混合動(dòng)力汽車模型中傳動(dòng)系建模與仿真

1、!""#$""前向式混合動(dòng)力汽車模型中傳動(dòng)系建模與仿真!童毅歐陽明高(清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京$"""%&摘要根據(jù)傳動(dòng)系中兩個(gè)非線性環(huán)節(jié)離合器和變速器的狀態(tài),在(*(+/,-./*-01和(*(+/,(23*45平臺上建立了包含四種狀態(tài)的傳動(dòng)系模型,并以加速踏板行程和制動(dòng)踏板行程為輸入量對傳動(dòng)系模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明,該模型既可以保持內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的連續(xù)變化,又可以模擬出離合器和變速器的動(dòng)作,可以在前向式混合動(dòng)力汽車模型中得到應(yīng)用。敘詞:混合動(dòng)力汽車,傳動(dòng)系,建模與仿真462

2、*-07(06,-./*(-404389-:29(-0-0;495(96<=+9-6>*2?9-?2A-?*2462*!"#$%&(*+#$,&#$+"!"#$%&($#*+,"#-.,/-(-+0+.1(23,(-3,.345-363-#*+/(4+-.($78$+,%.,9+#:#$%$"""%&-./01+20B?496-074A2C(/C4354040*-02(92*2.20C,?*/?A(069(0C.-C C-40,(&D.46269-:2D 9(-0.462*

3、-C2C(+*-C A2640A2E*(349.C43(*(+/,-./*-01(06(*(+/,(23*45FG A2C-./*(-40-C E29D 349.265-AA2(?2*29(49E26(*C9412(06+9(12E26(*C9412(C-0E/C FG A292C/*C C A45A(A2.462*-C?(D E(+*2430440*=.(-0(-0-07?40-0/4/C:(9-(-40C43207-02C E226,.449C E226(06:2A-?*2C E226,+/(*C4-.-D (-07A24E29(-4043+4A?*/?A(069(0C.-C C-40FG

4、 A2923492A269-:29(-0.462*E92C2026-0A2E(E29?(0 +2(E E*-264A23495(96<>.462*F34*5"16/:7*.1&6484201&294:&284,;1&9401+&#,"648&#$+#6/&<8+0&"#$前言混合動(dòng)力汽車動(dòng)力中存在較多非線性環(huán)節(jié),且各部件之間相互作用復(fù)雜。如果通過建立原型和大量試驗(yàn)來比較設(shè)計(jì)方案和測試各種控制策略的實(shí)際效果,需要消耗大量的時(shí)間和物力。因此,在不同結(jié)構(gòu)形式$的混合動(dòng)力汽車性能比較和同一結(jié)

5、構(gòu)形式的混合動(dòng)力汽車控制策略比較等方面,較多地采用了系統(tǒng)建模和仿真的方法。目前,在混合動(dòng)力汽車建模上幾乎無一例外地采用圖形化軟件,且較多以(*(+"J/,-./*-01"J軟件為建模與仿真技術(shù)平臺。有些直接在該平臺上建立模型!,#,有些利用該平臺進(jìn)行二次開發(fā),獲得界面友好的適合混合動(dòng)力汽車建模與仿真的專用技術(shù)平臺&,I。根據(jù)仿真中信息流動(dòng)的方向不同,混合動(dòng)力汽車建模與仿真技術(shù)可分為后向式建模與仿真和前向式建模與仿真兩種H。后向式建模與仿真從系統(tǒng)的需求出發(fā),通過仿真得到為滿足車速要求,動(dòng)力系統(tǒng)各部件必須提供和可以得到的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等,仿真信息沿輪胎、變速器,到電機(jī)

