杜常清，徐懂懂

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

混合動力汽車既可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，還可以降低排放，被認(rèn)為是近期最有希望替代傳統(tǒng)汽車的方案。由于能量分配管理策略從根本上決定了混合動力電汽車整體性能的優(yōu)劣，按照形式工況需求，實(shí)時、合理、最優(yōu)地分配驅(qū)動裝置（發(fā)動機(jī)與電機(jī)）動力輸出成為整車控制策略的核心所在[1-2]。

目前，關(guān)于插電式混合動力汽車PHEV（plug-in hybrid electric vehicle）能量管理問題的許多研究僅僅停留在仿真階段，仿真能夠?qū)刂撇呗赃M(jìn)行初步的驗(yàn)證，但由于仿真過程中對實(shí)際部件做了不同程度的簡化，各類信號干擾小，存在物理延遲、仿真時間與真實(shí)時間不一致等問題，導(dǎo)致仿真很難真實(shí)反映出控制效果，需要做進(jìn)一步的實(shí)時驗(yàn)證。而整車試驗(yàn)雖然能夠?qū)⒄鎸?shí)道路信息施加在車輛上，但在樣車上進(jìn)行控制策略的實(shí)際測試與研究所需的成本和時間通常是不允許的，且若控制策略存在缺陷或者系統(tǒng)布置需要更改，其實(shí)現(xiàn)也相當(dāng)困難。

確定規(guī)則控制策略的思想是根據(jù)發(fā)動機(jī)和電機(jī)的特性，其優(yōu)點(diǎn)是控制策略思路清晰，算法簡單，計(jì)算量小，也是第一種應(yīng)用在商品化混合動力汽車的控制策略，在此采用了基于確定規(guī)則的控制策略[3-6]。結(jié)合現(xiàn)代控制器V字型開發(fā)流程，基于模型的設(shè)計(jì)MBD（model-based design）思想建立快速原型則能夠很好地解決仿真中存在的實(shí)時性與信號真實(shí)性問題，基于快速控制原型的臺架試驗(yàn)相對于整車試驗(yàn)在成本和時間上具有極大優(yōu)勢，且能夠接受系統(tǒng)不同的布置形式，可以進(jìn)行多類型靈活的測試、試驗(yàn)。最后，利用半實(shí)物仿真與控制器開發(fā)的軟硬件平臺dSPACE與Matlab/Simulink無縫連接，進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，研究該能量管理策略對并聯(lián)式混合動力汽車的實(shí)效性和合理性，其試驗(yàn)結(jié)果更加接近真實(shí)。

1 能量管理策略

在混合動力汽車前向仿真結(jié)構(gòu)中引進(jìn)了駕駛員模型，由駕駛員—控制器—車輛—駕駛員構(gòu)成閉環(huán)回路，如圖1所示。前向仿真的能量流、信號傳遞與實(shí)際系統(tǒng)完全一致，其結(jié)構(gòu)決定了前向仿真能夠進(jìn)行瞬態(tài)與非線性過程的研究。因此，在控制器以及控制策略開發(fā)過程中，常使用前向仿真作為開發(fā)、測試基礎(chǔ)。

圖1 前向仿真中整車控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vehicle controller in forward simulation

以電驅(qū)動自動變速器EMT（electric-drive mechanical transmission）的同軸并聯(lián)混合動力汽車為研究對象，系統(tǒng)搭載1臺四缸1.8 L汽油機(jī)，峰值轉(zhuǎn)矩33 kW的永磁同步電機(jī)集成在1臺四速自動變速器內(nèi)，構(gòu)成電驅(qū)動機(jī)械變速器系統(tǒng)，動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Power system structure

