输出耦合功率分流液压混合动力系统控制策略.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 1 卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S F e b ． 2 01 3 Vo I ． 41 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 3 输出耦合功率分流液压混合动力系统控制策略 仝猛 ，赵慧 ，Mo n i k a I V A N T Y S YN O V A 1 ．武汉科技大学机械 自动化学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 ； 2 ．普度大学 Ma h a流体动力研究中心，拉法叶 4 7 9 0 5 ，美国 摘要液压混合动力技术能够改善车辆燃油经济性 ，减少汽车尾气排放，具有重要的工程应用价值。研究了输出耦合 功率分流传动系统的工作模式、功率流特性及其控制策略，并以此为基础，进一步分析了输出耦合功率分流液压混合动力 传动系统的结构、工作模式，并提出了针对该系统的控制策略。为输出耦合功率分流液压混合动力技术的进一步研究提供 了依据。 关键词 液压混合动力；输出耦合功率分流；控制策略 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 3 0 4 8 4 Co n t r o l S t r a t e g y o n Ou t p u t Co u p l e d P o we r S p l i t Hy d r a u l i c Hy b r i d P o we r S y s t e m T0NG Me ng ． ZHAO Hu i ． Mo n i k a I VANTYS YNOVA 1 ． C o l l e g e o f M a c h i n e r y a n d A u t o m a t i o n ，Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， W u h a n Hu b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a 2 ． P u r d u e U n i v e r s i t y Ma h a F l u i d P o w e r R e s e a r c h C e n t e r ，L a f a y e t t e 4 7 9 0 5 I N．U S A Abs t r a c t T h e f u e l e c o n o my o n v e h i c l e c a n b e i mp r o v e d b y h y d r a u l i c h y b ri d p o w e r t e c h n o l o g y ， a n d e mi s s i o n r e d u c e d ． I t h a s g r e a t v a l u e o n e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n ． T h e o p e r a t i o n a l mo d e，c h a r a c t e ris t i c o f t h e p o we r fl o w a n d c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e o u t p u t C O U p l e d p o w e r s p l i t t r a n s mi s s i o n w e r e s t u d i e d ． F u rt h e r ， o n t h i s b a s i s ， t h e s t r u c t u r e a n d o p e r a t i o n a l mo d e o f t h e o u t p u t c o u p l e d p o we r s p l i t h y d r a u l i c h y b ri d p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m w e r e a n a l y z e d，a n d a c o n t r o l s t r a t e gy a i mi n g a t t h i s k i n d o f s y s t e m wa s p u t f o r w a r d ． T h e s e wo r k s p r o v i d e r e f