徐彩麗 黃宏成 朱海健

上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240

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基于ECMS算法的能量管理策略研究

徐彩麗 黃宏成 朱海健

上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240

控制策略是混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)之一，直接影響了混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等。本文以Prius混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，進(jìn)行ECMS算法的研究，對(duì)算法中的等效系數(shù)的確定以及等效系數(shù)的主動(dòng)修正進(jìn)行研究分析，先根據(jù)行駛工況確定參考等效系數(shù)，再根據(jù)電池SOC對(duì)等效系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并在AVL/CRUISE中建立整車模型，在SIMULINK中設(shè)計(jì)了基于ECMS算法的控制策略，進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性的仿真分析，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制策略能夠在實(shí)現(xiàn)較好的燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)維持電池SOC的平衡。

混合動(dòng)力汽車 ECMS 能量管理策略

0 前言

在目前純電動(dòng)汽車和和燃料電池汽車技術(shù)還不成熟的情況下，混合動(dòng)力汽車作為一種過(guò)渡性產(chǎn)品在降低油耗和排放方面有很大的潛力[1]?；旌蟿?dòng)力汽車按其結(jié)構(gòu)形式可分為串聯(lián)式HEV，并聯(lián)式HEV和混聯(lián)式HEV[1,2]，混聯(lián)式HEV結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)式HEV的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜?？刂撇呗允腔旌蟿?dòng)力汽車的核心技術(shù)之一，直接影響了混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等。

控制策略可分為基于規(guī)則和基于優(yōu)化兩類[2]?；谝?guī)則的能量管理控制策略算法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性較好，且具有很好的魯棒性，但是其控制效果一般，無(wú)法充分發(fā)揮混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)。相反，基于優(yōu)化的能量管理控制策略引入優(yōu)化的思想，尋求系統(tǒng)的全局或局部最優(yōu)解，最典型的是動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法(DP)和最小燃油消耗最小算法(ECMS)。DP算法作為一種全局算法無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，而ECMS算法是一種瞬時(shí)優(yōu)化算法，有很好的應(yīng)用前景。

本文以Prius混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，進(jìn)行ECMS算法的研究，旨在提高這種算法的實(shí)時(shí)性和降低算法的復(fù)雜性。對(duì)算法中的等效系數(shù)的確定以及等效系數(shù)的主動(dòng)修正進(jìn)行研究分析，并在AVL/CRUISE中建立整車模型，在SIMULINK中設(shè)計(jì)了基于ECMS算法的控制策略，進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性的仿真分析。

1 系統(tǒng)建模

雖然THS系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，但主要是相關(guān)部件參數(shù)的變化，性能的提高,其基本結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生變化[3]。所以本文仍以THS系統(tǒng)[3,4]為研究對(duì)象。如圖1，THS系統(tǒng)使用單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，將發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)1(MG1)和輸出軸分別與行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架、太陽(yáng)輪和齒圈相連，大量文章針對(duì)THS系統(tǒng)建模仿真分析。

在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1、電機(jī)MG2之間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：

ωMG1=(1+R)ωe-RωMG2

(1)

(2)

(3)

式中，R是行星齒輪機(jī)構(gòu)中齒圈與太陽(yáng)輪的齒數(shù)比，ωe,ωMG1,ωMG2分別是發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1、電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速(rpm)，Te,TMG1,Tr分別是發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1和行星架的扭矩。

圖1 THS系統(tǒng)Fig.1 THS system

分析上面三個(gè)式子，在車速確定時(shí)，MG2轉(zhuǎn)速也隨之確定(固定速比關(guān)系)，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)MG1的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；在需求扭矩一定時(shí)，要使得發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為某一值，只需調(diào)節(jié)電機(jī)MG2的扭矩。所以THS系統(tǒng)利用行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和扭矩的雙解耦。通過(guò)轉(zhuǎn)速和扭矩的調(diào)節(jié)可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域內(nèi)，同時(shí)輔助電機(jī)MG2還可進(jìn)行制動(dòng)能量的回收。因此Prius在降低油耗方面有很大優(yōu)勢(shì)。但是額外增加的組件：行星齒輪機(jī)構(gòu)、兩個(gè)電機(jī)和電池及其附件，也帶來(lái)了機(jī)械損耗。

