中具有分段表达式，因此，可以针对每个分段重写动态等式（1）和（2）。
在脱离接触阶段
在这个阶段，轴A和轴B是分开的，，从而，独立适用于轴A，独立适用于轴B，相应的动力学方程改写为：
在滑动阶段
在该阶段，动力学方程与方程（1）和（2）中的相同。 根据库仑摩擦模型，具有以下表达式：
在粘着阶段
方程（1）和（2）的组合产生：
的最大值受限制如下：
其中s是粘附阶段的摩擦系数。 粘附阶段的不是一个独立的变量，由公式（1），（2）和（6）中的其他三个扭矩决定。
仅电机驱动模式的车辆动力学被视为参考模型。 动态方程是：
3模型参考自适应
Popov超稳定性定理[13]是稳定性分析和非线性反馈系统自适应控制器设计的基础。 与不必要复杂的Lyapunov函数相比，它具有广泛的应用潜力。 在以下部分中，基于Popov超稳定性定理设计MRAC模型，用于在操作模式转换期间的扭矩协调。
A波波夫超稳定性定理
反馈系统如图4所示。状态线性系统的方程如下：
图4.闭环反馈系统
其中x是状态向量，u和y分别是输入和输出向量。 A，B，C和D是具有相应尺寸的常数矩阵。 对A，B是完全可控的，A，C是完全可观察的。 这里，y和w分别是反馈控制块的输入和输出。 Popov积分不等式定义为：
当，是一个正常数，它仅取决于系统的初始状态，并且与积分上限无关，
对于满足（12）中的不等式的反馈控制块，保证图4中系统稳定性的必要和充分条件是传递函数是正实数。
其中s是拉普拉斯算子，I是单位矩阵。 实函数f（s）严格正实的充分必要条件是：
实函数f（s）在右半平面上没有极点。
对于任意的，，不等式成立。
B MRAC设计
引入了以下状态变量：
假设计划的输入是：
计划的输出是：
通过分别使用三相的动力学方程导出状态方程。
在脱离接触阶段，存在该状态方程可以写成：
相应的输入输出方程是：
在滑动阶段，状态方程可以写成：
相应的输入输出方程是：
在粘着阶段，由于（8）中表达的物理特性，不是一个独立的输入。 状态方程可以写成：
输入输出方程是：
三个阶段的输入输出方程可归纳为：
根据参考模型的动力学方程（9），假设状态变量，状态方程可以通过以下公式导出：
假设参考模型的输出，输入输出方程是：
该多输入多输出系统的MRAC系统的总体结构如图5所示。从w到v的流程图代表图4中的线性系统块，包括参考模型，工厂和线性补偿器。 L。 自适应调节器K代表图4的反馈控制器块。线性补偿器L和自适应调节器K在即将到来的部分中设计。
图5模型参考自适应控制系统的总体结构
协调算法的流程图总结在图6中。阶段1，阶段2和阶段3分别代表开放阶段，滑动阶段和锁定阶段。是用于识别阶段3的阈值，和是控制参数。
图6.扭矩协调的流程图
4仿真结果
已经观察到许多混合动力公交车司机逐渐按下加速踏板并在动力转换期间快速释放离合器踏板。 他们认为以这种方式运行，称为传统操作，加速了从TM驱动模式到发动机驱动模式的转变。 将常规操作的结果用作比较所提出的MRAC结果的基线。 模拟以SWB6116HEV为原型，其参数列于表1。
牵引电动机峰值扭矩
滚动阻力系数
轮胎半径径
牵引电机与轴B的传动比
第一齿轮比
最终传动比
发动机额定扭矩
最终齿轮的惯性力矩
离合器摩擦片的惯性力矩
牵引电机的惯性力矩
车辆质量
轴A的惯性力矩
摩擦力矩的等效作用半径
摩擦系数
摩擦面数量
当离合器踏板被压到最大位置时，SWB6116HEV的离合器完全脱开，离合器踏板通过间隙后释放时，离合器逐渐接合。 摩擦板上的常压通过以下表达式计算。
其中是间隙行程，是离合器踏板开启。 对于SWB6116HEV，为0.2，b为15000N。
MRAC算法的控制参数如图5所示
MRAC根据离合器的三个阶段控制扭矩，如图7（a）所示。 MRAC在开启阶段增加发动机扭矩以减小轴A和轴B之间的速度差，然后通过在滑动阶段稍微释放踏板来接合离合器，协调合适的发动机扭矩直到离合器接合，然后释放 完全离合器并执行
锁定阶段的发动机扭矩控制。
牵引电动机扭矩补偿了从发动机扭矩和离合器扭矩到轴B动力学的干预，如图7（b）所示。 轴A和轴B的角速度逐渐接近，如图7（f）所示。MRAC根据离合器的三个阶段控制扭矩，如图7（a）所示。
MRAC在开启阶段增加发动机扭矩以减小轴A和轴B之间的速度差，然后通过在滑动阶段稍微释放踏板来接合离合器，协调合适的发动机扭矩直到离合器接合，然后释放 完全离合器并且在锁定阶段执行发动机扭矩控制。牵引电动机扭矩补偿了从发动机扭矩和离合器扭矩到轴B动力学的干预，如图7（b）所示。 轴A和轴B的角速度逐渐接近，如图7（f）所示。
传统操作增加发动机扭矩并快速释放离合器踏板，因此，快速增加离合器摩擦扭矩。 从图7（f）可以看出，轴A和轴B的角速度在短时间内同步。
出于性能考虑，评估车辆加速度，车辆颠簸和摩擦耗散。 车辆加加速度被计算为车辆加速度的导数[14]。 摩擦耗散使用以下公式[14]计算：
在图7（g-i）的比较中，显示了两种方法之间的巨大差异。 施加MRAC时车辆加速度保持不变，而当应用常规操作时，车辆加速度下降约2m / s2。这种下降表明车辆传动系统的扭矩中断。 原因在于离合器产生大的负摩擦力矩，但没有激活补偿。 对于MRAC，负摩擦力矩也由离合器产生，但是更小，并且牵引电动机增加其扭矩以补偿负面影响，因此，可以避免扭矩中断。
在模式转换期间来自MRAC的车辆抖动小于，而传统操作中的那个高达，这发生在滑动阶段结束时。突然加速的原因是离合器摩擦力矩由于此时的滑棒摩擦过渡而突然改变。 在滑动阶段，离合器摩擦扭矩基本上与压力成比例。当离合器完全接合时，离合器进入锁定阶段，并且通过（8）计算离合器摩擦扭矩。 传统的操作在滑动阶段快速释放离合器踏板，导致最后的摩擦力矩大，比后来锁定阶段的摩擦力矩大得多。 此后，当离合器进入锁定阶段时发生剧烈的冲击。 对于MRAC，滑动阶段中的离合器摩擦扭矩被控制为接近参考模型，并且通过参数计算保证扭矩连续性。 因此，MRAC避免了滑棒过渡中离合器扭矩的突然变化，并且避免密集的车辆颠簸
资料编号：[5923]
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