功率分流混合动力系统模式切换连续瞬态冲击机理及其性能客观评价

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.04.013

摘要/Abstract

摘要：

针对功率分流混合动力系统模式切换过程连续瞬态冲击机理尚不明确且缺乏客观评价指标和方法的问题，本文探究了模式切换连续瞬态冲击机理及其性能客观评价方法。首先，结合动力传动系统高动态性能测试台架，建立了考虑转矩过零、齿轮副啮合时变刚度、齿隙及驱动电机转矩脉动的功率分流混合动力专用变速器（DHT）瞬态扭振模型；其次，研究了DHT模式切换过程转矩过零变化机理，提出了考虑转矩过零次数和模式切换时间的连续瞬态冲击性能时域评价指标，并采用短时傅里叶变换方法建立了基于冲击度时频特性的频域评价指标；最后，以纯电动向功率分流混动模式切换过程为例，采用变异系数法对不同加速踏板开度和齿隙影响下的连续瞬态冲击性能进行了客观分析评价。结果表明，功率分流DHT动力输出端转矩频繁过零和齿隙间的耦合作用是引发模式切换过程连续瞬态冲击的主要原因，减小齿隙可降低最大振幅频率100～200 Hz范围内的连续瞬态冲击；同时，根据综合评价得分对比，得到了模式切换过程连续瞬态冲击性能优化参数，本研究可为功率分流混合动力系统模式切换平顺性协调控制策略优化提供支撑。

关键词: 功率分流, 混合动力系统, 模式切换, 连续瞬态冲击, 客观评价

Abstract:

For the problem that the continuous transient impact mechanism in mode transition process for power split hybrid power system is not clear and there is no objective evaluation index and method， the mechanism of continuous transient impact in mode transition and the objective evaluation method of its performance are explored in this paper. Firstly， a transient torsional vibration model of dedicated hybrid transmission （DHT） is established with consideration of torque crossing zero， time-varying stiffness of gear pair meshing， backlash and torque ripple of drive motor based on the high dynamic performance test bench of the power transmission system. Secondly， the mechanism of torque crossing zero change during DHT mode transition is studied， and a time-domain evaluation index of continuous transient impact performance is proposed considering the number of torque crossing zero and mode transition time， and a frequency-domain evaluation index based on time-frequency characteristics of impact degree is established by short-time Fourier transform method. Finally， taking the transition process of pure electric to power split hybrid mode as an example， the coefficient of variation method is used to objectively analyze and evaluate the continuous transient impact performance under the influence of different accelerator pedal opening and backlash. The results show that the frequent torque crossing zero at the power output end of the power split DHT and the coupling between the backlash are the main causes of the continuous transient impact during the mode transition process. Decreasing the backlash can reduce the continuous transient impact in the maximum amplitude frequency range of 100 ~ 200 Hz. Moreover， according to the comparison of comprehensive evaluation scores， the optimization parameters of continuous transient impact performance during mode transition are obtained. The study can provide support for the optimization of coordinated control strategy for mode transition smoothness of power split hybrid power system.

Key words: power split, hybrid power system, mode transition, continuous transient impact, objective evaluation

李豪迪,赵治国,唐鹏,侯永平. 功率分流混合动力系统模式切换连续瞬态冲击机理及其性能客观评价[J]. 汽车工程, 2024, 46(4): 669-681.

Haodi Li,Zhiguo Zhao,Peng Tang,Yongping Hou. Continuous Transient Impact Mechanism and Objective Evaluation in Mode Transition for Power Split Hybrid Power System[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(4): 669-681.

