混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模及應(yīng)用研究.pdf

1、日益苛刻的環(huán)保法規(guī)和匱乏的能源成為汽車技術(shù)革命的主要推動(dòng)力?；旌蟿?dòng)力汽車同時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)域工作以降低油耗和排放，并通過電機(jī)回收制動(dòng)工況的能量，從根本角度提高燃油利用率，混合動(dòng)力汽車以其低能耗低排放特性越來越引起人們的重視。在混合動(dòng)力汽車開發(fā)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩使AMT(AutomaticManualTransmission)換檔時(shí)間加長并在驅(qū)動(dòng)ISG(IntegratedStarterGenerator)發(fā)電過

2、程中轉(zhuǎn)速振蕩，不僅破壞了整車的乘坐舒適性，還導(dǎo)致燃油消耗增加、排放惡化，失去了混合動(dòng)力汽車清潔和高效的優(yōu)勢，因此需要對混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。本文結(jié)合國家“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)課題“EQ7200HEV混合動(dòng)力轎車開發(fā)”項(xiàng)目，開發(fā)基于混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電子調(diào)速系統(tǒng)以消除轉(zhuǎn)速振蕩，減少整車換檔時(shí)間，提高動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性。 為從整車角度綜合考核發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，本文建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)調(diào)

3、速模型以及ISG和整車動(dòng)力學(xué)模型。在建立面向發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，學(xué)者往往采用均值模型。這類模型忽略發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和動(dòng)力學(xué)過程，對發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各主要部件的相互作用關(guān)系描述不清，且與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)無關(guān)。因此這類均值動(dòng)力學(xué)模型精確性受到影響，適用范圍也相對小。為此本文建立精確的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，以曲軸轉(zhuǎn)角來描述每一瞬間發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換和力學(xué)關(guān)系。提出基于氣缸壓力-曲軸轉(zhuǎn)速(p-ω)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，采用FFT無

4、量綱模型重構(gòu)氣缸壓力變化過程，根據(jù)曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)確定發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩，應(yīng)用拉格朗日方程分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并求得往復(fù)慣性扭矩，以曲軸轉(zhuǎn)速和氣缸壓力為主要影響因素建立了摩擦扭矩瞬態(tài)模型。 本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-扭矩-節(jié)氣門開度關(guān)系，采用HCU控制發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)并調(diào)節(jié)節(jié)氣門，建立了調(diào)速模塊與混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使調(diào)速系統(tǒng)在復(fù)雜的混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)調(diào)速工況的基本控制策略，將PID控制策略引入Fuzzy控制，

5、構(gòu)成Fuzzy-PID雙模復(fù)合控制方法，發(fā)揮PID良好的穩(wěn)態(tài)性能和Fuzzy快速的動(dòng)態(tài)性能。以轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)速差變化率最小隸屬度為加權(quán)系數(shù)，保持控制器在模式切換時(shí)連續(xù)輸出。 建立了混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及控制模型后，對模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真。穩(wěn)態(tài)仿真表明，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力除了決定指示扭矩的大小和形狀外，還影響發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩，因此對曲軸角加速度及轉(zhuǎn)速起到?jīng)Q定性的作用。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，往復(fù)慣性扭矩和瞬時(shí)

6、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化對動(dòng)力學(xué)特性有非常顯著的影響，也是過去研究中常常被忽視的。對瞬態(tài)模型研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序?qū)χ甘九ぞ氐男螤钣泻艽蟮挠绊?。分別采用PID控制方法和Fuzzy-PID方法對各種工況下轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況進(jìn)行了對比仿真，在Fuzzy-PID控制下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，超調(diào)較小，同時(shí)在極限工況下能夠滿足大轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)。 為標(biāo)定并驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了調(diào)速性能試驗(yàn)方案。試驗(yàn)包括發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)、PID參數(shù)整定

7、試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)空載調(diào)速性能試驗(yàn)、換檔調(diào)速試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG低負(fù)荷發(fā)電試驗(yàn)及混合驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)等。試驗(yàn)表明，不同的切換閾值對于雙模Fuzzy-PID影響較大，當(dāng)閾值設(shè)定較小時(shí)，PID控制器調(diào)整范圍縮小，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，當(dāng)閾值較大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性變差。發(fā)動(dòng)機(jī)空載試驗(yàn)工況在高速情況下，響應(yīng)速度更快，超調(diào)??；帶動(dòng)ISG發(fā)電低負(fù)荷發(fā)電工況轉(zhuǎn)速基本恒定，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率較低，對整車舒適性影響可以忽略。換檔過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠在較短時(shí)間內(nèi)調(diào)整

8、到理想的換檔速度，且減少了轉(zhuǎn)速振蕩。與未經(jīng)調(diào)速的時(shí)換檔試驗(yàn)相比，換檔速度有很大提高，動(dòng)力性明顯改善，能夠滿足整車設(shè)計(jì)需要。 通過本文研究，消除了混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速振蕩，改善了轉(zhuǎn)速的響應(yīng)品質(zhì)，提高了乘員舒適性和整車燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)本文建立的調(diào)速系統(tǒng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型豐富了前人的研究成果，并對建模方法進(jìn)行了修正，提出的基于p-ω發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，建立了包括ISG及整車模型在內(nèi)的混合動(dòng)力汽車調(diào)速系統(tǒng)模型為系統(tǒng)的優(yōu)化、參數(shù)標(biāo)