陳致西　周金應(yīng)　龍軍　張明德　高越

摘 要：針對并聯(lián)混合動力汽車的能量管理問題，提出了負載跟隨閾值改變的控制策略（LTS）。LTS控制策略基于閾值變化機制和負載跟隨方法，可以與電池電荷狀態(tài)（SOC）保持成比例的微小偏差，能夠有效確保電池持續(xù)穩(wěn)定運行。本文設(shè)計LTS控制策略的閾值通過電池荷電狀態(tài)（SOC）和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來綜合調(diào)整動力輸出方式，其能量管理的精細化程度更高。將該策略應(yīng)用于混合動力汽車進行仿真測試，并與傳統(tǒng)的等效燃油消耗率最小化策略（ECMS）和電動輔助控制策略（EACS）進行性能對比。結(jié)果表明，在燃油經(jīng)濟性方面，LTS控制策略優(yōu)于EACS控制策略3.1%～10.4%，LTS控制策略優(yōu)于ECMS控制策略2.5%～5.7%。在電池荷電狀態(tài)（SOC）方面，LTS控制策略可以使SOC值大于60%。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車;負載跟隨;閾值變化;能量管理;控制策略

中圖分類號：U469.7文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0077-05

Abstract： Aiming at the energy management problem of parallel hybrid electric vehicle， a load-following threshold change control strategy （LTS） was proposed. Based on the threshold change mechanism and load following method， the LTS control strategy can maintain a small deviation proportional to the battery charge state （SOC）， which can effectively ensure the battery to run continuously and stably. In this paper， the threshold value of the LTS control strategy is designed to adjust the power output mode comprehensively through the battery state of charge （SOC） and the engine speed， and the energy management is more refined. The proposed strategy was applied to the simulation test of hybrid electric vehicle， and the performance was compared with the traditional equivalent fuel consumption minimization strategy （ECMS） and the electric assisted control strategy （EACS）.The results show that the LTS control strategy is superior to the EACS control strategy by 3.1%～10.4% in fuel economy， and the LTS control strategy is superior to the ECMS control strategy by 2.5%～5.7%.In terms of battery state of charge （SOC）， the LTS control strategy can make the SOC value greater than 60%.

Keywords： hybrid electric vehicle;load following; threshold change;energy management;control strategy

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）具有節(jié)能、低污染、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為車輛電動化轉(zhuǎn)型升級的解決方案之一[1]。與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，混合動力汽車的動力系統(tǒng)具有多個動力源，對其動力系統(tǒng)進行科學(xué)合理的管理極為重要，一般是通過混合動力汽車的監(jiān)控系統(tǒng)（SCS）來對多個動力源進行功率分配[2]。因此，對監(jiān)控系統(tǒng)（SCS）進行深入研究，以提高車輛燃油經(jīng)濟性并降低排放，具有重要的實際應(yīng)用價值。

當前的監(jiān)控系統(tǒng)（SCS）控制策略主要分為基于優(yōu)化和基于規(guī)則兩種方法[3]?；趦?yōu)化的控制策略是通過求解復(fù)雜的優(yōu)化問題來實現(xiàn)能量分配管理，典型代表有動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，DP）、等效燃油消耗最小化策略（Equivalent Consumption Minimization Strategies，ECMS）和龐德里亞金最小值原理等控制策略[4]。但是，基于優(yōu)化的控制方法計算量較大，并且要完全獲知車輛行駛狀態(tài)參數(shù)，難以在實際車輛的能量管理中進行應(yīng)用[5]?；谝?guī)則的控制策略一般是通過啟發(fā)式方法進行控制，其規(guī)則設(shè)置簡便且易于實現(xiàn)[6]。因此，在混合動力汽車中，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（Electric Assisted Control Strategy，EACS）最為常見，但由于需要對很多車輛狀態(tài)參數(shù)進行標定，整個調(diào)優(yōu)過程耗時較長[7]。

