周金應(yīng)， 徐磊， 程前， 劉延， 陳亞偉

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

混合動(dòng)力汽車具有節(jié)能、低污染、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，已成為車輛電動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)的解決方案之一。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)具有多個(gè)動(dòng)力源，一般通過監(jiān)控系統(tǒng)(SCS)對(duì)多個(gè)動(dòng)力源進(jìn)行功率分配。SCS控制策略主要分為基于優(yōu)化和基于規(guī)則的兩種方法?；趦?yōu)化的控制策略通過求解復(fù)雜的優(yōu)化問題實(shí)現(xiàn)能量分配管理，典型代表有動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DP)、等效燃油消耗最小化策略(ECMS)和龐德里亞金最小值原理等。這類控制方法計(jì)算量較大且對(duì)于車輛行駛狀態(tài)參數(shù)要完全獲知，難以在實(shí)際車輛能量管理中加以應(yīng)用。基于規(guī)則的控制策略一般通過啟發(fā)式方法進(jìn)行控制，其規(guī)則設(shè)置簡(jiǎn)便且易于實(shí)現(xiàn)。因此，混合動(dòng)力汽車一般采用基于規(guī)則的控制策略，其中以電力輔助控制策略(EACS)最常見。但該策略需對(duì)很多車輛狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，整個(gè)調(diào)優(yōu)過程耗時(shí)較長(zhǎng)。為提高并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，該文將負(fù)載跟隨閾值改變(LTS)的控制策略應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并與ECMS和EACS控制策略進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證LTS控制策略的有效性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)建模

如圖1所示，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)2個(gè)作用在單軸上的動(dòng)力系統(tǒng)，其中電機(jī)系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)后軸，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)連接到前軸。具有3個(gè)作用于車輛的動(dòng)力源，即齒輪箱之后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率Peg、變速箱之后的電力輔助功率Pmt及制動(dòng)功率Ph，其中Peg始終為非負(fù)值，Ph始終為非正值，Pmt可取任何值，負(fù)值對(duì)應(yīng)于再生制動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電池進(jìn)行充電。

圖1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

根據(jù)圖1，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由兩部分組成：

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置為2 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，峰值功率為120 kW，峰值扭矩為300 N·m，基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωe的工作效率見圖2。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率由式(1)計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械功率Pe=Teωe。

(1)

式中：mf為燃油消耗；ηe(Te,ωe)為發(fā)動(dòng)機(jī)效率；QLHV=44.4 MJ/kg，表示燃油低熱值。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率圖

(2) 變速箱。以六速自動(dòng)變速器為例，假定機(jī)械效率ηg=0.96為恒定值，有：

Peg=Peηg

(2)

1.2 電力輔助系統(tǒng)

電力輔助系統(tǒng)主要包括電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC逆變器、電機(jī)和電機(jī)傳動(dòng)等模塊，對(duì)其子模塊分別進(jìn)行建模。

(1) 電池。混合動(dòng)力汽車的電池模型使用鋰離子電池，電壓按式(3)計(jì)算。根據(jù)電池功率Pbl=Vbib，可將電池平均電流ib求解為SOC和Pbl的函數(shù)ib(SOC,Pbl)。電池的SOC模型見式(4)。

Vb=Eb-Rbib

(3)

式中：Eb為開路電壓；Rb為內(nèi)阻；ib為電池的平均電流。

(4)

式中：Qmax為電池最大容量。

(2) DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器。忽略DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器的高頻振蕩，并將它們建模為具有恒定效率ηdc=0.96和ηi=0.96的靜態(tài)組件，可得：

(5)

(3) 電機(jī)。采用三相永磁同步電機(jī)，峰值功率為27 kW，扭矩為200 N·m。根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]，電機(jī)的效率ηm是關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tlm和電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm的函數(shù)(見圖3)：

(6)

圖3 電機(jī)的效率圖

(4) 電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)和混合動(dòng)力汽車后輪以固定齒輪方式連接，固定齒輪的效率為ηt=0.96，得：

(7)

1.3 車輛動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)車輛縱向動(dòng)力學(xué)，縱向驅(qū)動(dòng)力Fv為：

(8)

式中：m為汽車質(zhì)量；v為車速；Fr為輪胎滾動(dòng)阻力；Fd為為空氣阻力，F(xiàn)d=ρv2；ρ為空氣密度。

由給定的車輛縱向動(dòng)力學(xué)方程可計(jì)算出所需驅(qū)動(dòng)功率Ppl：

Ppl=Fvv

(9)