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参考文献 23

1	欧阳明高. 我国节能与新能源汽车发展战略与对策［J］. 汽车工程， 2006，28（4）： 317-321.
	OUYANG M G. Development strategies and countermeasures of energy saving and new energy vehicles in our country ［J］. Automotive Engineering， 2006，28（4）： 317-321.
2	CAI W， WU X， ZHOU M， et al. Review and development of electric motor systems and electric powertrains for new energy vehicles ［J］. Automotive Innovation， 2021， 4（1）：3-22.
3	耿文冉，楼狄明，王晨，等. 功率分流式混合动力系统结构优化与性能验证［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2019， 47（10）：1485-1492.
	GENG W R， LOU D M， WANG C， et al. Architecre optimization and performance validation for power-split hybrid system ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2019， 47（10）：1485-1492.
4	CHEN H， LI L， KÜSÜKAY F. Study of series-parallel and power-split DHT for hybrid powertrains ［J］. Automotive Innovation， 2021， 4（1）：23-33.
5	赵治国，王晨，张彤，等. 复合功率分流变速器的设计与验证［J］.汽车工程， 2015， 37（4）：407-415，390.
	ZHAO Z G， WANG C， ZHANG T， et al. Design and validation of a compound power-split transmission ［J］. Automotive Engineering， 2015， 37（4）：407-415，390.
6	韩立金，刘辉，王伟达，等. 功率分流混合动力汽车参数匹配与优化研究［J］. 汽车工程， 2014， 36（8）：904-910.
	HAN L J， LIU H， WANG W D， et al. A study on the parameter matching and optimization of a power split HEV ［J］. Automotive Engineering， 2014， 36（8）：904-910.
7	WANG W， ZHANG Y， SUN X， et al. Model-based double closed-loop coordinated control strategy for the electro-mechanical transmission system of heavy power-split HEVs ［J］. Automotive Innovation， 2021， 4（1）：44-55.
8	WANG F， ZHANG J， XU X， et al. Torsional oscillation-considered mode transition coordinated control for a power-split PHEV based on action dependent heuristic dynamic programming ［J］. ISA Transactions， 2021.
9	SU Y， HU M， SU L， et al. Dynamic coordinated control during mode transition process for a compound power-split hybrid electric vehicle ［J］. Mechanical Systems & Signal Processing， 2018， 107：221-240.
10	ZHANG J， LIU D， YU H. Experimental and numerical analysis for the transmission gear rattle in a power-split hybrid electric vehicle ［J］. International Journal of Vehicle Design， 2017， 74（1）.
11	李豪迪，赵治国，唐鹏，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［J］.汽车工程，2023，45（10）：1908-1922，1932.
	LI H D，ZHAO Z G，TANG P， et al. Power split hybrid system mode transition performance test method based on load compensation ［J］. Automotive Engineering， 2023， 45（10）：1908-1922，1932.
12	宋世欣，张元侠，刘科，等. 双离合器自动变速器控制品质评价指标分析［J］. 汽车工程， 2015， 37（8）：925-930，958.
	SONG S X， ZHANG Y X， LIU K， et al. An analysis on the evaluation metrics of control quality for vehicles with dual clutch transmission ［J］. Automotive Engineering， 2015， 37（8）：925-930，958.
13	孙贤安，吴光强. 双离合器式自动变速器车辆换挡品质评价系统［J］. 机械工程学报， 2011， 47（8）：146-151.
	SUN X A， WU G Q. Shifting quality evaluation system for dual clutch transmission vehicle ［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2011， 47（8）：146-151.
14	刘海江，徐新胜，李敏. 双离合自动变速器车辆换挡品质模糊综合评价［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2020， 52（7）：43-51.
	LIU H J， XU X S， LI M. Fuzzy comprehensive evaluation of shifting quality of vehicles equipped with dual clutch transmission ［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2020， 52（7）：43-51.
15	王健，雷雨龙，郭孔辉，等. 车辆换档质量概念的完善与评价［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2007， 37（5）：1014-1018.
	WANG J， LEI Y L， GUO K H， et al. Concept improvement and assessment on vehicle gear shift quality ［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2007， 37（5）：1014-1018.
16	WANG H， HUANG Q. Fundamental study of jerk： evaluation of shift quality and ride comfort ［C］. SAE Automotive Dynamics， Stability & Controls Conference and Exhibition， 2005.
17	FU Y， LEI Y L， SUN S H， et al. Shift quality evaluation of DCT based on TOPSIS model ［C］. SAE 2014 World Congress & Exhibition： April 8-10， 2014， Detroit， Michigan， USA.2014：7447-7453.
18	马琮淦，左曙光，杨德良，等. 电动车用永磁同步电机的转矩阶次特征分析［J］. 振动与冲击， 2013， 32（13）：81-87.
	MA C G， ZUO S G， YANG D L， et al. Order feature analysis for torque ripple of permanent magnet synchronous motor for an electric vehicle ［J］. Journal of Vibration and Shock， 2013， 32（13）：81-87.
19	国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.往复式内燃机性能第4部分调速：GB/T 6072.4—2012 ［S］.北京：中国标准出版社，2012.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine， Standardization Administration. Reciprocating internal combustion engines-performance-part 4：speed governing： GB/T 6072.4—2012 ［S］. Beijing： Standards Press of China， 2012.
20	国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 汽车平顺性试验方法：GB/T 4970—2009 ［S］.北京：中国标准出版社，2009.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine， Standardization Administration. Method of running test-automotive ride comfort： GB/T 4970—2009 ［S］. Beijing： Standards Press of China， 2009.
21	国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求：GB/T 13441.1—2007 ［S］.北京：中国标准出版社，2007.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine， Standardization Administration. Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole-body vibration-part 1：general requirements： GB/T 13441.1—2007 ［S］. Beijing： Standards Press of China， 2007.
22	国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第5部分：包含多次冲击的振动的评价方法：GB/T 13441.5—2015 ［S］.北京：中国标准出版社，2015.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine， Standardization Administration. Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole-body vibration-part 5：method for evaluation of vibration containing multiple shocks： GB/T 13441.1—2015 ［S］. Beijing： Standards Press of China， 2015.
23	肖瑛，冯长建. 组合窗函数的短时傅里叶变换时频表示方法［J］. 探测与控制学报， 2010， 32（3）：43-47.

