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混合动力汽车扭矩需求管理与优化

电动汽车控制研究现状

电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多的国家的重视。发展以电能为核心能源的新能源汽车是缓解全球范围内能源危机,减少污染的重要途径之一。为了顺应这个潮流,电动汽车、混合动力汽车得到了飞速的发展,开发电动汽车控制技术是今后汽车工业发展的必然方向。新能源汽车的关键控制问题主要包括:混合动力汽车扭矩需求管理、电动汽车电池管理系统、电机驱动控制、能量回收控制。

混合动力汽车扭矩需求管理与优化

混合动力汽车(Hybrid electrical vehicle HEV) 至少包含两个动力供给装置和辅助的能量转换器。通常,其配备一个内燃机、电动机和一个辅助的电力储存系统,如电池或超级电容。不同的行驶工况(起步、定速巡航、减速制动、爬坡等),HEV的内燃机和电动机均运行在不同的工作状态。通过使用高效率电机和电能储存系统,以及优化车辆运行和发动机操作,可以有效降低燃油消耗和减少空气污染。能源管理策略要解决的核心问题正是如何合理配置发动机和电气设备的输出动力,既要满足驾驶员对整车驱动力的需求,同时又要优化发动机、电动机、蓄电池以及整车的效率,而且动力分配过程还受到发动机最高转速、电动机最高转速、发动机最大功率、电动机最大功率、电动机最小功率(发电机最大功率)等条件的限制,属于受约束的优化问题。

随着开发的深入进行,除了能量优化管理技术,扭矩动态协调控制越来越引起人们的重视。扭矩动态协调控制主要针对高度瞬态过程,例如混合动力模式切换、车辆起步、加减速等工况,对发动机、电机、离合器进行扭矩的综合控制。针对并联式混合动力汽车,以发动机扭矩或车辆的扭矩为主要参数,通过扭矩变化来协调匹配发动机、变速箱、制动和车辆动态控制之间的关系。基于并联式混合动力汽车不同的工作模式及时变的发动机扭矩需求得到了相应的能源管理策略。

针对混合动力汽车中内燃机与电机之间存在的动力耦合和分离过程中能量管理策略的复杂性,提出了基于模糊逻辑控制的扭矩管理策略。在使用AMT的并联式混合动力汽车中,离合器作为发动机和电机的动力耦合装置,在驱动模式切换,如由EV模式切换到PHEV、 CV模式时,需要启动发动机并接合离合器以便将发动机动力平稳地接入驱动系统。同时,在换挡时,需要协调控制动力传动系统快速、平顺地完成换挡过程。不论是能量优化管理技术还是扭矩动态协调控制都可以看作基于扭矩管理的动力总成控制。扭矩管理策略以扭矩作为最主要的控制变量,在发动机和电动机之间对扭矩而不是对功率进行合理的分配。

串联式混合动力汽车中,发动机与车轮之间没有机械动力耦合。与并联式混合动力汽车相比,串联式混合动力电动汽车可以避免并联型和混联型的机械装置和控制系统的复杂性,同时可在提高发动机燃油经济性及环保性的前提下缓解现行车载电源续驶里程有限的不足。在简单的开关式规则控制中,发动机工作在一恒定的最优点,如何充分利用以上串联式混合动力汽车的结构特点,从系统优化的角度优化辅助功率单元(Auxiliary power unit APU)(主要是发动机)的运行是串联式混合动力汽车能量分配策略的关键。

另一方面,由于动态变化过程中APU存在动态能量损失,在实际能量分配策略的优化中必须考虑APU的动态行为。增程式电动车是以电动机为主,发动机为辅工作的串联式混合动力汽车,发动机的唯一作用是发电。所谓增程式电动汽车,就是当车载电池电量消耗至最低临界限值时,增程器将自动启动并为其继续提供电能,以实现高达数百公里的续驶能力。另外,增程式电动汽车的电池容量只需纯电动汽车的40%左右,极大地降低了成本。

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