基于Cruise的PHEV動(dòng)力總成集成控制研究論文
0 引 言
隨著石油危機(jī)和傳統(tǒng)汽車(chē)尾氣排放給環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，全球開(kāi)始重點(diǎn)研發(fā)低排放、低消耗的HEV。由于追求低排放和低消耗，HEV動(dòng)力總成電子控制單元和電子裝置也不斷增加，以控制某種局部功能為目標(biāo)的各部件ECU，如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、電動(dòng)機(jī)ECU、蓄電池 ECU、動(dòng)力耦合器 ECU 等相繼得到研究。但動(dòng)力總成系統(tǒng)作為一個(gè)機(jī)電大系統(tǒng)，其性能優(yōu)劣不能僅體現(xiàn)在局部功能上，需要盡可能使汽車(chē)在某一工況下各種性能達(dá)到一定程度上的最優(yōu)。因此，研究動(dòng)力總成系統(tǒng)各部件之間的集成控制成為HEV電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。
本研究以并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)為主體，研究動(dòng)力總成系統(tǒng)各部件ECU的集成控制，探索提高整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的控制策略與方法。
1 動(dòng)力總成集成控制原理
動(dòng)力總成集成控制系統(tǒng)主要包括：系統(tǒng)ECU、發(fā)動(dòng)機(jī) ECU、電動(dòng)機(jī) ECU、蓄電池 ECU、動(dòng)力耦合器ECU。不同部件ECU具有不同的目標(biāo)、知識(shí)和資源，并且能單獨(dú)地對(duì)信息進(jìn)行處理、分析并做出決策。而系統(tǒng)ECU能對(duì)具有不同目標(biāo)、知識(shí)和資源的部件ECU的任務(wù)進(jìn)行合理安排，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，最大程度地完成各自的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)ECU不能完成的任務(wù)。即從總體上控制動(dòng)力總成各部件的性能，優(yōu)化PHEV動(dòng)力總成系統(tǒng)，使PHEV動(dòng)力總成匹配策略具有整體性，解決動(dòng)力總成系統(tǒng)根據(jù)具體工況的自適應(yīng)匹配問(wèn)題。這種集成控制不是把各動(dòng)力部件單獨(dú)地相加，而是從整體上把握各動(dòng)力部件的工作特性，做到各部件協(xié)調(diào)控制從而達(dá)到整體上的最優(yōu)。
2 控制系統(tǒng)框架
如何將動(dòng)力總成各部件ECU組織成一個(gè)群體使它們能有效地協(xié)調(diào)合作，提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能是筆者研究的關(guān)鍵。
集成控制系統(tǒng)包括多傳感器系統(tǒng)、系統(tǒng)ECU及動(dòng)力總成各部件ECU。多傳感器系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集車(chē)輛運(yùn)行信息及動(dòng)力總成各部件工作狀況信息，并將其傳遞給系統(tǒng)ECU。系統(tǒng)ECU負(fù)責(zé)集成控制的決策和信息的處理和傳遞，具有最高的智能水平，其功能是根據(jù)多傳感器系統(tǒng)采集的信息(如實(shí)時(shí)路況、駕駛員動(dòng)作等)，對(duì)整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)的運(yùn)行狀況做出評(píng)估并形成決策，對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理分配，協(xié)調(diào)各部件ECU的競(jìng)爭(zhēng)和合作，從而達(dá)到整體控制效果的最優(yōu)。動(dòng)力總成各部件ECU在接收系統(tǒng)ECU綜合調(diào)配的基礎(chǔ)上，自主決定相應(yīng)的'控制策略，盡量最優(yōu)化控制子目標(biāo)，并將控制的效果反饋給系統(tǒng)ECU，作為其評(píng)估和調(diào)配的參考。動(dòng)力總成各部件主要執(zhí)行各部件ECU交代的任務(wù)，最終完成工作模式的判別和動(dòng)力的合理分配。
3 仿真模型構(gòu)建
利用Simulink建立的動(dòng)力總成集成控制系統(tǒng)頂層模型如圖2所示。該模型由系統(tǒng)ECU模型、動(dòng)力耦合器ECU模型、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模型、電動(dòng)機(jī)ECU模型和蓄電池ECU模型組成。
3.1 系統(tǒng)ECU模型
在整個(gè)動(dòng)力總成集成控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)ECU主要任務(wù)是判斷汽車(chē)行駛模式、分析數(shù)據(jù)并對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理分配。
本研究建立的系統(tǒng)ECU模型如圖3所示。在汽車(chē)行駛過(guò)程中系統(tǒng)ECU不斷檢測(cè)汽車(chē)的需求轉(zhuǎn)矩和電池的SOC(State of Charge)。根據(jù)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)分析處理確定汽車(chē)處于哪種工作模式，并將信息傳送給動(dòng)力耦合器ECU，動(dòng)力耦合器ECU根據(jù)汽車(chē)的工作模式信息確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作狀態(tài)和動(dòng)力輸出。
3.2 動(dòng)力耦合器ECU模型
本研究動(dòng)力耦合器ECU接收系統(tǒng)ECU給出的工作模式信息，通過(guò)動(dòng)力耦合器控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力輸出，并為各動(dòng)力部件分配動(dòng)力。
3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模型
發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)動(dòng)力總成的關(guān)鍵部件，筆者根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性，建立的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模型如圖5所示。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和改善排放性能為目標(biāo)，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在最佳工作區(qū)，合理控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。
4 仿真分析
4.1 Cruise建模
為了驗(yàn)證集成控制在PHEV動(dòng)力總成系統(tǒng)中的控制效果，本研究基于AVL List公司的Cruise軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的集成控制模型進(jìn)行仿真校驗(yàn)。某型傳統(tǒng)轎車(chē)的仿真參數(shù)如表1所示，以此為基礎(chǔ)，在Cruise中建立的PHEV仿真模型如圖9所示，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、電池、傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等模塊。本研究建好整車(chē)框架后加載子模塊數(shù)據(jù)，與Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真。
4.2 結(jié)果分析
在Cruise環(huán)境的UDC循環(huán)工況下，本研究對(duì)軟件自帶的Hydrid1模型和集成控制模型進(jìn)行了仿真模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)。
5 結(jié)束語(yǔ)
(1)本研究采用Matlab/Simulink與Cruise軟件對(duì)PHEV動(dòng)力總成進(jìn)行了集成控制仿真建模，對(duì)比分析了控制效果，集成控制策略下的 PHEV 動(dòng)力總成在UDC工況下能獲得滿(mǎn)意的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性;
(2)仿真中，本研究從全局的角度考慮了多能源動(dòng)力總成的匹配協(xié)調(diào)問(wèn)題，將邏輯門(mén)限、狀態(tài)圖與運(yùn)行模式有機(jī)結(jié)合，快速實(shí)現(xiàn)PHEV動(dòng)力總成對(duì)不同狀態(tài)切換的匹配協(xié)調(diào)，為HEV動(dòng)力總成系統(tǒng)的集成控制研究提供了一種新的方法和途徑。
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