6、和內(nèi)燃機(jī)等。后向式建模與仿真不考慮駕駛員的意圖以及動(dòng)力系統(tǒng)(尤其是離合器和變速器的動(dòng)態(tài)過程,計(jì)算步長較大(一般為$C,計(jì)算速度快,可以通過反復(fù)計(jì)算以達(dá)到系統(tǒng)最高性能,適用于混合動(dòng)力汽車性能的預(yù)估和評價(jià)。前向式建模與仿真的輸入一般為駕駛員的各種操作,例如加速踏板位置和制動(dòng)踏板位置的變化,仿真信息沿按功率的傳遞方向從內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)到變速器以及車輪。前向式建模與仿真必須考慮!""#年(第!I卷第I期汽車工程B/4.4-:2>07-0229-07!""#(4*K!IL4K I包括離合器和變速器等非線性環(huán)節(jié)在內(nèi)的傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)過程,和實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行情況更為接近

7、,其模型相對復(fù)雜,計(jì)算時(shí)間也要長,主要面向?qū)嶋H控制算法的開發(fā)。文中研究的重點(diǎn)是前向式混合動(dòng)力汽車模型中的傳動(dòng)系模型,充分考慮傳動(dòng)系中的非線性環(huán)節(jié)離合器和變速器對前向式模型的影響,在!"#$ %"&/(*%(+,和!"#%"&/#"#-.%/0平臺上建立了傳動(dòng)系模型,并最終在仿真過程中驗(yàn)證了該模型的可行性。1混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)過程分析進(jìn)行傳動(dòng)系建模的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。傳動(dòng)系的主要特征是采用了自動(dòng)手動(dòng)變速器(3!4,內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)位于3!4離合器的兩側(cè),由離合器的接合與分離控制內(nèi)燃機(jī)(內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)由56完成 是否參

8、與對車輛的驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)過程的四種組合狀態(tài)變速器空擋變速器在擋離合器未接合!2!1離合器接合!7!8!"!傳動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分布及簡化從圖2看出,整車傳動(dòng)系共包括56、內(nèi)燃機(jī)、離合器、電機(jī)、變速器、車輪和車身共個(gè)部分的轉(zhuǎn)合狀態(tài),作如下簡化:(2忽略56的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;(1忽略變速器速比的影響,將變速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量簡化為兩部分,即變速器輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量!"#和變速器輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量!"$ ;(7將車身慣量折合至車輪,得到等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量為%&1。期!"#$為!"#輸出扭矩。($離合器后變速器前動(dòng)態(tài)方程%&%!/%(!*&(!+(*變

9、速器后動(dòng)態(tài)方程%&(,%!(,/%(*!-./"+(,式中!-.為車輪處的負(fù)載扭矩,主要包括空氣阻力,摩擦阻力和坡道阻力等。$-*-$.$狀態(tài)動(dòng)態(tài)方程(/離合器前動(dòng)態(tài)方程同式(0。($離合器后動(dòng)態(tài)方程為%-%!/%(!*!-./("$"+*&(!+(/+$-*-*.*狀態(tài)動(dòng)態(tài)方程(/變速器前動(dòng)態(tài)方程%/%!/%(!/"0!*!/.(/($變速器后動(dòng)態(tài)方程同式(,。$-*-111狀態(tài)動(dòng)態(tài)方程整車動(dòng)態(tài)方程%2%!/%(!/"0!*!/.*!-./("$"+(/$!"#離合器和變速器狀態(tài)判斷如前所述,1/

10、"11狀態(tài)劃分的依據(jù)是離合器和變速器的狀態(tài),在傳動(dòng)系模型運(yùn)行過程中,當(dāng)前時(shí)刻僅有一個(gè)狀態(tài)是有效的,模型處于何種狀態(tài)是由離合器和變速器狀態(tài)決定的。忽略變速器脫擋和掛擋的時(shí)間,認(rèn)為脫擋和掛擋時(shí)間是瞬間完成的,則變速器的狀態(tài)就劃分為兩個(gè)離散的狀態(tài):空擋和在擋。離合器的狀態(tài)判斷相對復(fù)雜。當(dāng)離合器接合時(shí),要保持離合器不滑移,此時(shí)的離合器摩擦力矩的絕對值(與方向無關(guān)必須小于離合器最大的靜態(tài)摩擦力矩!+234#。令離合器發(fā)生滑移時(shí)的離合器的臨界摩擦力矩為!+,變速器空擋時(shí),3!+3%&%&0%&/%&/%&!0!/.*!/"(/*變速器在擋時(shí),3!

