CN108860134A - 一种广义状态方程四节点杠杆功率分流hev控制算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，其技术特点是：根据混合动力汽车模型，建立HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程；根据HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程，使用功率分流式混合动力电动汽车的结构，采用多个行星齿轮相结合的方法，对第一电机MG1和第二电机MG2进行力矩设计，根据发动机的功率、电池的功率及驾驶者的加速意图确定最佳操作线，并利用转速‑转矩关系以及运动方程的转矩控制算法，实现双电机模式的转矩协调控制优化。本发明设计合理，实现了多模式功率分流结构，使发动机在功率分流HEV混合操作模式下，运行在最佳运行速度上，可最大限度地减少燃料消耗和满足司机的加速需求。

Description

一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法
技术领域
本发明属于混合动力汽车模型控制技术领域，尤其是一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法。
背景技术
混合动力电动汽车(HEV)的功率分流式模式是由内燃机(ICE)和两个电机(MG1和MG2)所驱动，上述设备通过功率分流传动连接。在传动路径上(例如机械路径)，从ICE输出的功率直接传输至车轮中。在其他路径上(电气路径)，来自发动机的动力通过MG1转换成电能(或MG2)驱动的MG2(或MG1)实现给电池充电。这种配置具有许多优点，例如对于无级变速器(CVT)可实现从发动机到道路负载的解耦。此外，由于采用大功率电机，因此电动驱动模式下，可在车辆移动情况下实现发动机的启动和停止。这些特性使的车辆燃料消耗和废弃排放量得到减少和改善。
在功率分流式混合动力电动汽车控制中，最为重要的是如何控制两个电机，最大限度地减少燃油消耗和满足司机的需求。在现有混合动力汽车中，例如丰田功率分流HEV丰田普锐斯，仅由一组行星齿轮功率分流传动形式实现，用一个电机提供最佳的发动机工作状态，而另一个是用来驱动车辆。功率分流系统，如丰田普锐斯，它只有一个功率分流式结构即所谓的“单模式”功率分流HEV。然而，单模式功率分流式混合动力电动汽车由于在高速度范围内的转换效率较低，且考虑功率流和高功率的电子成本等原因，需要比较大容量的电动机。为了解决上述问题，考虑采用多个行星齿轮相结合的方法，引入多模式的功率分流结构，实现多功率分流结构。在多模式功率分流的研究过程中，需要对双电机复杂控制进行考虑，以体现功率传输特性。目前，关于功率分流HEV的控制研究通常是从开启/关闭发动机方式，确定发动机最佳燃油经济性的功率和速度，该方法仍然不能有效减少燃料消耗和满足司机的加速需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，该方法可运行在最佳操作线上，并可最大限度地减少燃料消耗和满足司机的加速需求。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，包括以下步骤：
步骤1、根据混合动力汽车模型，建立HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程；
步骤2、根据HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程，使用功率分流式混合动力电动汽车的结构，采用多个行星齿轮相结合的方法，对第一电机MG1和第二电机MG2进行力矩设计，根据发动机的功率、电池的功率及驾驶者的加速意图确定最佳操作线，并利用转速-转矩关系以及运动方程的转矩控制算法，实现双电机模式的转矩协调控制优化。
进一步，所述步骤1的具体实现方法为：
