多离合器ISG混合动力汽车分层多模式切换协调控制与优化

The power interruption or the torque fluctuation occurs during the course of mode switch for hybrid electric vehicles. The existing methods that employ the electric motor to compensate actively the torque delay of the engine have some defects, such as complex algorithm, low control precision and great chattering of control variables. Based on the traditional research methods, this project systematically investigates the coordinated control and optimization in mode switch for an ISG hybrid electric vehicle with multi-clutch that integrates the mild, medium and full hybrid mode. Firstly, based on multi-clutch engagement / disengagement law, mode switch is divided into working modes layer (namely, coordination between engine and motor) and electric driving modes layer (namely, coordination between ISG motor and major motor) in order to reduce the algorithm complexity. Secondly, by employing switched control theory, each running mode is regarded as a different subsystem of the switched system in the process of modeling. By use of intelligent control algorithm, the torque coordinated distribution is accomplished for each subsystem. In terms of adaptive sliding mode control, it could reduce chattering of control variables, improve control precision and achieve smooth switching among subsystems. Afterwards, according to the prediction models of driving cycle, switching rules are optimized based on multi-objective optimization algorithm, which can ensure that the vehicle works smoothly under the optimum running mode, such as high efficiency, energy efficiency and environmental protection. Finally, a hardware-in-loop simulation test platform is exploited to verify the rationality and validity of the proposed models and control scheme.

混合动力汽车在模式切换过程中容易出现动力中断或扭矩波动，已有采用电机主动补偿发动机扭矩滞后量的方法存在算法复杂、控制精度低、控制变量抖动大等问题。项目以集轻、中和重度三种混合模式为一体的多离合器ISG混合动力汽车为对象，在借鉴和发掘传统研究思路和方法的基础上，系统完整地探索其模式切换协调控制与优化方法。首先，基于多离合器的接合/分离规律，实现工作模式（即发动机与电机间协调）和电驱动模式（即ISG电机与主电机间协调）两个层面上的切换，以减小算法复杂度。其次，利用切换控制理论，在建模中将不同运行模式视为切换系统的不同子系统，基于智能控制算法，实现各子系统的扭矩协调分配；采用自适应滑模控制算法，抑制控制变量抖动，提高控制精度，实现子系统间平滑的切换。然后，基于工况预测模型，对切换规则进行多目标优化，实现汽车平稳、高效、节能与环保的最佳运行模式。最后，利用硬件在环仿真试验平台对设计方案进行验证。

混合动力汽车（HEV）控制与优化是影响车辆性能的关键技术之一，传统控制与优化方法大多仅考虑燃油经济性和排放性能，忽略了影响车辆动力性和驾驶平顺性等动态性能，从而导致驾驶性能恶化，制约了HEV的推广应用。本课题从HEV多模式切换本质入手，将HEV动态协调控制与优化问题纳入到切换系统理论体系，兼顾影响燃油经济性和排放性能等静态行为，以及影响驾驶平顺性的动态行为，寻求多模式切换下动态协调控制策略。课题组主要成果包括：（1）在多模型切换系统理论框架下，建立了驱动系统切换模型，提出了一种由行星齿轮机构和定轴齿轮机构组成的ISG-HEV混合式机电耦合系统结构方案，实现了对两个输入转速和两个输入转矩的分别控制；（2）针对各动力源特性不同、运行模式复杂等问题，结合工况以及电池SOC等信息，将ISG-HEV运行模式细分为工作模式切换和电驱动模式切换两个层面，探究得到了了16种运行模式间的切换切换规则，为研究HEV模式切换动态协调控制与优化奠定了基础；（3）分别提出了基于分层、基于干扰补偿、基于H∞鲁棒控制、基于μ综合以及针对伴随有发动机起动和无发动机起动的多种模式切换动态协调控制方法，提高了整车燃油经济性和驱动系统效率，降低了尾气排放量和模式切换过程中的转矩波动，实现了模式切换的平顺性；（4）设计了基于恒等效因子、基于变等效因子和基于工况识别的变等效因子瞬时优化控制方法，提高了等效燃油消耗的计算精度和整车燃油经济性；（5）将传动系统效率统一为综合效率表达式，设计了效率最大控制策略，提高了传动系统效率；（6）针对因发动机频繁起/停易造成摩擦损失大、燃油消耗高、尾气排放剧增和对传动系冲击大等问题，基于模型预测理论，采用滚动优化结合反馈校正的方法，设计了一种发动机起/停优化算法，降低了发动机起/停频率，保证了发动机、电池均工作在高效区。搭建了HEV电子控制试验平台，验证了所提出控制策略的有效性。