1.1 能量管理策略分析

在PHEV控制過程中，首要任務(wù)是在滿足循環(huán)工況要求的前提下，降低發(fā)動機(jī)燃油消耗與排放。同時，為提高電池充放電效率并延長其使用壽命，在每次循環(huán)工況后，需使電池的荷電狀態(tài)SOC（state of charge，為剩余電量與額定電量的比值）的初始與終止值保持在較小的變化范圍內(nèi)。另外，由于發(fā)動機(jī)作為涉及機(jī)械、流動、燃燒、傳熱的復(fù)雜非線性時變系統(tǒng)，其動態(tài)響應(yīng)性和控制準(zhǔn)確性都相對較差，而電機(jī)作為電力系統(tǒng)，具有敏捷的動態(tài)特性，且其控制技術(shù)也較為成熟，故在電池電量允許的情況下，應(yīng)盡量采用電機(jī)帶動車輛起步，以提高整車的動態(tài)反應(yīng)能力。若動力電池SOC很低時，電機(jī)不再參與工作，發(fā)動機(jī)單獨(dú)工作，且利用其富余轉(zhuǎn)矩給電池充電；而當(dāng)電池SOC很高時，此時電池不再適合回收能量，制動能量回收暫時關(guān)閉。

1.2 驅(qū)動控制策略

混合動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配包括以下內(nèi)容：（1）總需求轉(zhuǎn)矩的確定；（2）系統(tǒng)模式的確定；（3）在特定工作模式下2套動力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的確定[7]。

1.2.1 總需求轉(zhuǎn)矩

車輛總需求轉(zhuǎn)矩確定方式有多種，在此計(jì)算總需求轉(zhuǎn)矩的方法[7]如下：

a.驅(qū)動模式下，油門踏板開度 γ∈［0，1］，nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Treq為需求轉(zhuǎn)矩。根據(jù)nm查表得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)和電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩分別為Te，max，Tm，max，則驅(qū)動模式下總需求轉(zhuǎn)矩為

b.制動模式下總需求轉(zhuǎn)矩如式（2）所示，制動踏板行程 α∈［-1，0］，

式中：Tb，max為最大汽車制動需求轉(zhuǎn)矩 （按國家規(guī)定80 km/h制動距離為50 m，加速度為-4.9 m/s2換算得到）。

駕駛員模型一般根據(jù)目標(biāo)車速與實(shí)際車速做差，以所得的差值來判斷速度跟隨效果，通常使用PID控制器調(diào)節(jié)油門、制動踏板開度，若單純使用比例模塊調(diào)節(jié)，速度跟隨效果顯然不理想。使用PID調(diào)節(jié)時，參數(shù)整定是其關(guān)鍵，通常需要反復(fù)整定、模型仿真比較，才能得到符合需求的參數(shù)。

1.2.2 系統(tǒng)模式

根據(jù)系統(tǒng)工作模式分析，系統(tǒng)工作模式主要根據(jù)動力電池SOC的值（包括設(shè)定電池允許進(jìn)行行車充電的SOC最大值Sc，max及電池允許放電的最小值Sc，min），系統(tǒng)總需求轉(zhuǎn)矩Treq，當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)最小、最大輸出轉(zhuǎn)矩值 Te，max和 Tm，min，車輛運(yùn)行速度，等確定。

在確定發(fā)動機(jī)最大、最小工作轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)大模式切換范圍，即由單一的某一數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)橐訲e，max，Te，min為中心的一小段區(qū)間，從而避免需求轉(zhuǎn)矩小范圍波動導(dǎo)致的系統(tǒng)工作模式來回切換，保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行。使用上一時刻的系統(tǒng)工作模式作為反饋信號，當(dāng)系統(tǒng)引入反饋信號時，會出現(xiàn)輸出量直接賦值給輸入量的情況，從而產(chǎn)生代數(shù)環(huán)。為避免仿真過程中代數(shù)環(huán)的出現(xiàn)，在仿真模型中添加Memory模塊。系統(tǒng)模式確定邏輯（針對Sc>Sc，min）見表1。

表1 驅(qū)動模式下模式變化邏輯Tab.1 Mode change logic in drive mode

在離線仿真時，嘗試使用不同的上下界限，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)a=b=c=d=5時具有較好的仿真效果。

