并聯(lián)混合動力汽車錐齒輪耦合器控制系統(tǒng)設(shè)計

張雪松 李雪亭 劉友朋

(1.中原工學(xué)院 機電學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.臺達電子企業(yè)管理(上海)有限公司，上海 201209)

0 引言

混合動力汽車與傳統(tǒng)車輛不同之處在于有多種動力源，包括發(fā)動機、電機、可充放電的能量電池。協(xié)調(diào)三種能量源的裝置就是耦合器。常見耦合器有液力耦合器、錐齒輪機構(gòu)耦合器、行星齒輪機構(gòu)耦合器等。液力耦合器是通過電磁閥控制油液壓力和流量達到控制目的，電磁閥一般為成本較高的比例流量閥，為保證控制精度液力耦合器對油液清潔度要求很高，但是液壓油粘度容易受環(huán)境溫度影響而油液溫度變化導(dǎo)致壓力發(fā)生變化，從而影響整個系統(tǒng)的控制性能。此外液力耦合器需要一個儲油罐，生產(chǎn)成本和維修成本比較高。而本文研究的錐齒輪機構(gòu)耦合器結(jié)構(gòu)和制造工藝相對簡單，生產(chǎn)成本及維修成本較低。因整個執(zhí)行機構(gòu)的傳動系都是機械傳動，所以傳動可靠，對環(huán)境的適應(yīng)力強，不會因為環(huán)境溫度等因素的變化而變化。

1 電機助力控制策略

電機助力控制策略是將發(fā)動機作為主動力源，電機驅(qū)動及儲能電池作為輔助動力源，以保證發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，電機對發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩進行削峰填谷。電機也要保證能量電池的荷電狀態(tài)保持在一定范圍內(nèi)。

2 并聯(lián)混合動力汽車錐齒輪耦合器建模及控制設(shè)計

2.1并聯(lián)混合動力汽車總體結(jié)構(gòu)

并聯(lián)混合動力汽車主要由發(fā)動機、電動機、蓄電池、減速器、主減速器、動力耦合裝置等總成構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并聯(lián)混合動力汽車傳動系結(jié)構(gòu)圖

2.2并聯(lián)混合動力汽車能量傳送路線分析

并聯(lián)混合動力汽車的能量需求在轉(zhuǎn)矩耦合器處分為兩路，一路為通過電機到能量存儲系統(tǒng)的能量流，另一路為通過離合器到發(fā)動機的能量流。其中電機既可以充電又可以發(fā)電，還可以根據(jù)能量需求單獨驅(qū)動車輛運行。

2.3錐齒輪耦合器工作原理介紹

耦合器為錐齒輪機構(gòu)如圖2所示，耦合器與發(fā)動機之間通過離合器傳遞轉(zhuǎn)矩。耦合器錐齒輪1與離合器輸出軸同軸，耦合器錐齒輪2與電機同軸，耦合器錐齒輪3與變速器輸入軸同軸。該耦合器能實現(xiàn)發(fā)動機和電機的同軸輸入,通過控制離合器的結(jié)合、分離能實現(xiàn)多種驅(qū)動模式的靈活切換。

圖2 耦合器機械結(jié)構(gòu)模型

耦合器工作原理：耦合器輸出需求轉(zhuǎn)矩是在循環(huán)工況下，將車輪、主減速器、變速器等車輛總成的需求轉(zhuǎn)矩輸入ECU計算出來的。

該轉(zhuǎn)矩加上耦合器傳遞機械損失轉(zhuǎn)矩得出耦合器需求輸入轉(zhuǎn)矩。先將所得到的耦合器需求輸入轉(zhuǎn)矩與耦合器發(fā)動機端實際輸入轉(zhuǎn)矩做比較。將發(fā)動機未滿足的需求能量分配給電機，得到電機需求轉(zhuǎn)矩。電機傳遞給耦合器的實際轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機傳遞給耦合器的實際轉(zhuǎn)矩之和再減去耦合器傳遞機械損失轉(zhuǎn)矩就是耦合器實際輸出轉(zhuǎn)矩。

2.4錐齒輪耦合器控制系統(tǒng)設(shè)計及Simulink建模

國內(nèi)學(xué)者對耦合器的研究雖然不少，但是關(guān)于其控制系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)文獻卻不多。耦合器控制的功能及要求主要有下面幾方面：

