混合動力汽車發(fā)動機調速系統(tǒng)建模及應用研究.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革命的主要推動力。混合動力汽車同時采用發(fā)動機和電機驅動，使發(fā)動機在高效區(qū)域工作以降低油耗和排放，并通過電機回收制動工況的能量，從根本角度提高燃油利用率，混合動力汽車以其低能耗低排放特性越來越引起人們的重視。在混合動力汽車開發(fā)過程中發(fā)動機轉速振蕩使AMT(AutomaticManualTransmission)換檔時間加長并在驅動ISG(IntegratedStarterGenerator)發(fā)電過

2、程中轉速振蕩，不僅破壞了整車的乘坐舒適性，還導致燃油消耗增加、排放惡化，失去了混合動力汽車清潔和高效的優(yōu)勢，因此需要對混合動力汽車發(fā)動機調速系統(tǒng)進行深入研究。本文結合國家“863”電動汽車重大專項課題“EQ7200HEV混合動力轎車開發(fā)”項目，開發(fā)基于混合動力汽車發(fā)動機的電子調速系統(tǒng)以消除轉速振蕩，減少整車換檔時間，提高動力性、燃油經濟性和乘坐舒適性。 為從整車角度綜合考核發(fā)動機調速系統(tǒng)動力學特性，本文建立了發(fā)動機的瞬態(tài)動力學調

3、速模型以及ISG和整車動力學模型。在建立面向發(fā)動機調速系統(tǒng)的動力學模型時，學者往往采用均值模型。這類模型忽略發(fā)動機運轉過程中復雜的能量轉換和動力學過程，對發(fā)動機內部各主要部件的相互作用關系描述不清，且與發(fā)動機設計參數無關。因此這類均值動力學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)動力學模型，以曲軸轉角來描述每一瞬間發(fā)生在發(fā)動機內部能量轉換和力學關系。提出基于氣缸壓力-曲軸轉速(p-ω)的發(fā)動機動力學模型，采用FFT無

4、量綱模型重構氣缸壓力變化過程，根據曲柄-滑塊機構確定發(fā)動機指示扭矩，應用拉格朗日方程分析發(fā)動機瞬時轉動慣量并求得往復慣性扭矩，以曲軸轉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。 本文根據發(fā)動機轉速-扭矩-節(jié)氣門開度關系，采用HCU控制發(fā)動機管理系統(tǒng)并調節(jié)節(jié)氣門，建立了調速模塊與混合動力汽車電控系統(tǒng)的拓撲結構，使調速系統(tǒng)在復雜的混合動力汽車電控系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。根據調速工況的基本控制策略，將PID控制策略引入Fuzzy控制，

5、構成Fuzzy-PID雙模復合控制方法，發(fā)揮PID良好的穩(wěn)態(tài)性能和Fuzzy快速的動態(tài)性能。以轉速差和轉速差變化率最小隸屬度為加權系數，保持控制器在模式切換時連續(xù)輸出。 建立了混合動力汽車發(fā)動機調速系統(tǒng)動力學模型及控制模型后，對模型進行了穩(wěn)態(tài)仿真和動態(tài)仿真。穩(wěn)態(tài)仿真表明，發(fā)動機氣缸壓力除了決定指示扭矩的大小和形狀外，還影響發(fā)動機摩擦扭矩，因此對曲軸角加速度及轉速起到決定性的作用。由于曲柄連桿機構復雜的運動方式，往復慣性扭矩和瞬時

6、轉動慣量的變化對動力學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)動機點火順序對指示扭矩的形狀有很大的影響。分別采用PID控制方法和Fuzzy-PID方法對各種工況下轉速響應情況進行了對比仿真，在Fuzzy-PID控制下系統(tǒng)轉速響應迅速，超調較小，同時在極限工況下能夠滿足大轉速的階躍響應。 為標定并驗證調速系統(tǒng)動力學模型，結合相關試驗標準設計了調速性能試驗方案。試驗包括發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能試驗、PID參數整定

7、試驗、發(fā)動機空載調速性能試驗、換檔調速試驗和發(fā)動機帶動ISG低負荷發(fā)電試驗及混合驅動試驗等。試驗表明，不同的切換閾值對于雙模Fuzzy-PID影響較大，當閾值設定較小時，PID控制器調整范圍縮小，轉速響應速度快，超調量小，當閾值較大時發(fā)動機轉速的響應特性變差。發(fā)動機空載試驗工況在高速情況下，響應速度更快，超調?。粠覫SG發(fā)電低負荷發(fā)電工況轉速基本恒定，穩(wěn)態(tài)波動率較低，對整車舒適性影響可以忽略。換檔過程中，發(fā)動機轉速能夠在較短時間內調整

8、到理想的換檔速度，且減少了轉速振蕩。與未經調速的時換檔試驗相比，換檔速度有很大提高，動力性明顯改善，能夠滿足整車設計需要。 通過本文研究，消除了混合動力汽車發(fā)動機運行過程中的轉速振蕩，改善了轉速的響應品質，提高了乘員舒適性和整車燃油經濟性。同時本文建立的調速系統(tǒng)瞬態(tài)動力學模型豐富了前人的研究成果，并對建模方法進行了修正，提出的基于p-ω發(fā)動機動力學模型，建立了包括ISG及整車模型在內的混合動力汽車調速系統(tǒng)模型為系統(tǒng)的優(yōu)化、參數標