基于负载补偿的功率分流混合动力系统模式切换性能测试方法.pdf
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1、2023 年(第 45 卷)第 10 期汽车工程Automotive Engineering2023(Vol.45 )No.10基于负载补偿的功率分流混合动力系统模式切换性能测试方法*李豪迪,赵治国,唐鹏,侯永平(同济大学汽车学院,上海 201804)摘要 由于功率分流混合动力系统性能测试台架与实际车辆的动力学特性存在差异,导致测试台架难以精确模拟实车的行驶负载特性,使得功率分流混合动力系统模式切换性能测试的准确度不高。为此,本文提出一种基于负载动态补偿的功率分流混合动力系统模式切换性能台架测试方法。首先,建立了考虑实际车辆道路负载、模拟发动机、功率分流混合动力专用变速器(dedicated
2、hybrid transmission,DHT)和测试台架传动系统的台架系统动力学模型;其次,针对纯电动至功率分流混合动力模式切换过程,对比分析了动力源的动态响应和台架系统模型的加载特性;然后,设计了基于转速闭环跟踪的转速前馈校正补偿器以提高负载模拟转速控制的抗干扰能力,并结合转矩前馈校正补偿器降低加载转矩的动态误差。最后,离线仿真和硬件在环台架试验结果表明:基于台架系统模型开发的负载动态补偿算法可提高测试台架加载精度32.67%以上,保证了功率分流混合动力系统模式切换性能测试的准确性。关键词:测试台架模型;功率分流混合动力系统;模式切换;负载补偿Power Split Hybrid Syst
3、em Mode Transition Performance Test Method Based on Load CompensationLi Haodi,Zhao Zhiguo,Tang Peng&Hou YongpingSchool of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804Abstract Due to the difference between the dynamic characteristics of the power split hybrid system performance test bench and
4、 the actual vehicle,it is difficult for the test bench to accurately emulate the driving load characteristics of the actual vehicle,so the accuracy of the mode transition performance test of the power split hybrid system is poor.Therefore,a test method based on load dynamic compensation is proposed
5、for mode transition performance of power split hybrid system in this paper.Firstly,a bench system dynamics model is established,considering the actual vehicle road load,emulation engine,power split dedicated hybrid transmission,and bench driveline system.Secondly,the dynamic response of power source
6、 and the loading characteristics of bench system model are compared and analyzed for the mode transition process from pure electric to power split hybrid.Then,a speed feedforward correction compensator based on speed closed-loop tracking is designed to improve the anti-interference ability of the lo
