薛濤

延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西延安 716000

0 引言

隨著全球環(huán)境和資源等問題的日益突顯，為降低汽車排放，目前全球主要汽車制造企業(yè)的發(fā)展方向已從傳統(tǒng)燃油汽車轉(zhuǎn)向新能源汽車。現(xiàn)階段我國新能源汽車技術(shù)處于快速發(fā)展和推廣期，同時(shí)隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池的不斷技術(shù)突破與創(chuàng)新，新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為我國節(jié)能減排的重要途徑。新能源汽車目前主要包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及燃料電池汽車3種類型，其中混合動(dòng)力汽車是傳統(tǒng)汽車向純電動(dòng)汽車過渡的理想方案。2021年中國新能源汽車產(chǎn)量達(dá)354.5萬輛，較2020年增加了217.90萬輛，同比增長(zhǎng)159.52%，占全國汽車總產(chǎn)量的13.59%。新能源汽車占比增加，可有效平衡能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾，目前也是我國汽車發(fā)展的一項(xiàng)重要措施?；旌蟿?dòng)力汽車相較于傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力結(jié)構(gòu)，主要增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置。本文通過制定合理的電動(dòng)機(jī)輔助控制策略可實(shí)現(xiàn)整車最優(yōu)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在車輛開發(fā)仿真階段中，控制策略邏輯設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要的作用。

1 整車結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

1.1 整車結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式以及混聯(lián)式3種類型，其中混聯(lián)式結(jié)構(gòu)兼顧了前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)可有效發(fā)揮整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。本文以混聯(lián)式結(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2分別在輸出端設(shè)置離合器與變速器連接，可實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力源獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛，如圖1所示。另外，系統(tǒng)還設(shè)置發(fā)電起動(dòng)一體機(jī)MG1及蓄電池。變速器采用“兩軸+平行軸”結(jié)構(gòu)，分別與驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)連接，最后共同作用于主減速器輸出動(dòng)力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2輸出軸上安裝離合器，動(dòng)力系統(tǒng)在工作時(shí)，控制策略根據(jù)動(dòng)力需求控制離合器工作，通過各部件協(xié)調(diào)輸出動(dòng)力，滿足車輛行駛，最后可實(shí)現(xiàn)車輛的多種動(dòng)力需求。

圖1 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

本文以較為成熟的混合動(dòng)力汽車作為研究對(duì)象，依據(jù)整車動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)，并利用AVL CRUISE軟件完成整車仿真模型的建立及仿真分析。選用某公司生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車作為仿真測(cè)試的參考車型，動(dòng)力系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)見表1,其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2類型為永磁同步電機(jī)，發(fā)電機(jī)MG1類型為ISG。測(cè)試車型技術(shù)參數(shù)見表2，其中車輪規(guī)格為205/55 R16。

表1 動(dòng)力系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù) 單位:kW

表2 測(cè)試車型技術(shù)參數(shù)

2 整車模型

根據(jù)車型結(jié)構(gòu)建立整車模型,如圖2所示。在仿真軟件中根據(jù)需求設(shè)置車輛各部件，主要完成整車參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、離合器、發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2、變速器等主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)部件。同時(shí)根據(jù)控制策略需求設(shè)置駕駛員和Matlab-Interface等控制模塊，其中動(dòng)力和能量傳遞部件主要通過機(jī)械連接和電氣連接來完成。機(jī)械連接主要表現(xiàn)為動(dòng)力傳遞方向，由發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器、變速器等部件來完成；電氣連接主要表現(xiàn)為能量流傳遞方向，由動(dòng)力電池、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)來完成。機(jī)械連接和電氣連接信號(hào)遵循整車控制策略的輸入和輸出變量。

圖2 整車仿真模型

3 控制策略設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)機(jī)輔助控制策略

能量控制策略是混合動(dòng)力汽車整車運(yùn)行的頂層邏輯，其合理性可有效協(xié)調(diào)各動(dòng)力部件的輸出效率，最后提升整體性能。另外，能量控制策略的穩(wěn)定性決定車輛工作模式的切換，隨車輛動(dòng)力需求的變化，控制策略的快速響應(yīng)同樣影響車輛的整體性能?，F(xiàn)階段能量控制策略可分為兩類：基于規(guī)則和基于優(yōu)化的能量控制策略。本文根據(jù)車型需求與控制變量選擇基于邏輯規(guī)則中的電動(dòng)機(jī)輔助控制策略，其動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩與速度的邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩與速度的邏輯關(guān)系