混合動(dòng)力汽車中，電池的荷電狀態(tài)SOC是一個(gè)重要的狀態(tài)量，它反映了電池存儲(chǔ)能量的多少，是控制系統(tǒng)一個(gè)重要的指標(biāo)。動(dòng)力電池建模的主要是為了根據(jù)電池的充放電功率預(yù)測(cè)其電池SOC的變化。

電池的SOC與電池的工作電流有關(guān)。

(4)

式中，Ibatt是電池充放電電流(A)，Qbatt是電池電量(C)。

電池的充放電功率為：

(5)

式中，UOC是電池的開路電壓(V)，Rbatt是電池內(nèi)阻。

電池的充放電功率與兩個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)有關(guān)，有下式計(jì)算得到：

(6)

綜合以上，可以得到電池SOC與兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：

(7)

2 基于ECMS的能量控制策略

ECMS算法的基本思想是：對(duì)于電量維持型混合動(dòng)力汽車，電池只是一個(gè)能量緩沖器，車輛行駛中消耗的能量最終來(lái)自于燃油[5]。消耗的電池電能需要在車輛后面的行駛中消耗一定量的燃油進(jìn)行補(bǔ)充，因此需要建立所消耗電池電能與補(bǔ)償這些電能所需燃油的等效關(guān)系，將某一瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油與所消耗電池電能的等效燃油量歸結(jié)為統(tǒng)一的能耗指標(biāo)，作為優(yōu)化控制的控制目標(biāo)。

ECMS算法綜合考慮每一瞬時(shí)系統(tǒng)的燃油消耗率和電池充放電功率，并將電池的充放電功率進(jìn)行等效，從而得到系統(tǒng)的等效燃油消耗[5,6]。使得瞬時(shí)等效燃油消耗最小的控制律即是此時(shí)的控制量。

2.1 ECMS算法具體應(yīng)用

根據(jù)前文分析，由等效燃油消耗的思想可以確定任意時(shí)刻系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

(8)

(9)

系統(tǒng)需要滿足下面這些約束條件：

Te,min≤Te≤Te,max

(10)

ωe,min≤ωe≤ωe,max

(11)

TMG1,min≤TMG1≤TMG1,max

(12)

ωMG1,min≤ωMG1≤ωMG1,max

(13)

TMG2,min≤TMG2≤TMG2,max

(14)

ωMG2,min≤ωMG2≤ωMG2,max

(15)

對(duì)電量維持型混合動(dòng)力汽車，其電池SOC必須滿足：

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(16)

(17)

圖2 ECMS算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.2 Realization of ECMS algorithm

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，如圖2所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)其輸出扭矩為零；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不能超過(guò)在此轉(zhuǎn)速下能夠輸出的最大扭矩。兩個(gè)電機(jī)及電池等也要做類似處理，一方面保證計(jì)算結(jié)果有意義，另一方面濾去不合適的點(diǎn)，提高搜索效率。其次，要設(shè)定一個(gè)等效系數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)是等效燃油消耗。等效燃油消耗分為兩部分，一部分是實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，另一部分是電池的等效燃油消耗。每一步搜索時(shí)計(jì)算等效燃油消耗值，再進(jìn)行比較，以等效燃油消耗最小值的控制量作為這一時(shí)刻的控制變量，進(jìn)而得到系統(tǒng)最佳的工作狀態(tài)。這樣就可計(jì)算某一具體循環(huán)下的等效燃油消耗及在ECMS算法下的控制策略。通過(guò)這種方式，可以反復(fù)調(diào)整等效燃油系數(shù)的值，使其在具體循環(huán)下的總的燃油消耗值盡量小。

本文在前人的研究[6-9]基礎(chǔ)上，對(duì)ECMS算法進(jìn)行了改進(jìn)，主要是等效系數(shù)的確定和修正。分為兩步，首先根據(jù)行駛工況確定參考等效系數(shù)，其次根據(jù)電池SOC對(duì)參考等效系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.2.1 參考等效系數(shù)