[1]	李豪迪,赵治国,唐鹏,侯永平. 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[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1908-1922.
[2]	林歆悠,黄强,张光吉. 基于PSO的新型双电机多模式驱动系统转矩分配策略优化[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1218-1225.
[3]	孙文,李晨阳,王军年,钱灏喆,张文通. 越野车复合型悬架平顺性的研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 105-114.
[4]	陈佳琛,陈慧,蓝小明,西村要介,石原敦. 驾驶员喜好的LKA介入时机特性与其自然驾驶特性差异的研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 842-850.
[5]	赵治国, 唐旭辉, 付靖, 范佳琦. 功率分流混合动力系统发动机停机优化控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(8): 993-999.
[6]	赵治国, 范佳琦, 蒋蓝星, 唐旭辉, 付靖. 复合功率分流系统发动机起动H_∞鲁棒优化控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(4): 417-424.
[7]	蔡英凤, 窦磊, 陈龙, 施德华, 汪少华, 朱镇. 基于补偿滑模控制的混合动力汽车协调控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(4): 431-438.
[8]	徐亮, 石娟, 郑英东, 郭魁元, 秦孔建. 汽车驾驶模拟器主客观评价方法的应用研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(10): 1420-1427.
[9]	曾小华,王越,杨南南,宋大凤,李广含. 基于约束终止状态的行星混合动力系统全局优化算法^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(3): 239-244.
[10]	曾小华,李广含,宋大凤,朱光海,王印束. 基于能量计算模型的混合动力系统理论油耗分析^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(3): 266-274.
[11]	王博, 张振东, 于海生, 程辉军, 王晨. 发动机起动引起的混合动力汽车振动分析与控制^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(2): 184-190.
[12]	杨业, 张幽彤, 单小明. 伴随发动机起动的混合动力模式切换控制[J]. 汽车工程, 2019, 41(12): 1356-1364.
[13]	张渊博,王伟达,项昌乐,黄琨,马越,魏超,李子龙. 基于模型预测控制的混合动力汽车模式切换中的转矩协调控制策略^*[J]. 汽车工程, 2018, 40(9): 1040-1047.
[14]	曾小华, 王振伟, 宋大凤, 巴特, 杨南南, 陈慧勇, 王印束. 混联混合动力系统功率、转矩和效率三参数匹配方法研究^*[J]. 汽车工程, 2018, 40(10): 1125-1131.
[15]	赵治国, 蒋蓝星, 李蒙娜, 王茂垚. 基于参考模型的复合功率分流系统模式切换中的转矩协调控制^*[J]. 汽车工程, 2018, 40(10): 1132-1138.