閆松，趙紅，潘廣純，袁煥濤，崔翔宇

青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071

0 引言

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)可以充分發(fā)揮多種能源的優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能、減排、續(xù)航等方面具有突出的性能[1-2]。作為混合動(dòng)力汽車(chē)的核心部分，控制策略能夠合理分配不同動(dòng)力源提供的能量，達(dá)到節(jié)能減排的目的[3-4]。

混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括能量管理控制策略和轉(zhuǎn)矩分配策略，其核心是合理分配混合動(dòng)力汽車(chē)的多能源輸出，降低燃油消耗率，達(dá)到節(jié)能減排的目的[5-8]?？刂撇呗缘难芯恐饕袃煞N：一是利用優(yōu)化算法優(yōu)化規(guī)則控制策略，二是運(yùn)用轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)方法控制多個(gè)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)矩分配和效率優(yōu)化。鄧濤等[9]采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性、駕駛性等多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。錢(qián)立軍等[10]使用多島遺傳算法對(duì)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的控制模型進(jìn)行優(yōu)化。趙治國(guó)等[11]設(shè)計(jì)出一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性和電動(dòng)機(jī)扭矩耦合過(guò)程的工作模式切換控制策略。Davis等[12]提出一種通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)方法，減緩轉(zhuǎn)矩耦合產(chǎn)生的波動(dòng)。這些研究方法為混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的研究提供了參考。

本文中采用能量管理策略與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制相結(jié)合的控制策略研究并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力控制系統(tǒng)，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制+動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)干預(yù)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)方法，協(xié)調(diào)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出；采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最優(yōu)的能量管理策略，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最優(yōu)也是目前應(yīng)用最廣泛的能量管理控制策略[13]。

1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為采用扭矩復(fù)合式并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器直接連接，通過(guò)扭矩耦合裝置與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相連，通過(guò)變速器、主減速器、差速器，最終傳遞給車(chē)輪，可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式的切換。根據(jù)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩，按照轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。其動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。整車(chē)主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車(chē)主要參數(shù)

2 能量管理控制方法

2.1 整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩分析

在不考慮車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的駕駛穩(wěn)定性，行駛過(guò)程中混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)矩

Tw=ηtigi0(Te+Tm)+Tb

,

(1)

式中：ig為變速器傳動(dòng)比；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tb為制動(dòng)力矩。

式(1)也可以表示為：

Tw=(mgfrcosθ+0.5CDAρur2+mgsinθ+δmdu/dt)·r,

(2)

式中：g為重力加速度；θ為道路坡道角；ρ為空氣密度；ur為相對(duì)速度，在無(wú)風(fēng)時(shí)即汽車(chē)的行駛速度；u為行駛速度。

整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩

Tr=(Tw-Tb)/(ηtigi0),

(3)

式(3)也可以表示為：

Tr=((mgfrcosθ+0.5CDAρur2+mgsinθ+δmdu/dt)r-Tb)/(ηtigi0)。

(4)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間劃分

找出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)工作區(qū)間[14]是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制策略至關(guān)重要的一步。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間圖，最大轉(zhuǎn)矩限制曲線也是發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線,即每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩(Temax)曲線；發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩(Teopt)曲線是由發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)速下工作效率最高的轉(zhuǎn)矩輸出點(diǎn)擬合而成，同是也是燃油消耗率最低曲線，要盡可能的保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在此曲線附近；最小轉(zhuǎn)矩(Temin)限制曲線是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃油消耗較高的曲線，低于此曲線時(shí)應(yīng)該關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)高效率的工作。

電池SOC的管理模式有電量耗盡(charge depleting, CD)和電量維持(charge sustaining, CS)兩種模式，CD模式一般設(shè)定兩個(gè)門(mén)限值，一個(gè)是電池充電停止門(mén)限值Qmax，以防止電池組過(guò)充電；一個(gè)是電池放電停止門(mén)限值Qmin，保證電池組不過(guò)分放電[15]。CS模式設(shè)定一個(gè)SOC門(mén)限值，使得電池SOC始終在這一門(mén)限值附近。本文中采用CD控制模式，但將SOC進(jìn)一步細(xì)化，添加電池最優(yōu)SOC門(mén)限值Qobj，將電池劃分為禁用區(qū)[0,Qmin]、低效區(qū)[Qmin,Qobj]、高效區(qū)[Qobj，Qmax]、過(guò)充緩沖區(qū)[Qmax，100]。基本原則是應(yīng)該盡可能使電機(jī)工作在電池的高效區(qū)，并且避免在低效區(qū)輸出過(guò)大轉(zhuǎn)矩，禁用區(qū)時(shí)停止電池繼續(xù)放電，保護(hù)動(dòng)力電池的使用壽命。

綜上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域界限和電池SOC設(shè)定邏輯門(mén)限控制策略參數(shù)，邏輯門(mén)限控制策略參數(shù)如表2所示。

表2 邏輯門(mén)限控制策略參數(shù)

3 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)方法

3.1 工作模式分析

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，兩者可單獨(dú)或共同提供整車(chē)驅(qū)動(dòng)力矩。因此并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)具有多種工作模式，包括發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、純電動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式等。電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的混合特性曲線見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的差異，在工作模式切換中可能會(huì)造成動(dòng)力中斷等問(wèn)題[16-19]。對(duì)此本文中提出發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制+動(dòng)力電池SOC干預(yù)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)有驅(qū)動(dòng)和停機(jī)2種工作狀態(tài)，電機(jī)有電動(dòng)、發(fā)電和停機(jī)3種工作狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)決定了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的工作模式。