1)輸出動力不發(fā)生干涉。耦合裝置需保證來自不同動力裝置的機械動力彼此間不發(fā)生運動干涉，不影響傳動效率。

2)動力合成。將來自不同動力裝置的機械動力合成，實現(xiàn)混合動力驅(qū)動工作模式。

3)動力分解與能量回饋。耦合裝置應(yīng)允許將發(fā)動機動力全部或一部分傳遞給電機，電機以發(fā)電模式工作，為動力電池組充電，還可以整車制動時實施再生制動，回收制動能量。

4)輔助功能。耦合裝置應(yīng)能充分利用電機低速大轉(zhuǎn)矩的特點實現(xiàn)車輛起步，利用電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)倒車。

充分考慮上述要求，結(jié)合并聯(lián)混合動力汽車的工作需求及特點，設(shè)計耦合器控制系統(tǒng)。

將發(fā)動機作為汽車主驅(qū)動源，電機作為輔助動力源。使電機對發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩進行削峰填谷，同時將蓄電池組的SOC值保證在一定范圍內(nèi)。設(shè)計的耦合器控制系統(tǒng)如下。

控制系統(tǒng)設(shè)計原理如圖3：

該耦合器控制系統(tǒng)需要三個輸入信號，產(chǎn)生三個輸出信號。下面根據(jù)三個不同的輸出信號及其數(shù)學(xué)模型來闡述控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(1)耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)矩

根據(jù)系統(tǒng)能量守恒原理，考慮耦合器轉(zhuǎn)矩損耗，可得到耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)矩與耦合器輸出端需求轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下:

TIRcp=TORcp+Tlosscp

(1)

nIRcp=nORcp

(2)

耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)速等于耦合器輸出端需求轉(zhuǎn)速。

圖3 耦合器控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖

其中TIRcp為耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)矩，TORcp為耦合器輸出端需求轉(zhuǎn)矩，Tlosscp為耦合器損失轉(zhuǎn)矩。nIRcp為耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)速，nORcp為耦合器輸出端需求轉(zhuǎn)速。

Simulink模型如下圖4：

圖4 耦合器Simulink模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)1

圖4所示模型1中，耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)矩等于耦合器輸出端需求轉(zhuǎn)矩加上耦合器損失轉(zhuǎn)矩的和。其中，耦合器損失轉(zhuǎn)矩為定常數(shù)。若耦合器需求輸出轉(zhuǎn)速小于零則損失轉(zhuǎn)矩為零。

(2)耦合器電機端輸入需求轉(zhuǎn)矩

根據(jù)功率平衡原理，計算電機需求輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如下：

TRmcp=(TRcp-TAfcp)×Kmf

(3)

nRmcp=fmin(nAfcp,nORcp)×Kmf

(4)

其中，TRmcp為耦合器電機端輸入需求轉(zhuǎn)矩，TRcp耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)矩，TAfcp為經(jīng)離合器傳遞的發(fā)動機端實際轉(zhuǎn)矩，Kmf為電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比，nRmcp為耦合器電機輸入端需求轉(zhuǎn)速，nAfcp為耦合器發(fā)動機輸入端實際轉(zhuǎn)速，nORcp為耦合器輸出端需求轉(zhuǎn)速。

Simulink模型如下圖5：

圖5 耦合器Simulink模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)2

圖5所示模型2中，耦合器電機端輸入需求轉(zhuǎn)矩等于(1)中所得耦合器輸入端需求轉(zhuǎn)矩減去經(jīng)離合器傳遞的發(fā)動機端實際轉(zhuǎn)矩的差，再除以電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比。

耦合器電機端輸入需求轉(zhuǎn)速等于耦合器需求輸出轉(zhuǎn)速與經(jīng)離合器傳遞的發(fā)動機端實際轉(zhuǎn)速兩者中的最小值，乘以電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比。

(3)耦合器輸出端實際轉(zhuǎn)矩

通過定義電機轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比，由功率平衡關(guān)系得到耦合器實際輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如下：

TOAcp=TAmcp×Kmf+TAfcp-Tlosscp

(5)

nOAcp=fmin(nAmcp/Kmf,fmin(nAfcp,nORcp))

(6)

其中，TOAcp為耦合器輸出端實際轉(zhuǎn)矩，TAmcp為耦合器電機端實際輸入轉(zhuǎn)矩，TAfcp為經(jīng)離合器傳遞的發(fā)動機端實際轉(zhuǎn)距。

Simulink模型如下圖6：

圖6 耦合器Simulink模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)3

圖6所示模型3中，耦合器輸出端實際轉(zhuǎn)矩等于耦合器電機端實際輸入轉(zhuǎn)矩與電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比之積，加上經(jīng)離合器傳遞的發(fā)動機端實際轉(zhuǎn)距，再減去耦合器損失轉(zhuǎn)矩。