因?yàn)榈刃禂?shù)會(huì)隨著電池SOC進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整，所以參考等效系數(shù)的值不需要很精確，在迭代計(jì)算上的基礎(chǔ)上給出一個(gè)大概的參考值。不同的駕駛循環(huán)其參考系數(shù)應(yīng)有所差別。圖3給出了6種典型駕駛循環(huán)，NYCC(紐約城市工況)表示平均車速很低的市區(qū)道路工況，LA92(洛杉磯工況)代表城市道路，HWFET代表高速道路；歐洲工況中ECE代表城區(qū)工況，EUDC代表郊區(qū)和高速公路，ECE+EUDC代表城區(qū)+郊區(qū)混合道路。根據(jù)系統(tǒng)的平均效率確定等效系數(shù)的范圍，進(jìn)行迭代計(jì)算，并結(jié)合

DP算法的結(jié)果，確定每種循環(huán)下的參考等效系數(shù)。如表格1所示。

圖3 六種典型駕駛循環(huán)
Fig.3 Six typical driving cycles

表1 典型循環(huán)工況下的參考等效系數(shù)值

綜合圖3以及表格1，可以分析得到，在郊區(qū)道路下的參考等效系數(shù)的值較小，雖然此時(shí)車速較高，但沒(méi)有頻繁的加減速，其扭矩需求并不是很高，在電池SOC允許的情況下，可直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2.2 等效系數(shù)的修正

在根據(jù)SOC對(duì)等效系數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，有采用線性關(guān)系的，有采用分段處理的，本文采用正切關(guān)系，如下式：

(18)

式中,s_ref是參考等效系數(shù)值，此值可以根據(jù)上面的計(jì)算得到；b是SOC的變化范圍，此處

b=0.8-0.4=0.4；a是調(diào)節(jié)系數(shù)，可以通過(guò)a的值來(lái)調(diào)節(jié)SOC對(duì)等效系數(shù)的影響(見(jiàn)圖4)。選擇此種方式調(diào)整SOC，等效系數(shù)的函數(shù)是一個(gè)連續(xù)的光滑曲線，且隨著SOC的增大而減小，隨SOC的減小而增大，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)a的值，改變調(diào)整SOC的速率，保證SOC的波動(dòng)在一定范圍內(nèi)。

以UDDS循環(huán)為例，圖7給出了a=100時(shí)不同參考等效系數(shù)下SOC的變化情況，可以看出，在同一參考系數(shù)下，SOC的值基本在某一值附近波動(dòng)；不同參考值之間SOC值的差別也很小(0.06以內(nèi))。說(shuō)明通過(guò)公式(19)的調(diào)整，電池SOC能夠保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，同時(shí)降低了SOC隨參考等效系數(shù)變化的敏感度。

圖4 不同a值下等效系數(shù)與SOC的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between equivalent coefficient and SOC with different values of a

圖5 a為100時(shí)不同參考等效系數(shù)下SOC的變化曲線Fig.5 Battery SOC curve under different reference equivalent coefficient when a is 100

這樣，ECMS算法的優(yōu)化過(guò)程即可進(jìn)行，如圖6所示。首先根據(jù)駕駛循環(huán)確定參考等效系數(shù)的值，則等效系數(shù)可實(shí)時(shí)根據(jù)電池SOC調(diào)整。基于此，每一瞬時(shí)在所有控制量的作用下其等效油耗即可確定，進(jìn)而進(jìn)行瞬時(shí)優(yōu)化得到最佳控制變量。從本章提出的等效系數(shù)的確定方法可以看出，等效系數(shù)的取值具有一定的不確定性，按此算法優(yōu)化的油耗其優(yōu)化效果會(huì)變差，但是此方法可以保證電池

SOC能夠維持在合理的范圍內(nèi)，重要的是，算法的實(shí)時(shí)性得到了很好的保證，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖6 ECMS算法優(yōu)化過(guò)程Fig.6 Optimization process of ECMS algorithm

