混合电动汽车动力系统机电耦合动态运行机理及鲁棒控制算法

The smooth transition of hybrid electric vehicle powertrain (HEVP)from one operation mode to another when discrete dynamic event happens has significant influence to the drivability, comfortable,reliability and durability of hybrid electric vehicles. This project focus on the continuous variable dynamic process and discrete event dynamic process,especially the transient process that the system go through from a discrete event is triggered to a new continuous stable state; construct a comprehensive and detailed system model based on the hybrid system theory to explore the continuous and discrete dynamic process; study on the characteristic of transient torque and transient speed of the transmission shaft,construct a transient torque observer model based on the transient shaft speed signal, find out the key influence factors and reveal the running mechanism of the internal combustion engine and electric motor coupling system; present a control algorithm and validate it on dynamic test bed, to realize the requirements of rapid response, small jerk, stable,good drivability and comfort for the HEVP during the operation mode swithing, study on the control algorithm by simulation and test on dynamic test bed to obtain robust control and reliability of the HEVP, present new theory to support the HEVP control.

混合电动汽车动力系统的工作模式切换离散事件动态过渡过程的平稳性，是影响混合电动汽车的舒适性、可靠性和耐久性的重要原因。针对混合动力系统兼有连续变量和离散事件动态过程的特性、尤其是系统从离散事件产生到重新回到稳定连续期间的过渡过程协调控制问题，基于混杂系统理论建立混合动力系统的全面和详细的动态模型，阐明系统的连续运行、状态切换、尤其是状态切换过渡过程的特性；结合台架实验和小波分析手段，研究动力系统轴系在瞬时转矩输入激励下的瞬时转速响应特性，建立基于瞬时转速信号的瞬时转矩观测器模型，揭示影响系统运行平顺性的影响因素和系统机电耦合动态运行机理，为系统的协调鲁棒控制提供理论支撑；最终提出相应的系统动态协调鲁棒控制算法并基于原型控制器进行台架实验验证，实现混合动力汽车工作模式切换控制所要求的响应速度快、动力波动和冲击小、稳定性好、舒适高的要求，解决混合动力系统动态过程协调控制的鲁棒性和可靠性问题。

油电混合动力汽车是当前最有前途进行大批量生产的低油耗低排放汽车。由于多种工作模式的存在，混合动力系统在工作过程中需要在各种工作模式间进行切换，对混合动力系统这种混杂系统特性进行建模和动态过程协调控制是保证混合动力汽车平顺和可靠工作必须解决的关键问题。本项目针对最典型的传动轴耦合式并联混合动力系统的模式切换过程和换挡过程转矩控制策略进行研究，旨在解决系统动态过程协调控制的稳定性和鲁棒性，达到最佳的转矩控制，实现系统的动态平顺运行。项目研究了混合动力系统中发动机、电机以及离合器三个关键部件的动态动力学模型建立方法，并对它们的转矩和转速控制响应特性进行了分析和建模。采用神经网络和平均值模型相结合的方法建立了发动机的动态转矩模型，为发动机动态转矩估计算法提供了参考。采用最大转矩电流比的控制策略，对电机的转矩响应特性进行了研究，发现电机的转矩响应实时性能够满足混合动力系统中的快速调速和转矩补偿的需要。运用混杂自动机对并联混合动力系统进行了数学建模和仿真建模。研究了电机补偿发动机转矩的模式切换控制策略，发现该控制策略可以很好地降低系统在模式切换过程中的系统转矩波动和冲击度，但是该控制策略依赖于对发动机和电机的动态转矩的准确估计，对系统的各种延迟和扰动带来的影响难以适应，控制的鲁棒性差。为了解决控制的鲁棒性问题，提出了基于模型预测的离合器控制策略，对控制参数进行了优化，采用拉格朗日算子加快系统的运算速率，使算法能够实时应用，并对算法的鲁棒性进行了证明，仿真表明所提出的算法具有很好的控制效果，并且能够适应工况变化和参数变化的影响，具有鲁棒性。项目将算法移植到dSPACE原型控制器中，并进行了控制器的硬件在环路仿真测试，结果表明所提出的控制算法能够达到预期的控制目标。项目的研究结果对典型传动轴耦合式混合动力系统的模式切换过程控制提供了有效的控制算法，有较好的应用前景。