e r e n c e f o r f u r t h e r s t u d y o f t h e o u t p u t c o u p l e d p o we r s p l i t h y d r a u l i c h y b rid p o w e r t e c h n o l o g y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c h y b ri d p o w e r ；Ou t p u t c o u p l e d p o we r s p l i t ；C o n t r o l s t r a t e gy 随着能源危机的加剧和环保问题 日益严峻，对车 辆燃油经济性和排放性能有极大提高和改善的混合动 力传动技术逐渐引起了各国政府、研究机构及汽车制 造商的高度重视 ，并得到越来越广泛的应用。 制动能再生技术为混合动力汽车的一项关键节能 技术 ，与蓄电池、飞轮和超级电容等几种常用蓄能元 件相比，液压蓄能器具有高比功率、高循环效率、长 时间储能以及全充和全放能力强等特点 。因此 ，液 压混合动力技术得到 日益广泛的关注。 目前 ，世界各国研究开发的混合动力汽车根据动 力系统的连接方式不 同 ，可 以分 为 串联 式 、并联 式 、 混联式3种组合方式 。国内科研机构对液压混合动 力的研究主要集中在串联式和并联式 ，混联式技术则 发展缓慢。 混联式液压混合动力也称功率分流液压混合动 力，是串联式系统和并联式系统的综合。它体现了串 联式和并联式系统的优点，功率分流机构的引入，使 传动系统效率更高，可传递的功率也较大，并可实现 系统的无级调速 。但相比于串联式和并联式系统， 功率分流液压混合动力系统结构和控制系统都更加复 杂。因此 ，功率分流液压混合动力系统工作模式的确 定是对该类系统研究的基础 ，能量管理策略是对该系 统研究的重点和难点。 功率分流液压混合动力传动系统是以功率分流传 动 系统为基础 ，通过加入液压蓄能器 ，实现制动能 回 收和再利用。功率分流传动系统根据分流机构和汇流 机构的不同有输出耦合和输入耦合等几种基本结构形 ，文中主要 以输 出耦合功率 分流液压混合 动力 系统为例展开研究。首先在第 1 节中分析了输出耦合 功率分流传动系统 不含液压蓄能器 ，不存在能量 的回收与再利用的组成、工作模式、功率流及控 制策略，并以此为基础 ，在第 2节中进一步分析了输 出耦合功率分流液压混合力传动系统的工作模式及控 制策略。 收稿日期2 0 1 2 0 1 1 2 基金项目武汉科技大学绿色制造与节能减排中心开放基金资助项 目 B 1 0 0 6 作者简介仝猛 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，研究方向为液压混合动力系统设计。Em a i l t o n g b i n g q i a n 1 6 3 ． c o rn。 第 3期 仝猛 等 输出耦合功率分流液压混合动力系统控制策略 4 9 1 输 出耦合功率分流传动系统分析 1 ． 1 系统 结构 图 1 为输出耦合功率分流传动系统结构简图。图 中液压元件 1 和元件2分别为变排量液压泵／ 马达。发 动机输出轴与行星排行星架相连，液压元件 1 转轴与 行星排齿圈相连，液压元件 2转轴与行星排太阳轮相 连，行星排太阳轮通过主减速器与车辆驱动轴相连 。 图中功率分流机构为内外啮合单行星排，功率汇流机 构为固定轴齿轮，发动机输 出功率被行星齿轮排分为 两路，一路直接由机械轴传递，一路由液压系统传递， 而后再由固定轴齿轮耦合传递至车辆驱动轴。 图 1 功率分流传动系统结构简图 1 ． 2 单行 星排 工作模式分析 输出耦合式功率分流传动系统中分流机构单行星 排的结构如图2 a 所示 ，单行星排 由太 阳轮 A、行 星架 B、齿圈 c 3个元件组成 ，各元件之间的转速特 性 与转矩特性方程式如下 Ai o t O c一 1一i 0 B0 一 A l 一 一 ∞ r 。 t aB 0 一 Z A B c1 i 01 一i 0 式中 、 、∞ 为行 星排 三元 件旋 转 角速度 ， r a d ／s ； 、 为行星排三元件转矩，N ／ m； 为行星排结构传动比； z A 、z B 、z 为行星排三元件齿数。 因行星排结构传动比 i 。为负值 ，可知太 阳轮与 齿圈转矩方向相同，行星架转矩方向与其相反。 单 行星排三元件转 速方 向可 用 图解 法来 确定 ，3 个速度向量起点在同一条垂线上，终点可用直线连 接 。如图2 b 所示。 C齿圈 行 A 太阳轮 a 单行星排结构简图 b 单行星排三元件速度关系 图2 单行星排结构与转向示意图 现假设发动机转速确定 ，可知行星排行 星架 B 转速 确定，定义发动机转速为正，发动机输出转 矩为正，即行星排行星架转速与输入转矩为正，功率 通过行星架输入行星排。 