3.2 工作模式的切換條件及轉(zhuǎn)矩分配

混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)模式分為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、行車(chē)充電4種模式。純電動(dòng)模式下，車(chē)輛行駛由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下，車(chē)輛行駛由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)?；旌向?qū)動(dòng)模式細(xì)分為2種：若整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩且小于最大輸出轉(zhuǎn)矩，則發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩曲線上運(yùn)行，并且剩余轉(zhuǎn)矩由電機(jī)補(bǔ)償；若整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線上，剩余轉(zhuǎn)矩由電機(jī)補(bǔ)償。行車(chē)充電模式細(xì)分為3種：若整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)最小輸出轉(zhuǎn)矩且電池SOC小于等于電池放電停止門(mén)限Qmin，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最小轉(zhuǎn)矩限制曲線上，過(guò)量轉(zhuǎn)矩分配電機(jī)充電；若整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最小輸出轉(zhuǎn)矩、小于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩且電池SOC小于電池充電停止門(mén)限Qmax，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最低燃油消耗率曲線上，過(guò)量轉(zhuǎn)矩分配電機(jī)充電；若整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩、小于發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩且電池SOC小于等于電池放電停止門(mén)限Qmin，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作在外特性曲線上，過(guò)量轉(zhuǎn)矩分配電機(jī)充電。其切換條件及轉(zhuǎn)矩分配方式如表3所示。

表3 工作模式切換條件、轉(zhuǎn)矩分配及動(dòng)力源工作狀態(tài)

基于AVL_Cruise搭建整車(chē)模型如圖4所示。

采用interface聯(lián)合仿真方式，這種聯(lián)合仿真方式實(shí)質(zhì)是在Matlab中調(diào)用Cruise的解算器，因此在仿真過(guò)程中無(wú)需額外開(kāi)啟AVL_Cruise，在Matlab中運(yùn)行即可；不僅運(yùn)行速度快，而且方便工程師直觀地看到整個(gè)控制策略的執(zhí)行過(guò)程，提高調(diào)試策略的效率。

基于Matlab/simulink/stateflow平臺(tái)，構(gòu)建了控制策略模型，控制策略邏輯圖如圖5所示。

以車(chē)速、電池SOC值、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)踏板信號(hào)、油門(mén)踏板信號(hào)等為模型的輸入，這些信號(hào)輸入到Stateflow中作為工作模式的切換條件達(dá)到改變車(chē)輛行駛工況以及控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出；控制模型的輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)信號(hào)、電機(jī)開(kāi)關(guān)信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)加載信號(hào)、電機(jī)加載信號(hào)，這些輸出信號(hào)控制整車(chē)模型的運(yùn)行。將建立好的控制模型與Cruise進(jìn)行聯(lián)合仿真，Cruise與控制策略構(gòu)成閉環(huán)連接，Cruise將數(shù)值傳遞給控制策略，控制策略將處理好的數(shù)據(jù)傳遞給整車(chē)模型，直到運(yùn)算結(jié)束。

4 仿真結(jié)果分析

選擇測(cè)試工況為新歐洲駕駛周期(new European driving cycle, NEDC)進(jìn)行仿真。圖6為實(shí)際車(chē)速與期望車(chē)速對(duì)比圖，仿真結(jié)果顯示實(shí)際車(chē)速與期望車(chē)速幾乎重合，充分表現(xiàn)了控制策略的穩(wěn)定性。圖7為電池SOC初始值為70%時(shí)的變化曲線。

由圖7可知，隨工作時(shí)間增加電池SOC不斷降低，但降低趨勢(shì)逐漸變緩，電池SOC始終保持在合理范圍(0.2～0.9)內(nèi)，有效的減少電池?fù)p耗并延長(zhǎng)電池使用壽命。

圖8～10為電池初始SOC為70%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖8～10可知，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩基本為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之和，說(shuō)明控制策略可以根據(jù)車(chē)輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)矩需求合理地協(xié)調(diào)分配發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，保證車(chē)輛根據(jù)駕駛員的需求正常行駛；汽車(chē)起步時(shí)由電機(jī)提供整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，車(chē)輛行駛處于純電動(dòng)模式工況，并且根據(jù)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線變化，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛在不同模式下的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了控制策略的有效性；當(dāng)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)提供動(dòng)力確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)域工作，可以有效提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

由圖9可知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有正負(fù)，說(shuō)明電機(jī)在電動(dòng)和充電狀態(tài)之間切換，根據(jù)電池SOC的變化曲線也可以看出，證明了控制策略控制良好。

由圖10可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大部分位于最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩曲線附近，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作范圍，可以有效的降低燃油消耗率。

5 結(jié)論

以并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)Cruise平臺(tái)搭建的整車(chē)模型與基于Matlab/Simulink平臺(tái)搭建的整車(chē)控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真。通過(guò)比較分析仿真結(jié)果得出如下結(jié)論。

1)提出的轉(zhuǎn)矩分配策略能合理地分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛在不用工作模式之間的切換，滿足駕駛員的驅(qū)動(dòng)需求。

2)電池的SOC能夠在合理范圍內(nèi)保持平衡，并且其變化趨勢(shì)達(dá)到了預(yù)期的控制效果，充分驗(yàn)證了控制策略的有效性與可靠性。