摘要
混合动力汽车(hybrid electric vehicle, HEV)发动机启停过程伴随的转矩脉动,易诱发车辆传动系扭振,导致车辆动力不平顺。为解决上述问题,提出并验证基于电磁阻尼自适应模糊控制的传动系扭振主动控制方法。建立行星混联式混合动力汽车发动机启停工况动力学仿真模型和发动机启停控制逻辑,提出发动机启停扭振自适应模糊控制策略,开展2种运行状态下发动机启停工况仿真,对比分析无控制和自适应模糊控制下传动系扭转振动响应曲线。结果表明,自适应模糊控制相比无控制状态:定置停车时发动机启动和停机工况扭振平均衰减率分别为23.8%和30.1%,车辆行进间发动机启动和停机工况扭振平均衰减率分别为12.1%和23.6%。该方法可有效衰减发动机启停工况传动系扭转振动,提升混合动力汽车发动机启停工况NVH(noise, vibration, and harshness)性能。
混合动力汽车是一种将内燃机技术和电驱动技术相结合的集成创新成果,兼具了传统内燃机汽车长续航、动力特性和电动汽车低排放的优势,成为当前各大汽车厂商的研发热
混合动力汽车发动机启停工况扭转振动问题已经成为当前重点研究内容。Tang
基于上述分析,笔者对行星混联式混合动力汽车启停工况传动系扭振主动控制问题展开研究。首先对行星混联式混合动力汽车涉及发动机启停工况的车辆行驶模式进行了分析;其次建立了传动系动力学仿真模型和发动机启停控制模型;基于振动主动控制理论,设计并提出了自适应模糊扭振主动控制策略;最后利用建立的混合动力汽车传动系仿真模型验证了该控制方法的有效性。
研究对象为某型行星混联式混合动力汽车传动系统,其结构如

图1 行星混联式混合动力传动系结构图
Fig. 1 Structure of planetary hybrid powertrains
基于单元建模的思想,简化得到混合动力汽车传动系单元结构,如

图2 发动机启停工况单元结构图
Fig. 2 Unit structure of engine start-stop conditions
发动机曲柄连杆机构是由活塞、连杆和曲轴等部件组成的复杂系统,其结构简图如

图3 发动机曲柄连杆机构
Fig. 3 Engine crank linkage
由
。 | (1) |
式中,。
设曲轴角速度为,则
。 | (2) |
发动机气体作用力存在2种状态。
1)发动机工作状态。发动机工作运行状态下,发动机燃油缸内燃烧产生的气体力为
。 | (3) |
式中:为第j个气缸产生的燃烧气体作用力;为第j个气缸内燃烧气体产生的缸内压力随变化的函数;P0为大气压力;D为气缸直径。
2)发动机反拖状态。发动机反拖时气缸内不喷燃油,缸内不存在燃油燃烧做功的过程,但由于进排气门仍然按照正常的气门时序工作,即发动机进、排气过程仍然在进行,此时发动机压缩空气做功,产生的空气作用力阻碍发动机运转,从而产生反拖阻力
, | (4) |
, | (5) |
。 | (6) |
式中:为第j个气缸产生的空气作用力;为第j个气缸内压缩空气产生的缸内压力随变化的函数;Va为气缸总容积;为气缸容积随变化的函数;k为绝热系数;Vc为燃烧室容积。
发动机气体作用力在曲轴产生的扭矩计算公式为:
, | (7) |
式中:为转换系数;为气体作用力。
; | (8) |
(9) |
发动机惯性力矩主要由活塞往复运动的惯性力引起,根据牛顿第二定律,可得活塞运动方程:
。 | (10) |
式中,为第j个气缸产生的往复惯性力。
发动机往复惯性力在曲轴产生的扭矩计算公式为
。 | (11) |
式中,为第j个气缸产生的惯性力矩。
发动机摩擦力矩分为多个系统结构的摩擦力矩,分别为:活塞环黏性摩擦力矩Tf1、活塞环混合摩擦力矩Tf2、活塞裙部摩擦力矩Tf3、气门组摩擦力矩Tf4、附件摩擦力矩Tf5和主轴承摩擦力矩Tf6,各部分详细计算见文献[
。 | (12) |
混合动力汽车所用电机是永磁同步电机,其扭矩输出数学模型
。 | (15) |
式中:i为电流;ψ为磁链;下标d、q分别为电机旋转坐标系中的直轴和交轴分量;ψf为永磁体磁链;Tem为电磁转矩;p为电机极对数。
当电机采用id=0控制策略时,其扭矩模型可进一步简化为:
。 | (16) |
由

图4 电机电磁阻尼力矩特性图
Fig. 4 Characteristic diagram of electromagnetic damping of motor
由
。 | (17) |
式中:nem为电机转速;fb(·)为边界条件函数。
行星混联式混合动力汽车的变速箱为行星齿轮

图5 行星齿轮扭转振动动力学模型
Fig. 5 Dynamic model of torsional vibration of planetary gears
根据行星齿轮动力学模型,由牛顿力学定律可得其动力学方程如下。
行星架:
。 | (18) |
内齿圈:
。 | (19) |
太阳轮:
。 | (20) |
行星轮:
, | (21) |
。 |
式中:N为行星齿轮个数;Jc、Jr、Js和Jp,n分别为行星架、内齿圈、太阳轮和行星轮转动惯量;mp,n为行星轮质量;θc、θr、θs、θp,n分别为行星架、内齿圈、太阳轮、行星轮转动角位移;δs,n和δr,n分别为太阳轮、内齿圈与第n个行星轮产生的相对角位移;αs、αr分别为内啮合与外啮合的啮合角;rc为行星架回转半径;rr、rs分别为内齿圈和太阳轮的基圆半径;ksu为太阳轮轴扭转刚度;kcu、kru为行星架扭转刚度和内齿圈扭转刚度;kr,n和ks,n分别为第n个行星轮和内齿圈与太阳轮的啮合刚度。
行星混联式混合动力汽车不论是在停车状态下还是车辆行进间,发动机启停过程的控制逻辑基本一致。车辆发出发动机启动信号后,电机1输出扭矩带动发动机转动,当发动机转速达到设定阈值时,发动机ECU控制发动机开始喷油点火,实现发动机的启动;发动机停机过程较为简单,汽车发出停机信号后,发动机停止喷油点火,进而实现发动机停机熄火工况,整个发动机启停工况下,启动电机1扭矩输出和发动机节气门开度的控制量变化如