驅(qū)動(dòng)功率Ppl也等于發(fā)動(dòng)機(jī)功率Peg、電力輔助功率Pmt及制動(dòng)功率Ph之和，即：

Ppl=Pmt+Peg+Ph

(10)

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，機(jī)械制動(dòng)可應(yīng)用于前輪和后輪，再生制動(dòng)一般只在連接了電動(dòng)機(jī)的后軸上進(jìn)行。此外，假設(shè)可以恢復(fù)2/3的制動(dòng)功率，剩余的制動(dòng)功率則由Ph提供。

1.4 系統(tǒng)集成

根據(jù)功率傳輸路線，混合動(dòng)力汽車的功率流由兩部分獨(dú)立動(dòng)力源表示，即u={Peg,Pmt}，其表達(dá)式如下：

(11)

將式(11)帶入式(1)、式(4)，得到包含2個(gè)狀態(tài)變量的動(dòng)力學(xué)方程：

(12)

2 能量管理控制策略

2.1 等效燃油消耗最小化策略(ECMS)

目前，ECMS控制策略在混合動(dòng)力汽車上得到廣泛應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

(13)

式中：qeq為等效燃油消耗率，按式(14)計(jì)算；Sd和Sc為等效因子；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；Pmtmin和Pmtmax分別為電力系統(tǒng)提供的最小、最大功率。

(14)

式中：qf為燃油消耗率，qf=mf。

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的ECMS策略中，每一對(duì)(Sd,Sc)決定一個(gè)控制映射，該映射確定多個(gè)動(dòng)力源之間的功率分配因數(shù)u=Peg/Ppl。圖4為WL-M(中速)和WL-E(超高速)2種行駛循環(huán)下最優(yōu)控制圖，通過最小化每個(gè)行駛循環(huán)的等效燃油得到。由圖4可知：發(fā)動(dòng)機(jī)的激活由驅(qū)動(dòng)載荷功率Ppl和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωe及相對(duì)于Ppl的不同閾值共同確定，可在每個(gè)控制映射中監(jiān)測(cè)這些變化，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的激活時(shí)機(jī)進(jìn)行控制。

圖4 WL-M和WL-E工況下最優(yōu)控制圖

2.2 電力輔助控制策略(EACS)

EACS控制策略是一種常見的基于規(guī)則的控制策略，采用負(fù)載跟隨和閾值改變的方法對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的能量進(jìn)行管理。一般以發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，電力作為輔助動(dòng)力源。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低下或功率需求超過發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電池同時(shí)工作。當(dāng)SOC下降到一定水平時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生額外的能量給電池充電[見式(15)]。EACS的控制規(guī)則見圖5。

(15)

式中：chrgfrac為電池電荷狀態(tài)SOC較低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的額外充電功率。

圖5 EACS的工作模式

2.3 負(fù)載功率跟隨閾值改變策略(LTS)

LTS控制策略基于閾值變化機(jī)制和負(fù)荷跟隨方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可與SOC保持成比例的微小偏差。功率閾值為：

(16)

式中：Pth為待定參數(shù)；SOCL和ωL分別為電池最小荷電狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速。

功率閾值取決于SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，式(16)中等號(hào)右邊第二項(xiàng)是由ECMS生成的控制驅(qū)動(dòng)，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。Xrange=(XU-XL)/2，其中XU為最大電池荷電狀態(tài)SOCU或發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速ωU。

在LTS控制策略中，功率需求Ppl≥Pegmin時(shí)，將激活發(fā)動(dòng)機(jī)，并利用功率負(fù)載跟隨方法以較小的偏差進(jìn)行工作[見式(17)]。因此，LTS有3個(gè)參數(shù)(Pth,Pω,Pch)需要調(diào)優(yōu)，其運(yùn)行規(guī)則見圖6。選取ωe=ωmidSOC=SOCmid兩個(gè)時(shí)刻，SOC、ωe和Ppl的相關(guān)情況見圖6，其中ωmid=(ωU+ωL)/2。

Pd=Ppl+Pch(SOCmid-SOC)

(17)

式中：Pch≥0且為可調(diào)參數(shù)；SOCmid為期望的電池荷電狀態(tài)值，SOCmid=(SOCU+SOCL)/2。

Pegmax和Pmtmax分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)模塊傳遞的最大功率

3 仿真驗(yàn)證及相關(guān)分析

將LTS、ECMS、EACS控制策略與并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車模型結(jié)合，對(duì)比分析3種控制策略的性能。根據(jù)全球統(tǒng)一的輕型車輛測(cè)試程序(WLTP)，在低速(WL-L)、中速(WL-M)、高速(WL-H)和超高速(WL-E)工況下進(jìn)行仿真測(cè)試，不同工況下車速分布見圖7。