除了正常驅(qū)動模式，還需要考慮其他幾種特殊模式：當(dāng)Sc

表2 特殊模式變化邏輯Tab.2 Special mode change logic

1.2.3 轉(zhuǎn)矩分配策略

為了轉(zhuǎn)矩分配分析更加清晰，在此忽略傳動系統(tǒng)中的能量損失，其效率記為100%。表3為相關(guān)控制量的定義及其含義。

表3 控制量的定義及其含義Tab.3 Definition and meaning of control quantity

轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則如下：

①系統(tǒng)處于純電動模式，即hevmod=1，且motmod=1，此時電機(jī)提供車輛的需求轉(zhuǎn)矩為

若motmod=-1，此時車輛有制動需求，系統(tǒng)處于制動能量回收狀態(tài)，若 abs（Treq）

若 motmod=-1，且 abs（Treq）>Tm，max，此時電機(jī)以最大的負(fù)轉(zhuǎn)矩輸出，剩余的制動轉(zhuǎn)矩由機(jī)械制動器提供，即

②系統(tǒng)處于發(fā)動機(jī)單獨(dú)工作模式時，即hevmod=1，且motmod=0，此時發(fā)動機(jī)提供車輛的需求轉(zhuǎn)矩為

當(dāng)hevmod=1，且motmod=-1時，系統(tǒng)處于行車充電模式，此時發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛且利用剩余轉(zhuǎn)矩給動力電池進(jìn)行充電；

若0

若 Te，min

若 Te，opt

③系統(tǒng)處于發(fā)動機(jī)與電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動模式時，即hevmod=3，此時發(fā)動機(jī)和電機(jī)同時提供車輛的需求轉(zhuǎn)矩；

若 Treq

若 Treq≥Tm，max+Te，opt， 發(fā)動機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出，電機(jī)提供的額外轉(zhuǎn)矩為車輛需求轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的差值以及電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的較小者，即

2 仿真結(jié)果及分析

為測試控制策略在真實(shí)系統(tǒng)中的控制效果，搭建了EMT試驗(yàn)臺架。臺架由如下幾部分構(gòu)成：①EMT，負(fù)載電機(jī)及其相應(yīng)的控制器、高壓電池及BMS等高壓系統(tǒng)；②dSPACE控制系統(tǒng)；③油泵、電磁閥、各類傳感器及其低壓供電系統(tǒng)；④聯(lián)軸器、固定支架、冷卻回路等物理系統(tǒng)。EMT臺架測試系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺架原理Fig.3 Schematic of test bench

從成本和慣性負(fù)載兩方面考慮，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺架時，使用了另一臺電機(jī)作為負(fù)載（功能與測功機(jī)類似，稱為負(fù)載電機(jī)）。測功機(jī)能夠在動力系統(tǒng)試驗(yàn)中，施加載荷并對所測對象進(jìn)行全面綜合的測試，但主流的測功機(jī)成本相對較高，許多用戶沒有條件接受；真實(shí)系統(tǒng)在換檔過程中車輛雖然中斷動力傳遞但繼續(xù)依靠慣性前行，速度基本保持不變，在試驗(yàn)臺架中如果EMT輸出軸無法提供合適的轉(zhuǎn)動慣量，這將與實(shí)際車輛換檔過程存在較大差異。負(fù)載電機(jī)的存在為變速器輸出軸提供了合適的負(fù)載，并能夠模擬實(shí)際車速為換檔提供條件，其成本較主流測功機(jī)大幅度降低。試驗(yàn)臺架實(shí)物如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺架實(shí)物Fig.4 Test bench physical

能量管理控制策略完成計(jì)算機(jī)仿真后，將控制策略嵌入到dSPACE系統(tǒng)中，進(jìn)行快速控制原型的試驗(yàn)。限于試驗(yàn)條件限制，輸出的指令雖然無法直接傳輸給發(fā)動機(jī)等真實(shí)部件，但在dSPACE系統(tǒng)中的仿真與在Matlab中已經(jīng)有本質(zhì)區(qū)別。系統(tǒng)輸入為真實(shí)的加速、制動踏板信號，車輛速度與當(dāng)前檔位；系統(tǒng)輸出為發(fā)動機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及各類開關(guān)信號，如圖5所示。