為了提高并聯(lián)式混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性，本文提出了一種負載跟隨閾值改變（LTS）的控制策略。由于并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機與車輪直接連接，在預(yù)定義功率閾值時，LTS控制策略設(shè)置的功率閾值綜合考慮了電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可以使混合動力汽車能量管理精細化程度更高。為了驗證所提出方法的有效性，本文將LTS控制策略應(yīng)用于混合動力汽車，設(shè)計了相關(guān)仿真試驗，并與傳統(tǒng)的等效燃油消耗最小化策略（ECMS）和電力輔助控制策略（EACS）進行對比。仿真結(jié)果表明，本文提出的LTS控制策略規(guī)則設(shè)置簡便，無須過多人工干預(yù)，并且具有較好的能量管理綜合性能。

1 動力系統(tǒng)架構(gòu)和相關(guān)建模

如圖1所示，并聯(lián)式混合動力汽車具有兩個作用在單軸上的動力系統(tǒng)[8]。電機系統(tǒng)用于驅(qū)動后軸，而發(fā)動機（Internal Combustion Engine，ICE）系統(tǒng)則連接到前軸。由圖1可知，該車輛具有三個作用于車輛的動力源，包括齒輪箱之后的發(fā)動機功率[Peg]、變速器之后的電力輔助功率[Pmt]以及制動功率[Ph]。[Peg]始終為非負值，[Ph]始終為非正值，而[Pmt]可以取任何值，負值對應(yīng)于再生制動或發(fā)動機對電池進行充電。

1.1 發(fā)動機（ICE）動力系統(tǒng)

發(fā)動機動力系統(tǒng)由以下兩部分組成。

第一，發(fā)動機。發(fā)動機設(shè)置為2 L汽油發(fā)動機，峰值功率為120 kW，峰值扭矩為300 N·m，基于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩[Te]和發(fā)動機轉(zhuǎn)速[ωe]的工作效率如圖2所示。

式中：[mf]為燃油消耗;[QLHV]表示燃油低熱值，取44.4 MJ/kg;[ηe（Te，ωe）]為發(fā)動機效率。發(fā)動機提供的機械功率為[Pe=Teωe]。

第二，變速器。本文以6速自動變速器為例，假定機械效率[ηe=0.96]為恒定值，由此可得出：

1.2 電力輔助系統(tǒng)

電力輔助系統(tǒng)主要包括電池、DC-DC（直流-直流）轉(zhuǎn)換器、DC-AC（直流-交流）逆變器、電機和電機傳動等模塊。對其子模塊分別進行建模。

第一，電池?；旌蟿恿ζ嚨碾姵啬Ｐ驮O(shè)定使用鋰離子電池，電壓定義如下[9]：

根據(jù)電池功率[Pbl=Vbib]，可將電池平均電流[ib]求解為電池荷電狀態(tài)（SOC）和[Pbl]的函數(shù)：[ibSOC，Pbl]。電池的荷電狀態(tài)（SOC）模型描述如下：

第二，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，并將其建模為具有恒定效率[ηdc=0.96]和[ηi=0.96]的靜態(tài)組件。由此可得：

第三，電機。采用三相永磁同步電機，峰值功率為27 kW，扭矩為200 N·m。根據(jù)相關(guān)文獻[9]可知，電機的效率[ηm]是關(guān)于電機轉(zhuǎn)矩[Tlm]和電機轉(zhuǎn)速[ωm]的函數(shù)。

第四，電機傳動系統(tǒng)。永磁同步電機和混合動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]?？傻萌缡剑?）所示的表達式：

1.3 車輛動力學(xué)模型

對于混合動力汽車來說，機械制動可以應(yīng)用于前輪和后輪，再生制動一般只在連接了電動機的后軸上進行。此外，假設(shè)可以恢復(fù)2/3的制動功率，剩余的制動功率則由[Ph]提供。