根据车辆在不同工况下的行驶速度要求和行星排 特性 ，分析行星排 的工作模式如下 1 车辆倒车 行星排太阳轮与行星架转向相反，而齿圈与行星 架转向相同。太阳轮转向与转矩同为负，转矩与转速 方向相同，输入功率；而齿圈转速为正，转矩为负， 转速与转矩方向相反，输出功率。 2 车辆怠速 太阳轮转速为零，无功率流；齿圈与行星架转向 相同，齿圈转速与转矩方向相反 ，输出功率。 3 车辆起步加速 太阳轮转速由零逐渐增大，其转速与转矩方向相 反，输出功率；而齿圈转速逐渐减小，其转速与转矩 方向亦相反 ，输出功率。 4 全机械工作点 当车速增加到一个确定速度时，齿圈转速减小为 零 ，无功率流。此时太 阳轮依然输出功率，定义此时 车速为全机械工作点速度 。 5 车辆正向加速 车辆继续加速，太阳轮速度持续增加，直到太阳轮 速度达到最大， 此过程中太阳轮依然输出功率；而齿圈 转速负方向增加，其转速与转矩方向相同，输入功率。 综上，输出耦合功率分流传动系统中单行星排的工 作模式和三元件的转速、扭矩、功率流方向如表1 所示。 表 1 单行星排三元件工作模式 第 3期 仝猛 等 输出耦合功率分流液压混合动力系统控制策略 5 1 合动力传动系统包含一个高压蓄能器和一个低压蓄能 器。高低压蓄能器分别连接在油路 A和油路 B上。 利用液压阀来控制蓄能器与液压回路的通断。 图 6 输出耦合功率分流液压混合动力传动系统结构简图 为了提高效率 ，减少排量 ，要尽可能地回收制动 能量，用于驱动汽车起步加速。相比于输出耦合功率 分流传动系统 ，输出耦合功率分流液压混合动力传动 系统为了实现能量的回收和再利用，必须使用更复杂 的控制策略，以实现系统更多的工作模式。 。 。 1 车辆起步 车辆起步过程发动机处于高油耗工况 ，如果采用 蓄能器驱动车辆起步 ，当车速达到一定 速度 后 ，再关闭蓄能器由发动机驱动车辆，这样则可节省 燃油 ，提高燃油利用率。在这种工作模式中高压蓄能 器内压力必须保持在一定压力 P 之上 ，以确保液 压元件 2能够输出足够大的转矩驱动汽车加速。在此 工作模式下系统的功率流如图7所示 。 图7 蓄能器驱动模式系统功率流图 液压元件 1的排量 由车速及高压蓄能器压力控 制，即车速小于 高压蓄能器压力大于 P 。 时液压 元件 1 的排量为零 ，发动机空转，由蓄能器驱动车 辆。液压元件 2的排量由期望车辆牵引力和高压蓄能 器压力控制，以确保液压元件 2能提供足够转矩。 2 发动机驱动模式 如果车辆以一定的速度行驶 ，或者加速过程中车 速大于 或高压蓄能器压力小于P 。 时，蓄能器系统 关闭，车辆完全由发动机驱动。此时 ，输出耦合功率 分流液压混合动力传动系统与输出耦合功率分流传动 系统工作模式和控制策略完全相同。 3 再生制动模式 在车辆刹车时，液压元件 2必须 以泵模式工作 ， 为驱动轴提供一个负转矩 ，液压元件 1的排量为零。 系统功率流如图 8 所示。从液压元件 2 流出的高压油 将为高压蓄能器充能，实现对刹车能的回收、储存。 液压元件 2的排量及其输 出的转矩由期望车速控制。 高压蓄能器充满后高压油将通过溢流阀流人低压蓄能 器。此时没有能量传递至液压元件 1 或发动机。考虑 到安全性能和车辆紧急制动的情况，系统应该加入附 加制动器 。 u t ●一 一 图8 再生制动模式系统功率流 综上所述 ，混合动力传动系统控制策略的关键问 题是在不同车辆行驶工况下对两种动力源的选择。输 出耦合功率分流液压混合动力传动系统以期望车速作 为控制输入信号，并实时监控高压蓄能器的储能状态 和实际车速，作为能源选择 的依据。在起步加速时， 若高压蓄能器内压力大于P ，用蓄能器驱动车辆。此 时液压元件 1 排量为零 ，发动机空转。当蓄能器中压 力小于P 。 或车速达到一定速度 ／3 。 时关闭蓄能器 ， 由发动机驱动车辆，使用顺序控制策略，控制流程如 图9 a 所示。车辆倒车时的控制策略与起步加速相 同。车辆刹车时，可根据实际情况判断是否需要紧急 制动。非紧急制动时采用能量再生制动，回收车辆动 能储存于蓄能器中，紧急制动时采用摩擦制动器制 动，控制流程如图9 b 所示。 a 车辆起步控制流程 b 车辆制动控制流程 图9 输出耦合功率分流液压混合 动力传动系统控制流程图 3 总结 以输出耦合功率分流传动系统为基础，分别分析 了该传动系统在车辆倒车、怠速、起步加速、全机械 工作点、正向加速等不同工况下的工作模式、功率流 特性 ，提出了针对该系统的顺序控制策略。并以此为 下转第7 3页 第 3期 张炎亮 等基于 G MC 1 ， 模型的多品种、小批量产品质量预测方法研究 -7 3 对 比图 1和图 2发现 两个模 型对前 5个 数据 的 预测都较为准确，第 6 个数据预测值与原始值相差较 大 ，但是 G M 1 ， 1 模型的预测值与原始值的差距更 大 ，第 7和第 8 个数据 G MC 1 ， 2 预测值与原始值之 间的差值较小。