11、+3%-%2%&/%-!0!/.*%&/%-!-.*!/"(/1當(dāng)3!+3"!+234#,離合器開始滑移,進(jìn)入未接合狀態(tài);當(dāng)3!+3#!+234#且3!*!/3#!+(!+為離合器接合時(shí)主從動(dòng)片的轉(zhuǎn)速差,離合器回到接合狀態(tài);當(dāng)離合器完全分離后,!+。*傳動(dòng)系建模與仿真系統(tǒng)的特征,因此變速器模型是在處理離散事件能力較強(qiáng)的.35637/"535896:;平臺上建立的;其他部件(包括離合器的滑移過程都具有連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的特征,因此在.35637/"<2=6<(>平臺上搭建模型。$"%傳動(dòng)系建模圖*是在.35637/&q

12、uot;535896:;平臺上搭建的變速器模型的示意圖。變速器共分為前進(jìn)擋、空擋和倒擋三種狀態(tài),其中前進(jìn)擋又分成/擋"1擋四種子狀態(tài),在變速器換擋策略的各種指令掛前進(jìn)擋、掛高擋、掛抵擋、掛倒擋和掛空擋的控制下,變速器進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)。圖*在.35637/"535896:;平臺上搭建的變速器模型示意圖圖1是在.35637/"<2=6<(>平臺上搭建的傳動(dòng)系模型的示意圖。整個(gè)傳動(dòng)系共分成./".1四種狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)的輸入量和輸出量是完全一致的。模型運(yùn)行過程中借鑒了數(shù)字電路中的片選技術(shù),根據(jù)狀態(tài)選擇信號激活./".1中的一種狀態(tài),同時(shí),

13、其他狀態(tài)被禁止運(yùn)行,模型的輸入量僅對該狀態(tài)有效,同時(shí),輸出端多位選擇開關(guān)也只選通該狀態(tài)的輸出量。$"!各狀態(tài)初始運(yùn)行條件的確定當(dāng)離合器或變速器狀態(tài)發(fā)生變化,傳動(dòng)系模型將會(huì)在./".1四種狀態(tài)中切換,某狀態(tài)從被禁止運(yùn)行到被激活時(shí),為保持模型輸出量(內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速圖在/平臺上/$1$+*年(第$?卷第?期汽車工 程!、電機(jī)轉(zhuǎn)速!"和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速!#$的連續(xù)變化,必須重置該狀態(tài)的初始運(yùn)行條件。從!"#傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)方程的描述中可以看出,表征$%!$&的動(dòng)態(tài)方程的個(gè)數(shù)的微分環(huán)節(jié)數(shù)是不相同的,因此必須選擇前續(xù)狀態(tài)的某個(gè)輸出量的最終值重置當(dāng)前被激活狀態(tài)的初始值。

14、表!是$%!$!是初始運(yùn)行條件表,其中帶下標(biāo)數(shù)字%(%&%,!,#,&的輸出量表示該輸出量在前續(xù)%狀態(tài)中的最終值。!"!傳動(dòng)系模型仿真文中建立的傳動(dòng)系模型是面向前向式混合動(dòng)力汽車模型,因此在進(jìn)行傳動(dòng)系模型仿真時(shí)是以駕駛員的操作加速踏板行程和制動(dòng)踏板行程作為整個(gè)前向式混合動(dòng)力汽車模型的輸入。圖是電動(dòng)運(yùn)行模式下傳動(dòng)系模型的仿真結(jié)果。從圖(和圖(可以看出:"純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下,當(dāng)加速踏板行程超過某限值后,由于沒有內(nèi)燃機(jī)扭矩的輔助作用,電機(jī)扭矩達(dá)到最大值;#在需要圖電動(dòng)運(yùn)行模式,給定加速踏板行程和換擋操作時(shí),電機(jī)扭矩迅速降為*。換擋結(jié)束后,電機(jī)扭矩恢復(fù)到換擋前的狀態(tài);