圖7 WLTP在4個(gè)不同階段的速度分布

為評(píng)價(jià)各控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)實(shí)際燃油消耗和電池充電消耗均采用統(tǒng)一的規(guī)則：

(18)

式中：Sd,efc和Sc,efc為等效系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[28]中折線圖方法計(jì)算得到，其值見表1；ΔSOC=SOCinitial-SOCfinal。

表1 等效系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過最小化等效燃油消耗mefc可得到3種控制策略在不同工況下的性能最優(yōu)值(見表2)。由表2可知：LTS控制策略無論在燃油經(jīng)濟(jì)性還是在電池運(yùn)行狀態(tài)方面都具有最佳的性能表現(xiàn)。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，LTS控制策略優(yōu)于EACS控制策略3.1%～10.4%，優(yōu)于ECMS控制策略2.5%～5.7%。在SOC方面，LTS控制策略可使SOC值保持在60%以上，電池運(yùn)行處于較好狀態(tài)。

表2 不同控制策略下等效燃油消耗mefc及最終SOC值

由于電機(jī)功率在給定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)是確定的，僅輸出相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)功率分布，圖8為不同控制策略下驅(qū)動(dòng)功率情況。由圖8可知：3種控制策略都是在低功率負(fù)載情況下使用純電動(dòng)模式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載功率需求較高時(shí)，激活發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。對(duì)于ECMS和LTS控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)通常提供比所需驅(qū)動(dòng)負(fù)載更多的功率，并且超出的功率存儲(chǔ)在電池中以備后續(xù)使用，而EACS不直接使用發(fā)動(dòng)機(jī)為電池充電，除非電池達(dá)到SOC下限。另外，在WL-L和WL-M工況下，LTS和ECMS控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的激活時(shí)間較相似，但在WL-H和WL-E工況下，LTS會(huì)更頻繁地激活發(fā)動(dòng)機(jī)模式，保證混合動(dòng)力汽車具有較好的動(dòng)力性能。EACS控制策略雖然采用負(fù)載跟隨模式，但電池充電主要依靠再生制動(dòng)，如果沒有足夠的再生制動(dòng)來源，則EACS難以實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)平衡。

圖8 4種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)功率和需求功率情況

3種控制策略下SOC分布見圖9。由圖9可知：除WL-H工況外，其余3種工況下LTS控制策略和ECMS控制策略的SOC分布較相似，進(jìn)一步表明LTS控制策略的有效性。對(duì)于EACS控制策略，由于負(fù)載跟隨機(jī)制和再生制動(dòng)有限，無法在所有驅(qū)動(dòng)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)平衡。從保證電池穩(wěn)定運(yùn)行的角度來看，LTS控制策略具有與ECMS類似的性能，并顯著優(yōu)于EACS。

圖9 3種不同控制策略下SOC曲線

4 結(jié)論

針對(duì)混合動(dòng)力汽車的能量管理控制，采用負(fù)載跟隨閾值改變的方法設(shè)計(jì)一種能兼顧汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和電池荷電狀態(tài)的能量管理控制策略LTS；針對(duì)控制實(shí)時(shí)性的需要，采用簡(jiǎn)化調(diào)優(yōu)的方式對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)；最后設(shè)計(jì)相關(guān)仿真測(cè)試，與傳統(tǒng)的ECMS和EACS控制策略進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所提出方法的有效性。結(jié)論如下：1) LTS控制策略設(shè)計(jì)規(guī)則簡(jiǎn)便、高效，在燃油經(jīng)濟(jì)性和電池電荷狀態(tài)平衡方面均優(yōu)于EACS策控制策略。2) 雖然LTS控制策略在燃油經(jīng)濟(jì)性方面與ECMS控制策略差距不大，但易于在車輛上實(shí)現(xiàn)且能使電池保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，綜合性能優(yōu)于ECMS。3) 考慮到LTS控制策略尚不能實(shí)現(xiàn)在多種工況下均保持有效性，后續(xù)研究中將進(jìn)一步對(duì)LTS進(jìn)行改進(jìn)，解決其在部分工況下燃油經(jīng)濟(jì)性改善程度不高的問題。