混合動力汽車發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)建模及應(yīng)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(shù)革命的主要推動力?；旌蟿恿ζ囃瑫r采用發(fā)動機和電機驅(qū)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(zhuǎn)速振蕩使AMT(AutomaticManualTransmission)換檔時間加長并在驅(qū)動ISG(IntegratedStarterGenerator)發(fā)電過

2、程中轉(zhuǎn)速振蕩，不僅破壞了整車的乘坐舒適性，還導(dǎo)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(diào)速系統(tǒng)進行深入研究。本文結(jié)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(diào)速系統(tǒng)以消除轉(zhuǎn)速振蕩，減少整車換檔時間，提高動力性、燃油經(jīng)濟性和乘坐舒適性。 為從整車角度綜合考核發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)動力學(xué)特性，本文建立了發(fā)動機的瞬態(tài)動力學(xué)調(diào)

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

4、量綱模型重構(gòu)氣缸壓力變化過程，根據(jù)曲柄-滑塊機構(gòu)確定發(fā)動機指示扭矩，應(yīng)用拉格朗日方程分析發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)動慣量并求得往復(fù)慣性扭矩，以曲軸轉(zhuǎn)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(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速-扭矩-節(jié)氣門開度關(guān)系，采用HCU控制發(fā)動機管理系統(tǒng)并調(diào)節(jié)節(jié)氣門，建立了調(diào)速模塊與混合動力汽車電控系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，使調(diào)速系統(tǒng)在復(fù)雜的混合動力汽車電控系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。根據(jù)調(diào)速工況的基本控制策略，將PID控制策略引入Fuzzy控制，

5、構(gòu)成Fuzzy-PID雙模復(fù)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(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)速差變化率最小隸屬度為加權(quán)系數(shù)，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(diào)速系統(tǒng)動力學(xué)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(zhuǎn)速起到?jīng)Q定性的作用。由于曲柄連桿機構(gòu)復(fù)雜的運動方式，往復(fù)慣性扭矩和瞬時

6、轉(zhuǎn)動慣量的變化對動力學(xué)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?qū)χ甘九ぞ氐男螤钣泻艽蟮挠绊?。分別采用PID控制方法和Fuzzy-PID方法對各種工況下轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況進行了對比仿真，在Fuzzy-PID控制下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，超調(diào)較小，同時在極限工況下能夠滿足大轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)。 為標定并驗證調(diào)速系統(tǒng)動力學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)試驗標準設(shè)計了調(diào)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(shù)整定

7、試驗、發(fā)動機空載調(diào)速性能試驗、換檔調(diào)速試驗和發(fā)動機帶動ISG低負荷發(fā)電試驗及混合驅(qū)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(shè)定較小時，PID控制器調(diào)整范圍縮小，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，當閾值較大時發(fā)動機轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性變差。發(fā)動機空載試驗工況在高速情況下，響應(yīng)速度更快，超調(diào)??；帶動ISG發(fā)電低負荷發(fā)電工況轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速能夠在較短時間內(nèi)調(diào)整

8、到理想的換檔速度，且減少了轉(zhuǎn)速振蕩。與未經(jīng)調(diào)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(shè)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(zhuǎn)速振蕩，改善了轉(zhuǎn)速的響應(yīng)品質(zhì)，提高了乘員舒適性和整車燃油經(jīng)濟性。同時本文建立的調(diào)速系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)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(xué)模型，建立了包括ISG及整車模型在內(nèi)的混合動力汽車調(diào)速系統(tǒng)模型為系統(tǒng)的優(yōu)化、參數(shù)標