耦合器輸出端實際轉(zhuǎn)速等于耦合器電機端實際輸入轉(zhuǎn)速與電機與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比之積，同(2)中所得耦合器需求輸出轉(zhuǎn)速與經(jīng)離合器傳遞的發(fā)動機端實際轉(zhuǎn)速，兩者中的最小值之間的最小值。

在Simulink里搭建的耦合器控制封裝模型如圖7：

圖7 耦合器控制系統(tǒng)

耦合器控制系統(tǒng)是由上圖所示三個輸入及三個輸出信號經(jīng)公式(1)至(6)建立的數(shù)學(xué)模型搭建的控制系統(tǒng)。

耦合器Simulink模型內(nèi)部總結(jié)構(gòu)如下圖8：

圖8 耦合器Simulink模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)總圖

圖8所示為耦合器控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型。該錐齒輪耦合器與傳統(tǒng)的行星機構(gòu)動力耦合器比較，機械結(jié)構(gòu)更加簡單，因而控制系統(tǒng)算法也比后者簡單，系統(tǒng)運行速度更快。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1耦合器控制模型數(shù)據(jù)來源

以某城市循環(huán)工況為數(shù)據(jù)來源研究并聯(lián)混合動力汽車離合器控制。循環(huán)工況數(shù)據(jù)如下：

表1 某城市循環(huán)工況基本參數(shù)

3.2耦合器控制模型仿真結(jié)果及分析

通過對上面所建的錐齒輪耦合器控制模型進行仿真運行，分別得到耦合器輸出需求轉(zhuǎn)矩曲線、耦合器輸入需求轉(zhuǎn)矩曲線、發(fā)動機輸入實際轉(zhuǎn)矩曲線、電機輸入需求轉(zhuǎn)矩曲線，如圖9～14所示。

圖9 耦合器輸出需求轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖10 耦合器輸入需求轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖11 發(fā)動機輸入實際轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖12 電機輸入需求轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖13 電機輸入實際轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖14 耦合器輸出實際轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖9、圖11的仿真結(jié)果表明，汽車起步時所需轉(zhuǎn)矩由發(fā)動機提供61 N·m，由電機提供180 N·m。發(fā)動機轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)矩經(jīng)耦合器減速增距齒輪機構(gòu)共提供363 N·m轉(zhuǎn)矩，起步為小油門電機助力起步，既節(jié)能又環(huán)保。

圖11、圖12、圖13仿真結(jié)果表明在26秒、31秒、33～38秒、43秒左右發(fā)動機通過電機給能量電池充電。其中33～38秒左右，發(fā)動機無需求轉(zhuǎn)矩為制動制動能量回收，將制動時發(fā)動機的慣性轉(zhuǎn)矩通過電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能給電池充電。說明該控制能很好的利用發(fā)動機能量大大提高了發(fā)動機的機械效率，實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性最佳。

圖9和圖14的仿真結(jié)果證明耦合器輸出需求轉(zhuǎn)矩與耦合器輸出實際轉(zhuǎn)矩相等。該耦合器控制模型能很好實現(xiàn)并聯(lián)混合動力汽車的能量分配。

4 結(jié)論

1. 錐齒輪機構(gòu)耦合器與傳統(tǒng)的行星齒輪機構(gòu)耦合器比較，結(jié)構(gòu)更簡單。通過離合器與發(fā)動機的機械連接實現(xiàn)發(fā)動機動力的中斷與傳遞。在簡化了耦合器的機械結(jié)構(gòu)的同時，也使其控制系統(tǒng)更簡單。只需兩對錐齒輪就可以實現(xiàn)發(fā)動機、電動機及能量電池三種能量源的動力整合及需求能量分配。

2. 根據(jù)錐齒輪耦合器工作原理建立了控制系統(tǒng)模型；

3. 對建立的錐齒輪耦合器Simulink模型進行了仿真分析，結(jié)果表明，該耦合器控制策略能很好的實現(xiàn)并聯(lián)混合動力汽車的能量管理。完全滿足并聯(lián)混合動力汽車耦合器的功能需求，同時耦合器在動態(tài)運行時的仿真控制參數(shù)可為生產(chǎn)企業(yè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考。為豐富和完善并聯(lián)混合動力汽車耦合器設(shè)計以及提高其運行可靠性，提供有效保障。

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