7、ad emulation speed control,and combined with the torque feedforward correction compensator to reduce the dynamic error of the load torque.Finally,the off-line simulation and hardware-in-the-loop tests are carried out.The results show that the load dynamic compensation algorithm based on the bench sy
8、stem model can improve the load accuracy by more than 32.67%,which ensures the precision of the power split hybrid system mode transition performance test.Keywords:test bench model;power split hybrid system;mode transition;load compensation doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.10.012*上海市科委科技创新项目(21DZ12
9、09700)和国家自然科学基金(51675381)资助。原稿收到日期为 2023 年 03 月 07 日,修改稿收到日期为 2023 年 04 月 18 日。通信作者:赵治国,教授,博士,E-mail:。2023(Vol.45)No.10李豪迪,等:基于负载补偿的功率分流混合动力系统模式切换性能测试方法前言面对日益严重的能源危机和环境污染,混合动力电动汽车得到了快速发展1。使用功率分流混合动 力 专 用 变 速 器(dedicated hybrid transmission,DHT)的混合动力系统作为主流技术方案已得到产业化开发与应用2-3。考虑到功率分流混合动力系统从纯电动向混合动力模式的切
10、换包括发动机起动、模式切换元件动作以及动力源切换等多个瞬态过程4-5,切换过程高、低频动力学特性复杂且控制难度大,开发高性能的模式切换协调控制策略已成为提高车辆驾驶平顺性的关键6。通常模式切换控制策略先基于车辆纵向动力学离线仿真模型开发,之后采用高动态性能测试台架对其进行优化、标定与验证,但由于实际测试台架与真实车辆传动轴结构、动力源以及道路负载作用方式差异,导致所开发的切换控制策略在台架测试时的适应性不足。因此,为缩短功率分流混合动力系统模式切换协调控制策略的测试时间,有必要开发一种基于真实车辆加载特性的台架仿真模型,并进行测试台架负载模拟补偿,以实现功率分流混合动力系统模式切换性能模拟与策
11、略验证。目前,研究人员针对电动汽车动力系统测试台架模型进行了大量研究。Liu等7开发了电力驱动系统试验台模型,该模型可用于研究电驱动系统的瞬态过程控制方法。Fajri等8开发了车辆电驱动系统测试台架模型,仿真结果表明该试验台模型具有较好的高速跟踪精度。Karol等9提出了一种开发电机负载仿真控制策略的试验台模型,可以模拟电机的线性和非线性动态,减少电机动态性能的调试时间。可见,针对电驱动系统动态性能测试建立的测试台架模型可实现良好的动态加载精度要求。然而,当测试台架的传动轴较长时,其转动惯量、阻尼等参数误差以及传动轴的扭转特性将恶化测试台架的转速闭环跟踪性能,从而降低负载模拟加载精度。因此,需
12、要搭建包含测试台架传动轴的测试台架模型,以进一步探究其负载模拟加载特性和加载转矩补偿方法。为提高测试台架的负载模拟精度,现有研究多通过设计基于加载装置转速闭环跟踪控制的补偿器对其加载转矩进行修正。Wang等10针对双电机履带车辆测试台架模型,采用转速闭环跟踪前馈补偿控制方法对负载模拟装置加载转矩进行补偿。Fajri等11采用双电机测试台架验证了电动车辆等效集中惯量模型的转速闭环跟踪性能。Liu等12针对混合动力系统开发了一种基于转速自适应预测控制的负载模拟方法,该方法可降低模型参数不确定性对控制精度的影响。Akpolat等13针对可编程测功机控制系统,设计了一种基于负载模拟转速闭环跟踪的转速前
13、馈补偿控制器。Gan等14设计了一种基于比例积分负载模拟转速闭环控制器的转速前馈补偿器,以消除测试系统的机械特性。刘和平等15采用转速闭环跟踪矢量控制方法实现了纯电动汽车测试台架的转动惯量补偿。王冠峰等16提出了一种电驱动系统台架试验动态补偿算法,采用卡尔曼滤波来实现模型误差的精确补偿。然而,功率分流混合动力系统相较于以上动力总成,其模式切换过程的发动机和电机动态协调响应精度受负载影响较大,传统的转速闭环跟踪控制补偿器难以满足测试台架更高的加载转矩精度要求,致使模式切换过程动力源的动态特性测试准确度不高。本文以功率分流混合动力系统性能测试台架为研究对象,提出了一种基于负载动态补偿的功率分流混合