15、$當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板后,進(jìn)入制動(dòng)能量回饋工作過程,電機(jī)扭矩為負(fù)值,電機(jī)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。同樣,換擋操作時(shí),電表#$ $!$ %初始運(yùn)行條件列表激活狀態(tài)前續(xù)狀態(tài)置位初始條件!"!#$ $%$!$#$&$!"!"!/(!$#!"#!"#!#$#$&!"&!"&!"&/(&$%!%!#$%($#!"#!#$#($&!"&!"&$%!"%!#$%$!"!"!/(!$&!"&

16、amp;!"&/(&$%!#$%($!"!$#!#$#(期機(jī)扭矩也經(jīng)歷先迅速降為!再恢復(fù)的過程。圖"(#顯示了當(dāng)離合器或變速器狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),傳動(dòng)系狀態(tài)的變化軌跡。由于只有電機(jī)運(yùn)行,離合器從最初的接合變?yōu)槲唇雍虾缶捅３植蛔兞?因此傳動(dòng)系狀態(tài)除了最初處于$%狀態(tài)之外,只在$&和$之間切換。從圖"(顯示了汽車起步、$*升擋、降擋和制動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速連續(xù)變化的曲線。圖+是在與圖"同樣的加速踏板和制動(dòng)踏板行程為輸入的情況下,內(nèi)燃機(jī)參與工作后的傳動(dòng)系模型的仿真結(jié)果。圖+(,、圖+(-與圖"(,和圖" (-

17、對比可以看出:!由于內(nèi)燃機(jī)參與工作,電機(jī)扭矩沒有達(dá)到最大值;"在需要換擋操作時(shí),仍然需要同時(shí)切斷電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力,但在換擋結(jié)束后,電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)需要協(xié)調(diào)工作,保持兩者扭矩之和恢復(fù)到換擋前的狀態(tài);#電機(jī)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的換擋過程與電動(dòng)運(yùn)行模式類似。圖+(#同樣顯示了當(dāng)離合器或變速器狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),傳動(dòng)系狀態(tài)在$&$.之間進(jìn)行切換的軌跡。由于內(nèi)燃機(jī)參與工作,換擋過程必須涉及離合器的分離和接合過程,如前文所述,離合器的打滑和分離都視為未接合,因此,換擋過程中離合器未接合的持續(xù)時(shí)間比空擋持續(xù)時(shí)間要長。此外,從圖+(的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線還可以看出內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)過程,內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)后離

18、合器逐漸接合,內(nèi)燃機(jī)停機(jī)后離合器迅速分離,因此圖+(#的離合器狀態(tài)變化軌跡上還有相應(yīng)的離合器接合和未接合狀態(tài)。圖+(顯示了汽車起步、內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)、$*升擋和降擋、內(nèi)燃機(jī)停機(jī)和制動(dòng)過程中內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速連續(xù)變化的曲線。.結(jié)論根據(jù)離合器和變速器的狀態(tài)將前向式混合動(dòng)力汽車中傳動(dòng)系的模型劃分成$&$.四種狀態(tài),在$,/0,-/12340256和$,/0,-/1/,/7809:平臺上建立了傳動(dòng)系的模型,并確定了各種狀態(tài)的初始運(yùn)行條件。以給定的加速踏板行程和制動(dòng)踏板行程作為前向式混合動(dòng)力汽車模型的輸入,在電動(dòng)運(yùn)行模式及內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)共同運(yùn)行模式兩種情況下對傳動(dòng)系模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表

19、明,傳動(dòng)系模型能夠保持內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的連續(xù)變化,并模擬出內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)和停機(jī),$*升擋和降擋等過程中離合器接合和分離,變速器掛擋和脫擋的過程,可以在面向控制算法開發(fā)的前向式混合動(dòng)力汽車模型中得到較好的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)&<,5;=*<71/,/798/<7>/98?07#/>2#,5(A->2(B7<2#07C,D>9#77(25E C98/<7F?,!,G!(H,5E H25E025,D,>/75$,I7>E J,7/,0=$9(7025E,5(;95/>9098, A->2(?07#/>2#B7<2#07=D>9#"5(F?B7<2#40,>*7#<5909E A ;9587>75#7"=!,!G"K&!%I90