图6 启停工况下电机扭矩与节气门开度变化曲线
Fig. 6 Variation curve of motor torque and throttle opening during start-stop conditions
根据上一节分析可知,发动机启停过程中,电机1只在启动初始时刻输出扭矩拖动发动机到点火阈值转速,其他时刻驱动电机处于随动状态。通过控制电机1产生电磁阻尼力矩,对转速波动进行抑制与衰减,则可实现混合动力汽车发动机启停工况下传动系扭振主动控制。自适应模糊扭振主动控制策略的控制逻辑如

图7 扭转振动自适应模糊控制逻辑框图
Fig. 7 Logic block diagram of torsional vibration adaptive fuzzy control
笔者设计的自适应模糊控制包含一个双输入单输出模糊控制器,选取的控制器输入为扭转减振器输出端转速波动值和波动角加速度,电机1产生的期望阻尼力矩为输出量,减振器输出端转速波动期望值取0。定义模糊控制输入输出模糊子集为
式中:NL表示负大;NM表示负中;NS表示负小;ZO表示零;PS表示正小;PM表示正中;PL表示正大。
相应的模糊论域分别为
上述3个变量隶属度函数都采用高斯函数,模糊控制规则曲面如

图8 模糊控制规则曲面
Fig. 8 Fuzzy control rule surface
发动机转速对其扭矩波动也存在较大影响,以停机过程发动机阻力矩为例,根据文献[
, | (22) |
。 | (23) |
式中:K3为比例因子k3的基本值;λ为自适应调整系数;n为发动机波动转速;n0为转速阈值;τ为发动机转速缩放因子。自适应调整系数λ随发动机转速n的变化规律如

图9 自适应调整系数随转速变化曲线
Fig. 9 Curve of adaptive coefficient changing with speed
根据前文所建立的发动机启停工况行星混联式混合动力汽车传动系动力学方程和启停工况仿真控制策略,采用MATLAB/Simulink搭建动态仿真模型,对混合动力汽车发动机启停工况传动系扭转振动及其主动控制进行仿真分析。
车辆处于停车定置状态,即行星齿轮外齿圈处于静止状态,发动机启停工况下传动系各部件仿真结果如

图10 发动机启停工况仿真结果
Fig. 10 Simulation results of engine start-stop conditions
由
由

图11 自适应模糊控制发动机启停工况仿真结果
Fig. 11 Simulation results of engine start-stop conditions under adaptive fuzzy control

图12 控制前后发动机启停工况转速波动对比图
Fig. 12 Comparison of speed fluctuation under engine start-stop conditions
工况 | Δθpp/(r∙mi | 衰减率/% | |Δθ|/(r∙mi | 衰减率/% | ||
---|---|---|---|---|---|---|
无控制 | 主动控制 | 无控制 | 主动控制 | |||
点火工况 | 655.1 | 476.5 | 27.3 | 346.6 | 276.6 | 20.2 |
停机工况 | 156.5 | 109.6 | 30.0 | 79.8 | 55.7 | 30.2 |
由
首先车辆以纯电动工况行驶,4.0 s后发动机开始点火,执行点火控制程序,整个过程车辆处于行驶状态,行进间发动机启停工况下传动系各部件仿真结果如

图13 行进间发动机启停工况仿真结果
Fig. 13 Simulation results of engine start-stop conditions during driving
由

图14 自适应模糊控制行进间发动机启停工况仿真
Fig. 14 Simulation results of engine start-stop conditions under adaptive fuzzy control

图15 控制前后发动机启停工况转速波动对比图
Fig. 15 Comparison of speed fluctuation under engine start-stop conditions
工况 | Δθpp/(r∙mi | 衰减率/% | |Δθ|/(r∙mi | 衰减率/% | ||
---|---|---|---|---|---|---|
无控制 | 主动控制 | 无控制 | 主动控制 | |||
点火工况 | 508.3 | 423.3 | 16.7 | 286.1 | 264.9 | 7.4 |
停机工况 | 229.5 | 162.6 | 29.2 | 120.3 | 98.8 | 17.9 |
由
1)建立了考虑发动机扭矩波动和启停控制逻辑的行星混动汽车发动机启停工况动力学仿真模型,模型包括发动机、扭转减振器、电机以及行星齿轮变速箱,构建发动机启停控制逻辑和启停工况扭振主动控制策略,进行了车辆定置停车发动机启停和行进间发动机启停仿真研究。
2)提出了发动机启停传动系扭振自适应模糊主动控制策略,对比分析了扭振主动控制和无控制下发动机启停工况传动系扭转振动。结果表明笔者提出的方法相比无控制,停车状态发动机启动工况和停机工况的扭振平均衰减率分别为23.8%和30.1%;车辆行进间发动机启动和停机工况的扭振平均衰减率分别为12.1%和23.6%。本文方法可有效减轻发动机启停工况传动系扭振,提升车辆发动机启停工况的NVH性能。
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