14、动力系统模式切换性能台架测试方法。首先,建立测试台架系统模型;其次,针对从纯电动至功率分流混合动力模式切换过程,基于 Matlab/Simulink-AMEsim 平台搭建了测试台架仿真模型,并对模式切换及加载性能进行分析;之后,设计负载模拟转速闭环跟踪控制器以及补偿器;最后,对负载模拟补偿方法的有效性进行仿真和试验验证。1测试台架结构与动力学建模1.1测试台架结构功率分流混合动力系统性能测试台架如图1所示,主要由模拟发动机、功率分流DHT、车桥、左/右传动轴、测功机以及控制系统等组成,其中DHT通过左/右传动轴与测功机同轴连接,左/右传动轴是通过多根传动短轴以及膜片弹簧联轴器串联形成的刚柔耦
15、合传动长轴。功率分流DHT由拉维娜式行星排(PGS)、MG1 与 MG2 电机、B1 与 B2 制动器等组成。1.2负载模拟动力学模型测试台架需要能够模拟真实车辆行驶道路阻力矩,将负载模拟点等效至DHT的动力输出端,模拟 1909汽车工程2023 年(第 45 卷)第 10 期车辆和功率分流DHT参数如表1所示。DHT的等效输出端转矩由输出端转速和加速踏板开度查表得到,如图2所示。车辆行驶道路阻力矩为 Tv=(mdvvehdt+CDAv2veh21.15+mgfcos+mgsin)R(1)式中:Tv为真实车辆行驶道路阻力矩;m 为整车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;为道路坡度;CD为空
16、气阻力系数;A为迎风面积;为旋转质量换算系数;vveh为车速;R为车轮半径。加速踏板开度通过测功机转速跟踪车辆目标轮速求得:=kvp()E()k-E()k-1+kvd()E()k-2E()k-1+E()k-2E=veh-em(2)式中:为加速踏板开度;kvp为比例系数;kvd为差分系数;veh为车轮目标角速度;em为测功机角速度。车轮转速根据车辆等效转动惯量和阻尼计算得到:Tout-Tv=dvehdtJveh+vehcveh(3)式中:Tout为DHT输出端等效驱动转矩;Jveh和cveh分别为车辆的等效转动惯量和等效阻尼。测试台架为实现与式(3)相同的负载特性(即Tv=Tv),其等效惯量和阻
17、尼参数须满足:Tout-Tv=demdtJem+emcem(4)图1测试台架结构表1模拟车辆和功率分流DHT参数符号mfCdARiFD12JMG1JMG2JENGJvehJS1JS2JRJCcvehcMG1cMG2cTDSkMG1kMG2kTDSkL描述车身质量/kg滚动阻力系数空气阻力系数迎风面积/m2车轮半径/m主减速比前行星排传动比后行星排传动比MG1电机惯量/(kgm2)MG2电机惯量/(kgm2)发动机惯量/(kgm2)车辆等效惯量/(kgm2)前排太阳轮惯量/(kgm2)后排太阳轮惯量/(kgm2)齿圈惯量/(kgm2)行星架惯量/(kgm2)车辆等效阻尼/(Nmsrad-1)MG
18、1电机输出轴阻尼/(Nmsrad-1)MG2电机输出轴阻尼/(Nmsrad-1)扭转减振器阻尼/(Nmsrad-1)MG1电机输出轴刚度/(Nmrad-1)MG2电机输出轴刚度/(Nmrad-1)扭转减振器刚度/(Nmrad-1)DHT输出轴刚度/(Nmrad-1)数值1 5300.013 70.3072.190.313.5293.1742.3550.0410.0720.18212.050.0010.0010.0020.0020.0050.0010.0020.17 50012 5006192 863.3图2DHT等效输出端转矩查表 19102023(Vol.45)No.10李豪迪,等:基于负载
19、补偿的功率分流混合动力系统模式切换性能测试方法式中:Jem和cem分别为测试台架等效转动惯量和等效阻尼;Tv为测试台架加载转矩。1.3模拟发动机模型不考虑发动机内部复杂的物理及化学变化过程,采用1阶惯性环节模拟发动机驱动转矩的动态响应特性:TENG_ob=11+ENGsTENG(5)式中:TENG_ob为发动机实际转矩;ENG为发动机响应滞后时间;TENG为发动机目标转矩。1.4DHT动力系统模型DHT内部集成的MG1和MG2电机为永磁同步电机,关键参数如表2所示,为了可模拟其输入和输出特性(如转速、转矩、电流和效率等),本文建立电机控制系统模型7,经过坐标变换得到的电流方程为 IMGdIMG