如图3 所示，G M 1 ， 1 模型的预测精 度曲线波动比 G MC 1 ， 2 大，证 明 G MC 1 ， 2 模型的 预测精度要比 G M 1 ， 1 高，预测效果好。 通过对比发现，传统的质量预测模 型在没有考 虑质量的影响因素的情况下，对质量的预测是不准 确的，因为在一个系统 中，每个事物都要受到周围 其他事物或多或少的影响 ，要对其中一个进行研究 分析 ，不能将它与其他 的事物分割开 ，不然实用价 值就比较小。而 G MC 1 ， 2 将影响轴承 内圈内径大 小的影 响因素考虑到模 型中，增 加 了模 型的复杂 性 ，但是却提高了内径大小 的预测精度 ，因此 ，对 于多品种 、小批量产品质量预测而言，是一个很好 的预测模型。 4结论 在多品种 、小批量的质量 预测过程 中，影响质 量的因素很多 ，例如产 品的生产环境 、生产设备和 工作人员工作技能及综合素质等 ，在进行质量预测 时 ，不能仅考虑表征质量特征的原始数据对预测值 的影响 ，还应该将影 响因素综合考 虑到预测模 型 中，使得预测值更具有实用价值 。有鉴于此 ，作者 尝试利用 G MC 1 ， n 模型对多品种、小批量产品进 行多质量指标的质量预测 ，结果表明此方法在一 定程度上提高了产品的预测精度，是行之有效 的质 量预测模型。但是 ，由于多品种、小批量制造工艺 的复杂性以及生产过程的不确定性 ，影响产 品质量 的因素有很多 ，而如何将这些 因素尽可能全面综合 地引入到预测模型，对产 品质量进行更高精度的预 测 ，尚需进 一步研究 。 参考文献 【 1 】 郑唯唯， 梁俊俊． 多品种 、 小批量产品过程质量集成控制 研究[ J ] ． 中国制造业信息化， 2 0 0 7 ， 3 6 7 1 9 2 4 ． 【 2 】黄军． 多 品种小批量短生命周期产 品标准工时研究 [ J ] ． 质量与标准 ， 2 0 1 0 9 5 7 6 2 ． 【 3 】张炎亮． 基于 G M模型的大规模定制质量预测问题研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 0 2 7 2 8 ． 【 4 】 郑波 ， 费树岷， 王雯 ， 等． B T 神经网络模型在纺纱质量预 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统的结构、工作模式，初步探讨了两种能源的选择方 法和控制方法，提出了针对输出耦合功率分流液压混 合动力传动系统的控制流程 ，使该系统能够综合串联 式和并联式系统的优点 ，更好地实现车辆排放和燃油 消耗的控制 目标。 参考文献 【 1 】苏欣平， 肖汇， 杨钢， 等． 混合动力汽车的效率分析及发 展趋势 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 0 5 7 5 8 ． 【 2 】 杜玖玉， 苑士华 ， 魏超 ， 等． 车辆液压混合动力传动技术 发展及应用前景 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 2 1 8 1 1 8 4 【 3 】C A R L B l a k e ． H y d r a u l i c P o w e r S p l i t C o n t i n u o u s l y V a r i a b l e T r a n s m i s s i o n s F o r H e a v y D u t y T r u c k A p p l i c a t i o n s [ D] ． P u r d u e U n i v e r s i t y， 2 0 0 7 41 1 ， 1 5～2 0 ． 【 4 】W I L L I A M E K y l e ． E n e r g y R e c o v e r y F o r H y d r a u l i c I n p u t C o u p l e d P o w e r S p l i t D r i v e s [ D] ． P u r d u e U n i v e rs i t y ， 2 0 0 7 1 32 9． 【 5 】刘修 骥． 车辆传动系统分 析[ M] ． 国防工业 出版社， 1 9 9 8 4 95 1 ． 7 0 7 3 ． 【 6 】赵克刚， 罗玉涛． 一种液压储能汽车的混联式新方案 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 4 1 8 2 1 ． 【 7 】杜玖玉， 苑士华， 胡纪滨， 等． 新型车用功率分流式液 压混合动力传动研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 8 8 2 2 25．