机电复合传动模式切换协调控制技术

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：对于具备多种工作模式的机电复合传动而言，其还存在一个模式切换过程的协调控制问题。混合动力车辆模式切换协调的研究虽然在数量和深度上还无法和能量管理策略相比，但近期也取得了一定成果。目前模式切换动态控制的研究主要集中在并联式HEV纯电驱动到机电驱动的转矩协调控制，通过降低输出轴的转矩波动和避免动力输出的突变，实现模式切换品质和车辆驾驶性能的提升。

对于具备多种工作模式的机电复合传动而言，其还存在一个模式切换过程的协调控制问题。目前国内外学者对混合动力车辆关键技术的研究主要集中在能量管理策略及效率优化等稳态过程方面，对模式切换动态过程的研究相对较少。原因在于能量管理策略是针对车辆低频动态特性，而影响车辆驾驶性能和NVH特性的模式切换过程则与车辆高频动态特性有关，模式切换品质主要以切换时间、加速度和纵向冲击度等具有瞬态特性的参数作为评价指标，能量管理策略往往不需要考虑这些因素，图1.24所示为复杂机电传动系统的工作频段划分。

混合动力车辆模式切换协调的研究虽然在数量和深度上还无法和能量管理策略相比，但近期也取得了一定成果。当前的混合动力车辆模式切换主要致力于提升混合动力车辆模式切换过程的动态品质，避免在模式切换过程中动力输出突变而造成驾驶性能的恶化。目前模式切换动态控制的研究主要集中在并联式HEV纯电驱动到机电驱动的转矩协调控制，通过降低输出轴的转矩波动和避免动力输出的突变，实现模式切换品质和车辆驾驶性能的提升。归纳总结现阶段所提出的转矩协调控制策略，可将其分为以下三类协调算法。

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图1.24　复杂机电传动系统的工作频段划分

第一类协调算法是基于发动机和电机动态响应特性的差异，通过“发动机转矩观测+电机转矩补偿”协调控制，减小输出端的转矩波动和车辆的冲击度。该协调算法多用于并联式HEV的模式切换过程，最大优势是控制器的求解过程不基于系统的数学模型，设计方法简单且易于实现。

美国密歇根大学的Davis R I等人采用“发动机转矩观测+发动机转速反馈+电机转矩补偿”的原理，提出了“输入扰动解耦”的控制算法，利用电机可产生和发动机转矩波动相反的转矩，抵消发动机的转矩脉动［82］；清华大学的童毅提出了“发动机转矩开环+发动机动态转矩估计+电机转矩补偿”的控制算法，该算法基于发动机曲轴瞬时转速可实时估计发动机的转矩，并利用电机转矩补偿输出轴的转矩，在保证动力传递平稳性的前提下又优化了系统效率［83，84］；重庆大学的杜波提出了“发动机节气门开度变化率限制+发动机转矩估计+电机转矩补偿”的协调控制策略，该策略通过限制发动机节气门变化率来减缓发动机转矩变化，并利用电机对发动机转矩进行实时补偿，有效地降低了输出转矩的波动［85，86］；武汉理工大学的杜常清在发动机油门开度变化率不高的工况下，提出了“基于神经网络的发动机平均值模型+基于模型预测的电机调速闭环”的控制策略，有效地减小了输出转矩和转速的波动［87］；北京理工大学的杨军伟提出了“发动机转矩开环＋发动机转矩识别＋电动机转矩补偿”的动态协调控制策略，通过动态转矩的控制分配，保证了模式切换的瞬态过程平顺性［88］。

第二类协调算法是从传动系统转矩动态补偿的角度，利用不同的控制策略，保证车辆动力系统转矩传递的连续性和稳定性。

针对并联式HEV纯电驱动到机电驱动的模式切换过程，德国亚琛工业大学的Beck R等人基于模型预测控制和最优控制理论协调控制了发动机和电机的动态转矩，并验证了该控制器的鲁棒性能［89］；韩国首尔国立大学的Sul S K等人通过优化换挡规律提高了动力传动系统的效率，通过电机调速控制离合器主被动端的速差，缩短了换挡时间并减小了切换过程的冲击［90］；美国弗吉尼亚理工学院的Nelson D J等人基于PI控制的电机调速实现了离合器主被动端的同步，降低了模式切换过程的冲击［91］；韩国成均馆大学的Hwang H S等人针对离合器接合过程分别设计了发动机转速PI控制器、电机转矩PI反馈补偿控制器和发动机转速-电机转矩相结合的控制器，减小了驱动轴的转矩波动［92］；韩国现代汽车公司的Kim S等人针对离合器的接合过程提出了两种基于PI反馈的离合器油压控制方法，并通过仿真验证了该控制方法的有效性［93］；马来西亚国油科技大学的Minh V等人基于模型预测控制算法，通过约束输入-输出条件控制离合器的转速和转矩，实现了良好的车辆驾驶性能和较低的冲击度［94］；上海交通大学的Gu Y等人利用最小值原理优化了传动系统的输入转矩，并基于模糊PID控制原理通过控制离合器的接合速度和发动机的节气门开度，同时采用电机补偿传动系统输入转矩和离合器传递转矩之差，改善了车辆的驾驶平顺性［95］；吉林大学的王庆年等人针对模式切换过程中输出转矩波动的问题，提出了基于电机辅助的协调控制策略，包括电机辅助发动机起动和电机补偿发动机转矩误差两部分［96］；吉林大学的王印束通过合理控制离合器的接合规律，抑制了模式切换过程的转矩波动［97］；湖南大学的张军等人提出了利用发动机的目标转速和输出转矩计算电机转矩的控制算法，实现了模式切换过程的平稳过渡［98］；北京交通大学的李显阳提出了基于动态规划算法和PID控制算法的转矩协调控制策略，并通过仿真验证了所设计方法的有效性［99］；山东大学的孙静提出了基于数据驱动预测控制的转矩协调控制方法，通过跟踪输出参考序列并限制离合器的转矩变化率，实现了模式切换时间短和冲击度小的目标［100］；重庆大学的吴睿通过限制发动机的目标转矩变化率，对电机采用了直接转矩控制方法，缩短了模式切换时间并降低了车辆的冲击度［101］。