3 整車仿真

AVL/CRUISE軟件由奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司開發(fā)，可以用于車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等多方面的仿真[10]。CRUISE采用模塊化建模方式，可以進(jìn)行整車較全面的性能分析，且與其他軟件如MATLAB/SIMULINK 良好的接口功能，使得用戶可以自定義模型元件及相關(guān)的控制策略的開發(fā)。

圖7為CRUISE中建立的整車模型。該系統(tǒng)中的變速器中有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電機(jī)和一個(gè)行星齒輪系。發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，發(fā)電機(jī)MG1與太陽(yáng)輪相連，電動(dòng)機(jī)MG2與齒圈及主減速器相連。選擇MATLAB DLL接口作為控制器模塊。

圖7 CRUISE中的整車模型Fig.7 Vehicle model in CRUISE

3.1 控制策略模型

SIMULINK中的控制策略模型如圖8所示。可分為以下幾個(gè)主要模塊：信號(hào)輸入模塊、駕駛模式解釋模塊、需求扭矩計(jì)算模塊、不同模式下的扭矩分配模塊、信號(hào)輸出模塊。

圖9-12是在NEDC循環(huán)和UDDS循環(huán)下不同初始SOC時(shí)的仿真結(jié)果。圖9和圖10顯示了過(guò)程中SOC的變化情況，圖11和圖12是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩變化曲線。分析可以得出：在不同初始SOC下，系統(tǒng)能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)使得SOC回到參考值(0.6)附近；當(dāng)SOC較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作，以維持SOC的平衡。

圖9 NEDC循環(huán)下SOC的變化曲線(不同初始SOC值)Fig.9 SOC curve in NEDC driving cycle under different SOC values

圖10 UDDS循環(huán)下SOC的變化曲線(不同初始SOC值)Fig.10 SOC curve in UDDS driving cycle under different SOC values

表2給出了在NEDC和UDDC循環(huán)下基于ECMS控制策略的油耗值與AVL/CRUISE中已有控制策略的仿真結(jié)果的比較。因?yàn)槭请娏烤S持型HEV，其電池電量在過(guò)程中變化不是很大，所以僅給出油耗的比較。在NEDC和UDDS循環(huán)下，油耗值分別降低4.2%和3.7%。說(shuō)明了本文提出的控制策略在保證電池SOC在期望范圍內(nèi)的同時(shí)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖11 NEDC循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況(不同初始SOC值)Fig.11 Engine working conditions in NEDC driving cycle under different SOC values

圖12 UDDS循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況(不同初始SOC值)Fig.12 Engine working conditions in UDDS driving cycle under different SOC values

表2 NEDC循環(huán)與UDDS循環(huán)下仿真油耗比較

4 總結(jié)

本文以一種混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為對(duì)象，進(jìn)行能量管理控制策略的研究。一方面根據(jù)典型駕駛循環(huán)確定參考等效系數(shù)，另一方面，實(shí)時(shí)根據(jù)SOC對(duì)等效系數(shù)進(jìn)行修正。通過(guò)設(shè)計(jì)基于ECMS算法的實(shí)時(shí)控制策略，利用AVL/CRUISE和MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了聯(lián)合建模仿真，仿真結(jié)果說(shuō)明所設(shè)計(jì)的控制策略能夠有效地保證電池SOC在合理的范圍內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)的油耗水平也較低。

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Research of Energy Management Strategy Based on ECMS Algorithm

XuCailiHuangHongchengZhuHaijian

NationalEngineeringLaboratoryforAutomotiveElectronicControlTechnology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240

Control strategy is one of the key technologies of HEVs, affecting the fuel economy and drivability. This article studies the ECMS control strategy based on the series-parallel HEVs, focusing on the calculation and tuning methods of the equivalent coefficient in ECMS. First determine the reference coefficient based on the recognition of the driving condition, then tune the equivalent coefficient according to the battery SOC, finally the ECMS control strategy is designed in SUMULINK, and vehicle model is built in AVL/CRUISE. The simulation results show that the proposed method can assure better fuel economy and charge sustaining of the SOC.

hybrid electrical vehicle ECMS energy management strategy

1006-8244(2015)02-021-05

TM35

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