本田工程师解析雅阁SPORT HYBRID iMMD控制系统

来源:夏垫娄峪新闻网 2019-12-03 09:34:55

本文摘自本田工程师的论文:雅阁sport hybrid I-mmd控制系统的开发。

与上一代主要用于紧凑型车辆的ima混合动力系统相比,本田开发了运动型混合动力i-mmd系统,以使更大的车型也满足日益严格的排放标准,并具有更好的燃油经济性。该系统可以根据行驶条件在纯电动、混合动力和发动机驱动模式之间无缝切换。

与ima系统相比,sport hybrid i-mmd系统具有以下优势:

1.纯电动行驶里程更长,驾驶更经济

2.更宽的发动机经济范围

3.制动恢复效率更高

该系统的结构比ima更大、更复杂。pcu用于完成发动机和电机之间的协同工作,以满足驱动性能并实现燃油经济性。

整体结构

图1示出了系统的主要结构。ecvt变速器由发电机、电动机和离合器组成。变速器非常小,可以与新阿特金森发动机集成到发动机室内。

pcu包括用于提高电池电压的电压控制单元和用于控制发电机和电动机的电动机控制单元。逆变器直接安装在ecvt上方。

Ipu智能电源单元由锂电池组、DC转换器和电池控制单元组成。议会联盟大会安装在后座下。

即将推出的雅阁插件版在市区巡航时,可以用纯电力行驶16公里以上。

动力系统

如图2所示,动力系统包括2.0升直列四缸发动机和电控cvt。Atkinson发动机配有i-vtec智能可变气门正时和升程电子控制系统以及egr冷却废气再循环系统。

与上一代2.0升发动机相比,它不仅降低了机械摩擦,实现了105kw的功率输出(2014年款),而且降低了10%的油耗率。电机可以输出124kw。通过增加输出电压和使用磁阻转矩,电机的最大效率可以达到96%。

插件混合操作条件

如图3所示,插件混合模式分为两种类型:

一种是功耗模式(cd)。这种模式的主要特点是纯电动驾驶,通过提高发动机干预的门槛,可以达到20公里的纯电动续航能力。

一种是功率保持模式(cs)。当电池组的充电状态下降到某个值时,发动机将干预输出,以将电池组的剩余功率保持在某个值,换句话说,此时电池组处于混合状态。

驾驶模式

如图4所示,该系统具有三种驱动模式,并且该系统根据驱动条件选择合适的驱动模式以提高燃料经济性。

1.纯电动模式,车辆由电动机驱动。

2.混合模式。在这种模式下,发电机将发动机功率转换成电能,车辆仍由电机驱动。然而,此时,电机的能源不仅是电池组,也是发电机。此时,系统模式是串联混合模式。当发电机输出的功率小于电机所需的功率时,不足部分由电池组补充;当发电机的输出功率超过电机所需的功率时,多余的部分存储在电池组中。

3.发动机模式。在这种模式下,发动机通过离合器以固定的传动比与驱动轴接合,车辆由发动机直接驱动。此时,系统模式是并行混合模式。电机的功能是帮助发动机驱动和回收动能,以获得电能或将电能储存在电池组中。(注意:此时所谓的电机辅助驱动的主要目的是将发动机速度保持在经济范围内,而不是性能考虑,并且电机的输出扭矩非常低。)

操纵系统

如图5所示,动力系的控制单元包括发动机、电控cvt、pcu和ipu,它们通过冗余设计的控制器局域网连接在一起。

整套功率控制逻辑的核心是使系统经济运行,也就是说,节能是系统的首要目标。在经济运行的前提下,尽可能保证电力性能。当电池电量降至最低时,发电机将干预输出并将剩余电量存储到电池组中。

发动机干预模式包括混合模式和发动机模式。发动机热效率决定了这种模式下的燃油经济性。换句话说,节能的关键在于如何将发动机保持在经济运行范围内。

在混合模式下,发动机和车轮之间没有机械传动路径,即发动机和发电机的转速不受车速的限制,而是以固定的传动比机械驱动电机和车轮。发动机工作点可以保持在高热效率的“线上”。此外,在电池组的帮助下,发动机工作点将集中在热效率最高的区域。

在发动机模式下,发动机以固定的传动比驱动车轮。当在平坦的道路上巡航时,发动机速度和扭矩之间的关系如图6所示。在高速巡航条件下,发动机工作点将低于低扭矩输出的“经济线”,因此为了使发动机在经济区内运行,pcu将增加发动机扭矩输出,增加的功率将通过电机回收到电池组。

当发动机进入高负荷状态,其工作点处于经济线以上的高扭矩输出区间时,pcu将降低发动机扭矩,使发动机在经济线上工作,不足部分将由电机补充。

通过电动机的输出和回收,发动机的工作点集中在经济区。

为了提高车辆的燃料经济性,有必要提高发动机的热效率,同时通过提高从发动机到车轮的能量转换效率来提高系统的整体运行效率。I-mmd通过切换不同的驾驶模式来实现这一目标。