圖5 能量管理控制原型Fig.5 Energy management control prototype

在此，選取加速和制動2種情況進(jìn)行能量管理控制原型試驗(yàn)，系統(tǒng)歷經(jīng)純電動模式、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式和聯(lián)合驅(qū)動模式，其中包括制動能量回收階段。

從電動汽車試車工作過程出發(fā)，將轉(zhuǎn)矩量作為整車能量管理的落腳點(diǎn)，提出了基于規(guī)則的能量管理策略。圖6為在加速情況下，隨著加速踏板開度的不斷增大，系統(tǒng)從純電動模式過渡到發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式最后到聯(lián)合驅(qū)動模式下發(fā)動機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩及離合器狀態(tài)的變化。

加速踏板開度較小系統(tǒng)處于純電動模式時，發(fā)動機(jī)不工作，電機(jī)單獨(dú)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛前行，離合器分離；當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求逐漸增大，系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式，離合器結(jié)合，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)停止工作；而系統(tǒng)有大轉(zhuǎn)矩需求時，電機(jī)和發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛前行，離合器結(jié)合，系統(tǒng)處于聯(lián)合驅(qū)動模式，且此時發(fā)動機(jī)能夠按照最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線輸出。

圖7為系統(tǒng)減速制動時進(jìn)行制動能量回收時電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電池Sc變化曲線，電機(jī)輸出的負(fù)轉(zhuǎn)矩隨著踏板開度的增加而增大，而電池Sc因?yàn)橹苿幽芰炕厥斩饾u升高，驗(yàn)證了所建控制系統(tǒng)的制動能量回收功能。

圖6 加速試驗(yàn)不同模式下發(fā)動機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩及離合器狀態(tài)的變化Fig.6 Change of engine，motor torque and clutch state under different modes in the accelerated test

圖7 系統(tǒng)制動試驗(yàn)Fig.7 System braking test

3 結(jié)語

基于dSPACE平臺進(jìn)行并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略的研究，采用了基于規(guī)則的能量管理控制策略，重點(diǎn)研究了MBD思想建立快速原型解決仿真中存在的實(shí)時性與信號真實(shí)性問題；在半實(shí)物仿真與控制器開發(fā)的軟硬件平臺dSPACE上進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，在加速和制動兩種典型情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，臺架直接連接了實(shí)車的加速、制動踏板信號，針對轉(zhuǎn)矩分配難以動態(tài)驗(yàn)證的情況，在離線仿真的基礎(chǔ)上引入了實(shí)際部件，使得結(jié)果更加接近實(shí)際，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。后續(xù)將對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，并在實(shí)際車輛上進(jìn)行試驗(yàn)，通過硬件在環(huán)仿真對能量管理控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)。

[1]黃妙華，喻厚宇.串聯(lián)混合動力電動客車控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2003，27（4）：440-442.

[2]張欣，李國岫，宋建鋒，等.并聯(lián)式混合動力汽車多能源動力總成控制單元的研究與開發(fā)[J].高技術(shù)通訊，2003，13（2）：92-96.

[3]杜玖玉，王賀武，黃海燕.基于規(guī)則的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)控制策略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（s1）：152-157.

[4]Dextreit C，Kolmanovsky I V.Game theory controller for hybrid electric vehicles[J].IEEE Transactionson Control Systems Technology，2014，22（2）：652-663.

[5]曹正策.基于電驅(qū)動自動變速器（EMT）的Plug_in并聯(lián)混合動力系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[6]謝海明，黃勇，王靜，等.插電式混合動力汽車能量管理策略綜述[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報，2015，29（7）：1-9.

[7]李訓(xùn)明.并聯(lián)式混合動力汽車能量分配策略優(yōu)化研究[D].山東淄博：山東理工大學(xué)，2015.

[8]段薇.基于dSPACE的混合動力控制器原型研究與開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.