1.4 系統(tǒng)集成

根據(jù)功率傳輸路線可知，混合動力汽車的功率流可由兩部分獨立動力源來表示[u=Peg，Pmt]，不同功率計算表達式如下：

2 能量管理控制策略

本節(jié)提出了一種針對并聯(lián)式混合動力汽車的啟發(fā)式控制策略。在汽車行駛過程中，負載會跟隨閾值發(fā)生改變，使能量管理更精準，有助于提高車輛的燃油經(jīng)濟性。首先，簡要介紹傳統(tǒng)的等效燃油消耗最小化策略（ECMS）和電力輔助控制策略（EACS），然后提出本文的負載跟隨閾值改變的控制策略。

2.1 等效燃油消耗最小化策略（ECMS）

目前，等效燃油消耗最小化策略（ECMS）在許多混合動力汽車上得到了廣泛應(yīng)用，其相關(guān)數(shù)學(xué)表達式為：

式中：[qeq]表示等效燃油消耗率，其計算公式如（14）所示;[Sd]和[Sc]為等效因子;[Pmtmin]和[Pmtmax]為電力系統(tǒng)提供的最小和最大功率;[Temax]為發(fā)動機最大扭矩。

式中：[qf=mf]為燃油消耗率。并聯(lián)混合動力汽車的等效燃油消耗最小化策略（ECMS）中，每一對[Sd，Sc]決定一個控制映射，該映射確定多個動力源之間的功率分配因數(shù)[u=Peg/Ppl]。

2.2 電力輔助控制策略（EACS）

電力輔助控制策略（EACS）是一種常見的基于規(guī)則式的控制策略，采用負載跟隨和閾值改變的方法對混合電池汽車動力系統(tǒng)的能量進行管理。一般主要以發(fā)動機（ICE）作為主要動力源，電力作為輔助動力源。當發(fā)動機工作效率低下或者功率需求超過發(fā)動機最大功率時，發(fā)動機與電池同時工作。當電池荷電狀態(tài)（SOC）下降到一定水平時，發(fā)動機會產(chǎn)生額外的能量給電池充電。電力輔助控制策略（EACS）的控制規(guī)則如圖3所示。

2.3 負載功率跟隨閾值改變策略（LTS）

LTS控制策略是基于閾值變化機制和負荷跟隨方法來設(shè)計的，可以與電池電荷狀態(tài)（SOC）保持成比例的微小偏差。首先定義功率閾值為：

功率閾值取決于電池荷電狀態(tài)（SOC）和發(fā)動機轉(zhuǎn)速（[ωe]）。式（16）中：右邊第二項是由ECMS生成的控制驅(qū)動，可以有效提高發(fā)動機的工作效率;[Pth]和[Pω]都是待確定的參數(shù);SOCL和wL分別表示電池最小荷電狀態(tài)和發(fā)動機最小轉(zhuǎn)速。

在LTS控制策略中，當功率需求[Ppl≥Pegmin]時，將激活發(fā)動機（ICE），并利用功率負載跟隨方法以較小的偏差進行工作，如式（17）所示：

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

3 仿真驗證及相關(guān)分析

將功率負載跟隨閾值改變策略（LTS）、等效燃油消耗最小化策略（ECMS）以及電力輔助控制策略（EACS）與并聯(lián)式混合動力汽車模型結(jié)合，對比三種控制策略的性能。根據(jù)全球統(tǒng)一的輕型車輛測試程序（WLTP），在低速（WL-L）、中速（WL-M）、高速（WL-H）和超高速（WL-E）共4個不同工況下進行仿真測試，不同工況的車速分布如圖4所示。

為了評價各控制策略的燃油經(jīng)濟性，對實際燃油消耗和電池充電消耗均采用統(tǒng)一的規(guī)則：

式中：[ΔSOC=SOCinitial-SOCfinal];[Sd，efc]和[Sc，efc]是兩個等效系數(shù)，可以根據(jù)相關(guān)文獻[9，10]中折線圖方法計算得到，其獲得的數(shù)值如表1所示。