图7示出了在电量保持模式下车辆根据车速切换驱动模式的方式:

图8是示出驱动模式的操作范围的驱动力图;

纯电动模式主要应用于城市地区的车辆起动和低速行驶条件,以免因发动机低负荷运行而降低燃油经济性。

中速行驶时,为了平衡发动机热效率和电池充放电损耗,车辆经常在纯电动模式和混合模式/发动机模式之间切换,以提高燃油经济性。

在高速条件下,在混合模式和发动机模式之间切换是及时的,以实现最高的能量转换效率。

纯电动和混合动力/发动机模式之间的频繁切换也称为间歇运行。此时,电池组在混合/发动机模式下充电,然后切换回纯电动模式以输出存储的电量。由纯电力和混合模式切换引起的燃料经济性增强效果如图9所示。在低驱动力的情况下,与电机零恢复的情况相比,间歇运行模式可以获得约50%的燃油经济性增强效果,并在发动机热效率和电池充放电损耗之间实现充分平衡。然而,在高驱动力的情况下,间歇运行模式的燃油经济性增强效果会降低,系统的燃油经济性会趋于降低。

混合模式和发动机模式切换的燃料经济性如图10所示:彩色区域表示更经济的发动机驱动,白色区域表示更经济的混合模式,黑线表示车辆在平坦道路上的行驶阻力。

该图显示巡航期间速度缓慢增加。发动机模式比混合模式经济12%,但混合模式在高负载条件下更经济。

在限制条件下确保驾驶性能

为了确保系统的可靠性,系统的所有部件都是有限的,包括电机扭矩、发电机扭矩和电池功率。为了确保电池的耐久性,特别需要精确控制电池功率,这极大地影响了混合模式下的驱动性能。以电池功率极限为例,全工况下所有部件协同工作的控制逻辑如下:

动力管理控制系统接收驾驶员加速和减速的意图(加速器和制动踏板深度),以及关于每个部件的动力和扭矩极限的信息,并在极限内执行适当的协同动力控制。当电池功率受限时,例如在低温环境中,加速和减速意图不能仅通过电池功率来实现,pcu将选择混合模式来精确调整电动机、发电机和发动机之间的输出,以满足电池功率限制和驱动性能。

pcu首先根据车主的加减速意图和电机转矩极限计算所需的驱动力,然后计算目标发动机功率。目标发动机功率应与根据ipu计算的驱动力和目标电池功率计算的目标电机功率相匹配。目标发动机功率由电池功率调节器根据需要进行校正。此后,根据校正的目标发动机功率计算目标发动机速度和目标发动机扭矩,以最大化发动机效率。最后,综合考虑电池功率极限等各种限制因素来修正发动机功率、发电机功率和电动机功率。

该控制系统平衡了驾驶员的加速和减速意图、电池充电状态的收敛、电池功率极限性能以及其他部件的限制。

此外,目标电动机和发电机功率被快速和精确地校正,即使电池功率被极大地限制,功率需求仍然能够被满足。例如,在极低的温度环境下,或由快速加速和减速引起的急剧功率波动。

在极低温环境下,为了保证电池的耐久性,电池功率严格限制在几千瓦以内。此时,发电机需要额外输出100kw以保持足够的驱动性能。

此外,当具有低附着力的路面(例如雪)快速加速或减速时,轮胎空转或锁定发生,并且由此产生的电机速度波动将导致电机功率快速变化。pcu此时会迅速做出反应,将功率输出限制到极限(也就是说,这个“极限”远未达到电机和电池的实际功率极限,只是根据工作条件降低输出极限,以考虑耐用性)。

预测电池电量

该功率校正方法实现了准确快速的电池功率控制。

快速响应电池功率控制需要低时间延迟的电池信息来及时估计电池功率。电池电量可以通过电压传感器和电流传感器来测量。但是,由于电池电容特性、pcu内置电容、电抗器特性、控制单元之间的通信延迟等因素,会导致传感器延迟。也就是说,在电机功率波动和电池功率波动之间存在时滞特性。因此,电池功率是通过信息损失(如电机功率)间接估计的。

计算公式:

电池功率=电机输入功率+发电机输入功率+电机逆变器损耗+DC转换器损耗+空调和加热器损耗+升压功率损耗

电机的输入功率可由相电流传感器和升压传感器测量,逆变器损耗和升压损耗可由指定参数确定的标称值估算,DC变换器损耗和空调加热器损耗可由通过can连接的每个控制单元获得。

实车的燃油经济性

环保局实际测算,市区油耗降低了104%,高速油耗降低了35%,综合油耗降低了70%。混合动力系统的控制对提高燃油经济性的效果贡献了39%。此外,可以实现20公里的纯电动续航能力,在功耗模式下可以实现每百公里2.04升的等效油耗。

编制

图表|网络

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