電動(dòng)機(jī)輔助控制策略特征主要體現(xiàn)在通過蓄電池的狀態(tài)變化來控制發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)，車輛行駛中所需功率主要根據(jù)需求功率變化來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作與否和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的介入情況。電動(dòng)機(jī)輔助控制策略劃分了發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域和驅(qū)動(dòng)電機(jī)介入條件。動(dòng)力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力部件獨(dú)立工作，也可驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池兩者協(xié)調(diào)動(dòng)力輸出，保持整車運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)也能保持蓄電池充電和放電正常，延長(zhǎng)其循環(huán)壽命和避免過充和過放。

3.2 控制參數(shù)確定

根據(jù)電動(dòng)機(jī)輔助控制策略設(shè)置運(yùn)行模式，詳見表3。

表3 運(yùn)行模式設(shè)置

根據(jù)運(yùn)行模式，需設(shè)置蓄電池上下限值、發(fā)動(dòng)機(jī)介入車速、制動(dòng)能量回收最低車速、充電最大轉(zhuǎn)矩和充電功率上限。相關(guān)控制變量參數(shù)見表4。

表4 相關(guān)控制變量參數(shù)

3.3 基于SIMULINK控制策略設(shè)計(jì)

控制策略模塊如圖4所示，主要包括輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、模式切換模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和轉(zhuǎn)矩分配模塊。其中輸入信號(hào)和輸出信號(hào)是控制策略與仿真模型連接的數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)，控制策略可計(jì)算出車輛此時(shí)所需轉(zhuǎn)矩等參數(shù)需求;模式切換模塊主要根據(jù)參數(shù)需求進(jìn)行模式選擇，從而進(jìn)行各動(dòng)力部件的轉(zhuǎn)矩分配和信號(hào)輸出，滿足車輛行駛要求。

圖4 控制策略模塊

4 控制策略驗(yàn)證

4.1 AVL CRUISE與MATLAB數(shù)據(jù)連接

CRUISE-Interface控制參數(shù)如圖5所示，驗(yàn)證控制策略是否滿足仿真車型需求，需通過Interface模塊與控制策略連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)處理。

圖5 CRUISE-Interface控制參數(shù)

4.2 仿真測(cè)試

圖6為車輛速度跟隨曲線，由圖可知，所設(shè)計(jì)控制策略可滿足NEDC循環(huán)工況。預(yù)期車速與實(shí)際車速吻合，只有在最高車速處，曲線出現(xiàn)輕微偏差。

圖6 車輛速度跟隨曲線

動(dòng)力電池運(yùn)行曲線如圖7所示。根據(jù)蓄電池電壓、等參數(shù)變化，蓄電池容量保持在60%左右，可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。

圖7 動(dòng)力電池運(yùn)行曲線

整理仿真數(shù)據(jù)，可得出仿真車型動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，詳見表5。

表5 仿真車型動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

根據(jù)仿真測(cè)試數(shù)據(jù)可驗(yàn)證此控制策略的正確性和穩(wěn)定性，并得出電動(dòng)機(jī)輔助控制策略符合設(shè)計(jì)方案，仿真測(cè)試數(shù)據(jù)符合車型相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求。

5 結(jié)論

能量控制策略是汽車研發(fā)過程中的重要步驟，通過研究混合動(dòng)力汽車控制策略，利用仿真軟件測(cè)試其合理性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略符合車型技術(shù)參數(shù)要求，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)行模式切換，滿足車型不同動(dòng)力需求，且經(jīng)濟(jì)性能良好。由于此類型混合動(dòng)力系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)耦合，為更精確控制系統(tǒng)需要，從參數(shù)匹配方式、軟件模型、控制策略和實(shí)車測(cè)試等方面進(jìn)行優(yōu)化。