20、q=23coscos()-23cos()+23-sin-sin()-23-sin()+23IaIbIc(6)电机电磁转矩方程为TMG=32pMGMGmIMGq+(Ld-Lq)IMGdIMGq(7)电机机械运动方程为TMG-TLoad=JMGMG+bMGMG(8)式中:IMGd和IMGq分别为d轴和q轴电流;Ia、Ib和Ic分别为三相电流;TMG为电磁转矩;pMG为极对数;MGm为永磁体磁链;Ld和Lq分别为d轴和q轴电感;TLoad为电机负载转矩;JMG为转动惯量;bMG为阻尼系数;MG为转角。将搭载功率分流DHT的整车传动系统等效为四弹性集中质量模型,如图 3所示。其中,S1和 S2分别为前
21、/后排太阳轮;P为行星轮;C为行星架;R为齿圈。四弹性集中质量模型的状态空间表达式为x=MG1S1MG2S2ENGCLR MG1S1MG2S2ENGCLRT(9)将MG1电机转矩TMG1、MG2电机转矩TMG2、发动机转矩TENG和Tv作为系统输入,结合式(7)可得:u=IMG1qIMG1dIMG1qIMG2qIMG2dIMG2qTENGTv(10)0J1x=kc01x+I0u(11)y=x(12)其中:=01000-(1+1)0100010-(1-2)0-2 J=JMG1000000000JMG2000000000JENG000000000Jveh0JMG1JS1JMG2JS2JENGJCJ
22、vehJR-1JMG1-1JS12JMG22JS200JvehJR表2电机关键参数符号pMG1pMG2MG1mLMG1qLMG1dMG2mLMG2qLMG2d描述MG1电机极对数MG2电机极对数MG1电机磁链/WbMG1电机q轴电感/mHMG1电机d轴电感/mHMG2电机磁链/WbMG2电机q轴电感/mHMG2电机d轴电感/mH数值660.005 450.40.20.010 60.60.3图3四弹性集中质量模型 1911汽车工程2023 年(第 45 卷)第 10 期 k=kMG1-kMG100000000kMG2-kMG200000000kTDS-kTDS00000000kL-kL00000
23、00000000000 c=cMG1-cMG100000000cMG2-cMG200000000cTDS-cTDS00000000cveh-cveh0000000000000000 I=32 pMG1MG1mpMG1()LMG1d-LMG1q000000pMG2MG2mpMG2()LMG2d-LMG2q0000002300000023pMG1MG1mpMG1()LMG1d-LMG1qpMG2MG2mpMG2()LMG2d-LMG2q2323-1pMG1MG1m-1pMG1()LMG1d-LMG1q2pMG2MG2m2pMG2()LMG2d-LMG2q0230000000000001.5测试台架
24、传动系统模型将台架传动系统等效为单轴4自由度集中质量模型17,如图4所示。建立测试台架传动系统动力学微分方程:Tout=axle_inJaxle_in+axle_incaxle_in+2ia(axle_outJaxle_out+axle_outcaxle_out+shaft_inJshaft_in+shaft_incshaft_in+shaft_outJshaft_out+shaft_outcshaft_out+Tv)(13)车桥传递的弹性转矩为Taxle=kaxle(axle_in/ia-axle_out)(14)车桥与刚柔耦合传动轴连接点的传递转矩为Ts=ks(axle_out-shaft
25、_in)(15)刚柔耦合传动轴的传递转矩为Tshaft=kshaft(shaft_in-shaft_out)(16)式中:J为转动惯量;为等效角速度;c为阻尼;k为弹性系数;ia为车桥传动比。测试台架加载转矩为测功机的电磁转矩,其与电流的关系为Tv=-1.5 Npm2srLr(IrdIsq-IrqIsd)(17)式中:Np为极对数;msr为转子磁通;Lr为转子电感;Ird和Irq为定子d-q轴电流;Isd和Isq为转子d-q轴电流。2模式切换台架测试性能分析2.1模式切换过程分析功率分流混合动力系统的工作模式如表 3所示。图4测试台架传动系统模型表3功率分流混合动力系统工作模式工作模式纯电动模
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- 基于 负载 补偿 功率 分流 混合 动力 系统 模式 切换 性能 测试 方法
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