针对混联式HEV纯电驱动到机电驱动的模式切换过程，韩国成均馆大学的Hong S等人从理论上分析了模式切换过程输出转矩产生波动的原因，并提出了基于电机转矩补偿的动态控制策略，减小了输出转矩波动的峰值［102］；上海交通大学的Zhang H等人基于μ综合方法设计了鲁棒控制器，利用跟踪车轮参考转速的方法有效地降低了模式切换过程的车辆冲击度［103］；吉林大学的Zeng X等人提出了基于“发动机转矩估计+车辆冲击度预测模型”的动态协调控制策略，提升了车辆的驾驶性能［104］；上海交通大学的Chen L等人提出了基于参考模型的前反馈控制策略，通过被控系统的实际输出转速实时跟踪参考转速，保证了离合器传递转矩的连续性，降低了车辆的冲击度和离合器的滑摩功［105］；上海交通大学的王磊提出了基于模糊自适应滑模的控制算法，通过控制发动机实际转矩与目标转矩的偏差，降低了动力系统的转矩波动［106］。

针对混联式HEV发动机起停阶段的模式切换过程，日本丰田技术中心的Tomura S等人通过电机转矩补偿发动机起动时刻所产生的转矩脉动，抑制了车辆的振动和冲击［107］；同济大学的Zhao Z等人提出了基于输出轴参考转速预估计的主动阻尼控制方法，消除了发动机起动时刻的转矩脉动和驱动轴的转速振荡现象，有效地抑制了车辆冲击度［108］；台北大学的Hwang H Y和Chen J S等人提出了发动机转矩脉动补偿策略，在发动机起动时，由电机提供发动机所需的减振扭矩，同时接合扭转减速器内的离合器，有效地避免了发动机转矩和转速的振动［109，110］。

第三类协调算法是将HEV模式切换过程划分为几个子阶段或者几个子区域，并参考第二类协调算法设计对应的子控制器，该协调算法多应用在并联式和混联式HEV纯电驱动到机电驱动模式切换过程。

美国俄亥俄州立大学的Rizzoni G等人最早提出该设计思路，基于混杂系统模型将并联式HEV模式切换过程规范成不同的子区域，通过最优控制理论设计了用以求解发动机和电机目标转矩的子控制器，仿真结果验证了该设计方法可取得良好的车辆驾驶性能［111］；美国福特汽车公司的Soliman I S等人针对双驱动HEV，将模式切换过程划分为四个不同的控制阶段，并在每个阶段协调控制发动机和电机的转速，道路试验结果验证了所设计的分阶段控制策略能够提高车辆的驾驶性能［112］；韩国汉阳大学的Kim H等人针对并联式HEV，提出了一种四阶段模式切换控制策略，在每阶段设计了扰动观测器用以估计和补偿系统的扰动，提高了控制器的控制精度、跟踪性能和车辆的驱动性能［113］；同济大学的赵治国等人参考Rizzoni G的方法，提出了无扰动模式切换控制方法，有效避免了动力耦合过程中的转矩波动，保证了动力传递的平稳性［114］；上海交通大学的朱福堂针对多模式HEV，将模式切换过程分为四个连续操作阶段，设计了基于模糊变增益PID控制方法的反馈控制器，通过调节电机和离合器转矩达到了降低车轮冲击的目的，同时验证了所设计的反馈控制器对不确定性负载有良好的适应性［115］；清华大学的李亮等人针对并联式HEV，将模式切换过程分为五个阶段，分别设计了基于 ∞H 鲁棒控制的上层控制器和基于 2L增益鲁棒跟踪控制的下层控制器，用以缩短模式切换时间和消除外界干扰［116］。

综上所述，目前模式切换协调控制算法的研究对象多以并联式HEV纯电驱动到机电驱动模式切换为主，而国内外鲜有学者对同轴并联式和混联式HEV模式切换过程进行深入研究。原因在于并联式HEV中离合器位于发动机和电机之间，传动系统只存在单功率传递通路，因此在设计控制算法时可以将变速机构简化为具有固定速比的齿轮对，部件惯量的计算可以通过线性叠加的方式实现。然而，针对引入功率耦合机构的混联式机电复合传动，多功率传递通路的存在导致发动机、电机和操纵机构等关键部件形成复杂的耦合关系，加大了模式切换过程动态控制的难度。即使在针对同轴并联式和混联式HEV的参考文献里，为了方便控制器设计，在进行系统简化时均忽略了功率耦合机构所导致的耦合关系。

【注释】

[1]1公里=1 000米。

机电复合传动模式切换协调控制技术

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