MG控制算法的主要控制目标是控制MG1和MG2的扭矩，使发动机在功率分流HEV混合操作模式下，运行在最佳运行速度。为此，控制目标和控制变量可确定为：
(1)控制目标值：所需发动机转速ωe_d；
(2)控制值：TMG1和TMG2。
计算用于控制发动机转速ωe的控制扭矩Tc，该扭矩包括发动机扭矩Te、电机扭矩TMG1和电机扭矩TMG2，其中，发动机扭矩Te根据公式进行计算：
车辆发动机速度ωe的动力学方程表示如下：
Tc是等效输入转矩，为转矩Te、TMG1和TMG2的总和。此过程可通过控制Tc和发动机转速变化率实现。表示如下；
其中，Kp为控制器的比例增益，Ki为控制器的积分增益，Kd为控制器的微分增益，Gfb为反馈控制器。
进一步，所述功率分流式混合动力电动汽车结构具有输入分流模式和复合分流模式，该结构包括第一行星齿轮组PG1、第二行星齿轮组PG2、一组离合器和制动器，所述第一行星齿轮组PG1包括行星齿轮R1、载体C1和太阳轮S1，所述第二行星齿轮组PG2包括行星齿轮R2、载体C2和太阳轮S2，行星齿轮R1的环齿轮直接连接到第二行星齿轮的载体C2，发动机连接到载体C1，第一电机MG1和第二电机MG2分别连接到太阳轮S1和太阳轮S2，环形齿轮R1和载体C2直接连接到输出轴。
进一步，所述步骤2中电机扭矩TMG1和电机扭矩TMG2分别为：
TMG1＝(Pb-ωMG2·TMG2·ηMG2)/(ωMG1·ηMG1)
{ifωMG1TMG1＜0and ωMG2TMG2＜0
TMG2＝-(Te-Je·Tc)·i/(b+a·(Pb-ωMG2·ηMG2)/(ωMG1·ηAvarI))
{ifωMG1TMG1＜0and ωMG2TMG2＜0}
其中，其中，Pb为电池功率，ωMG1为MG1输出速度，ωMG2为MG2输出速度，ηMG1为MG1的功率转换效率，PMG2，e为MG2的电力功耗，Tc为控制扭矩，Te为发动机扭矩、TMG1为MG1电机扭矩、TMG2为MG2电机扭矩。
本发明的优点和积极效果是：
本发明在分裂式混合动力汽车分析的基础上，采用多个行星齿轮相结合的方法，建立HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程，反映发动机和车辆的动力学特性，实现多模式的功率分流结构，使发动机在功率分流HEV混合操作模式下，运行在最佳运行速度上，可最大限度地减少燃料消耗和满足司机的加速需求。
附图说明
图1为最佳操作线可利用发动机功率转换为发动机转速曲线；
图2为发动机转速与功率的关系；
图3为电机MG1和电机MG2的转矩控制框图；
图4为使用功率分流式混合动力电动汽车的结构；
图5a为双模式功率分流混合动力电动汽车的杠杆模型-输入分流模式图；
图5b为双模式功率分流混合动力电动汽车的杠杆模型-混合分流模式图；
图6为双模式功率分流混合动力汽车模型实验配置；
图7为采用双模式功率分流混合动力汽车模型配置之后发动机采用最佳操作线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施做进一步详述。
一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，是在分裂式混合动力汽车分析的基础上，明确MG控制算法的主要控制目标是控制MG1和MG2的扭矩，使发动机在功率分流HEV混合操作模式下，运行在最佳运行速度。其控制目标和控制变量可确定为：
(1)控制目标值：所需发动机转速ωe_d；
(2)控制值：TMG1和TMG2。
如图1所示，为获得效率提升，发动机必须运行在最佳操作线上，最佳操作线可依据发动机的最佳热效率的角度确定。
由于发动机的动力由驾驶人意愿所决定，即油门踏板的踩下值。在确定Pe后，所需的发动机转速可根据图2确定。发动机扭矩Te可按下式计算：
Te、TMG1和TMG2为动力学方程输入，据此可得到车辆发动机速度ωe。该车辆发动机速度ωe的动力学方程可表示如下：
其中，Tc是等效输入转矩，为转矩Te、TMG1和TMG2的总和。本发明研究的目标是对ωe进行控制，此过程可通过控制Tc和发动机转速变化率实现。为此，设计如下反馈控制器：