通過最小化等效燃油消耗[mefc]可以得到三種控制策略在不同工況下的性能最優(yōu)值。表2給出了不同工況下三種控制策略的燃油經(jīng)濟性和最終SOC值。由表2可以看出，LTS控制策略無論是在燃油經(jīng)濟性方面還是在電池運行狀態(tài)方面都具有最佳的性能表現(xiàn)。在燃油經(jīng)濟性方面，LTS控制策略優(yōu)于EACS控制策略3.1%～10.4%，LTS控制策略優(yōu)于ECMS控制策略2.5%～5.7%。在電池荷電狀態(tài)（SOC）方面，LTS控制策略可以使SOC值保持在60%以上，電池運行處于較好的狀態(tài)。

圖5是不同控制策略下所產(chǎn)生的驅(qū)動功率情況。由于電機功率在給定發(fā)動機功率時是確定的，所以僅輸出相關(guān)的發(fā)動機功率分布情況。由圖5可知，三種控制策略都是在低功率負載情況下使用純電動模式，當驅(qū)動負載功率需求較高時，激活發(fā)動機驅(qū)動模式。對于ECMS和LTS控制策略，發(fā)動機通常提供比所需要的驅(qū)動負載更多的功率，并且超出的功率存儲在電池中以備后續(xù)使用;而EACS則不直接使用發(fā)動機為電池充電，除非電池達到SOC下限。另外，在WL-L和WL-M這兩個工況下，對于發(fā)動機的激活時間，LTS控制策略和ECMS控制策略較為相似;但在WL-H和WL-E兩種工況下，LTS會更頻繁地激活發(fā)動機模式，保證混合動力汽車具有較好的動力性能。EACS控制策略雖然采用了負載跟隨模式，但電池充電主要依靠再生制動，如果沒有足夠的再生制動來源，其就難以實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)的平衡。

三種控制策略的電池荷電狀態(tài)（SOC）分布如圖6所示（WL-L工況為左上，WL-M工況為右上，WL-H工況為左下，WL-E工況為右下）。由圖6可知，除了WL-H工況外，其余三種工況下LTS控制策略和ECMS控制策略的SOC分布較為相似，這進一步證明了所提出LTS控制策略的有效性。對于EACS控制策略，由于負載跟隨機制和再生制動有限，因此無法在所有的驅(qū)動循環(huán)中實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)平衡。因此，從保證電池穩(wěn)定運行的角度來看，所提出的LTS控制策略具有與ECMS類似的性能，并顯著優(yōu)于EACS。

4 結(jié)論

本文采用負載跟隨閾值改變的方法，設(shè)計了一種能夠兼顧汽車燃油經(jīng)濟性和電池荷電狀態(tài)的能量管理控制策略。針對控制實時性的需要，采用簡化調(diào)優(yōu)的方式對設(shè)計規(guī)則進行了改進。最后設(shè)計相關(guān)仿真測試，與傳統(tǒng)的等效消耗最小化策略（ECMS）和電動輔助控制策略（EACS）進行對比，驗證了所提出方法的有效性，得出如下結(jié)論。

①負載跟隨閾值改變控制策略（LTS）設(shè)計規(guī)則簡便高效，在燃油經(jīng)濟性和電池荷電狀態(tài)平衡方面均優(yōu)于電動輔助控制策略（EACS）。

②與等效燃油消耗率最小化策略（ECMS）相比，雖然LTS控制策略在燃油經(jīng)濟性方面與等效消耗最小化策略（ECMS）相差不大，但易于在車輛上實現(xiàn)且能夠使電池保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，綜合性能優(yōu)于等效消耗最小化策略（ECMS）。

③考慮到目前提出的LTS控制策略尚不能實現(xiàn)在多種工況下均保持有效性，在后續(xù)的工作中，將進一步對LTS控制策略進行改進，解決其在部分工況下燃油經(jīng)濟性改善程度不高的問題。

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