其中，Kp控制器的比例增益，Ki为控制器的积分增益，Kd为控制器的微分增益，Gfb为反馈控制器。上述控制收益可根据控制规则调整进行选择。
在车辆提速过程中，如果油门踏板值(Ap)小于其设定的下限值Ap-low，则Pb值为0。这意味着，该车辆是由发动机驱动，没有电池供电的帮助。在此之后，油门踏板值(Ap)其设定的下限值Ap-low，那么Pb值会根据驾驶员的意图帮助加速车辆速度。如果油门踏板值Ap变得大于Ap_high，Pb会被限定在电池最大功率(Pb_max)。
如果在制动过程中，制动踏板值(BP)小于Bp-high，再生制动与制动踏板值BP成比例输出，电池充电功率同样与BP成正比。如果BP变得大于Bp-high，通过再生制动的充电功率被限定在电池的最大充电功率(Pb_charge_max)。
可以根据其他车辆的条件，包括电池的充电状态等进行调整。TMG1可根据TMG2利用Pb进行表示：
TMG1＝(Pb-ωMG2·TMG2/ηMG2)/(ωMG1/ηMG1)
{ifωMG1TMG1＞0and ωMG2TMG2＞0}
＝(Pb-ωMG2TMG2·ηMG2)/(ωMG1/ηMG1)
{if ωMG1TMG1＞0and ωMG2TMG2＜0}
＝(Pb-ωMG2·TMG2/ηMG2)/(ωMG1·ηMG1)
{ifωMG1TMG1＜0andωMG2TMG2＞0}
＝(Pb-ωMG2·TMG2·ηMG2)/(ωMG1·ηMG1)
{ifωMG1TMG1＜0andωMG2TMG2＜0}
利用TMG1代入公式，可利用下式对TMG2进行计算：
TMG2＝-(Te-Je·Tc)·i/(b+a·(Pb-ωMG2/ηMG2)/(ωMG1/ηAvarI))
{ifωMG1TMG1＞0andωMG2TMG2＞0}
＝-(Te-Je·Tc)·i/(b+a·(Pb-ωMG2·ηMG2)/(ωMG1/ηAvarI))
{ifωMG1TMG1＞0andωMG2TMG2＜0}
＝-(Te-Je·Tc)·i/(b+a·(Pb-ωMG2/ηMG2)/(ωMG1·ηAvarI))
{ifωMG1TMG1＜0andωMG2TMG2＞0}
＝-(Te-Je·Tc)·i/(b+a·(Pb-ωMG2·ηMG2)/(ωMG1·ηAvarI))
{ifωMG1TMG1＜0andωMG2TMG2＜0}
TMG1和TMG2之间的关系可表示为：TMG1·a/i+TMG2·b/i＝-(Te-Je·Te)。
如图3所示，如果Pe事先给定，可据此对Te和ωe_d进行确定。TMG2可根据公式进行计算，其涉及到在发动机转速ωe和电池功率Pb上的反馈控制。
图4给出使用功率分流式混合动力电动汽车的结构。它具有输入分流模式和复合分流模式。为实现双模式，模型中设置两个行星齿轮组(PG1，PG2)，并使用一组离合器和制动器。第一行星齿轮R1环齿轮直接连接到第二行星齿轮的载体C2。发动机连接到载体C1，同时，MG1和MG2分别连接到太阳轮S1和S2。环形齿轮R1和载体C2直接连接到输出轴。
图5a和图5b给出了双模式功率分流混合动力电动汽车的杠杆模型，其中图5a为输入分流模式，当出现刹车情形时，第二个行星齿轮作为一个减速齿轮工作。因此，可以认为MG2对位于C2-R1。图5b为混合分流模式，由同时踩刹车离合和接合离合器实现。由于离合器的接合，C1和R2具有相同的速度，该混合分流模式杠杆关系模型可以归结为一个杠杆关系模型，如图5b所示。
为了验证本发明的效果，进行如下试验：
如图6所示，本发明对实验装置进行设计，并可通过MG1和MG2实现发动机能力的放大和缩小，然后用于实际的车辆，以验证所提出的控制算法的性能。在这个实验中，MG3发挥发动机的作用，一个连接逆变器1和逆变器2的三相PWM变换器充当MG1和MG2之间蓄电池的作用。气动离合器和制动器是用于离合器，制动系统。压力应用于气动离合器和制动控制的气动比例控制调节器。
图7给出了采用双模式功率分流混合动力汽车模型配置之后发动机采用最佳操作线。该最佳操作线考虑到了MG1，Mg2和MG3(发动机)的修正能力。从最佳操作线可知，所需发动机转速(h)和力矩(f)是根据所需特定发动机功率进行确定。如果蓄电池功率，所需发动机转速和转矩已给出，对MG1和MG2进行转矩控制。因此，如果发动机的速度合理满足所需的发动机转速(h)，则发动机运行在最佳操作线(e)上。MG1转速是由发动机转速和输出转速进行确定。输出速度(a)和发动机转速(h)按照设定转速进行控制。MG2(i)的速度在模式转换点处突然发生变化，这是因为在混合分流模式下，杠杆距离b变为负值。
此外，MG1速度(i)变化不大，因为两种模式具有相同的杆距离值，在双模式功率分流HEV控制中，MG1和MG2传递发动机的动力至输出轴。因为电池功率初始设置为零(d)，则MG2(j)产生的汽车当量相当于MG1产生的电功率。由于内部齿轮和轴承的功率损失会导致导致一个相对输入功率较小的输出功率。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、根据混合动力汽车模型，建立HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程；
步骤2、根据HEV四节点杠杆模型的广义状态空间方程，使用功率分流式混合动力电动汽车的结构，采用多个行星齿轮相结合的方法，对第一电机MG1和第二电机MG2进行力矩设计，根据发动机的功率、电池的功率及驾驶者的加速意图确定最佳操作线，并利用转速-转矩关系以及运动方程的转矩控制算法，实现双电机模式的转矩协调控制优化。
2.根据权利要求1所述一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：
控制算法的控制目标是控制MG1和MG2的扭矩，使发动机在功率分流HEV混合操作模式下，运行在最佳运行速度；控制目标和控制变量可确定为：
控制目标值：所需发动机转速ωe_d；
控制值：TMG1和TMG2；
计算用于控制发动机转速ωe的控制扭矩Tc，该扭矩包括发动机扭矩Te、电机扭矩TMG1和电机扭矩TMG2，其中，发动机扭矩Te根据公式进行计算：
车辆发动机速度ωe的动力学方程表示如下：
Tc是等效输入转矩，为转矩Te、TMG1和TMG2的总和，该过程是通过控制Tc和发动机转速变化率实现的，表示如下；
其中，Kp为控制器的比例增益，Ki为控制器的积分增益，Kd为控制器的微分增益，Gfb为反馈控制器。
3.根据权利要求1所述一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，其特征在于：所述功率分流式混合动力电动汽车结构具有输入分流模式和复合分流模式，该结构包括第一行星齿轮组PG1、第二行星齿轮组PG2、一组离合器和制动器，所述第一行星齿轮组PG1包括行星齿轮R1、载体C1和太阳轮S1，所述第二行星齿轮组PG2包括行星齿轮R2、载体C2和太阳轮S2，行星齿轮R1的环齿轮直接连接到第二行星齿轮的载体C2，发动机连接到载体C1，第一电机MG1和第二电机MG2分别连接到太阳轮S1和太阳轮S2，环形齿轮R1和载体C2直接连接到输出轴。
4.根据权利要求1所述一种广义状态方程四节点杠杆功率分流HEV控制算法，其特征在于：所述步骤2中电机扭矩TMG1和电机扭矩TMG2分别为：
TMG1＝(Pb-ωMG2·TMG2·ηMG2)/(ωMG1·ηMG1)
{ifωMG1TMG1＜0 andωMG2TMG2＜0
TMG2＝-(Te-Js·Tc)·i/(b+a·(Pb-ωMG2·ηMG2)/(ωMG1·ηAvarI))
{ifωMG1TMG1＜0andωMG2TMG2＜0}
其中，Pb为电池功率，ωMG1为MG1输出速度，ωMG2为MG2输出速度，ηMG1为MG1的功率转换效率，PMG2,e为MG2的电力功耗，Tc为控制扭矩，Te为发动机扭矩、TMG1为MG1电机扭矩、TMG2为MG2电机扭矩。
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