嚴(yán)正峰 蔣光宗 姚明堯

摘要 ：為提高搭載自動變速器的并聯(lián)混合動力商用車燃油經(jīng)濟(jì)性，以驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)，提出一種新的驅(qū)動模式邊界劃分和擋位邊界劃分方法。制定了基于效率最優(yōu)的模式切換及換擋控制策略，并在中國重型商用車行駛工況下對所制定的控制策略進(jìn)行了仿真驗證。結(jié)果表明，所提出的策略不僅能夠維持電池荷電狀態(tài)的平衡，且百公里油耗比電輔助控制策略低11.2%，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞 ：能量管理策略；邊界劃分方法；模式切換；換擋規(guī)律；混合動力商用車

中圖分類號 ：U462.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.020

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Mode Transition and Gear Shifting Control Strategy for Parallel Hybrid

Commercial Vehicles Based on Optimal Drive System Efficiency

YAN Zhengfeng JIANG Guangzong YAO Mingyao

School of Automotive and Transportation Engineering，Hefei University of Technology， Hefei，230009

Abstract ： To enhance the fuel economy of parallel hybrid commercial vehicles equipped with automatic transmissions and optimize the efficiency of the drive system， a new method for dividing driving mode boundaries and gear boundaries was proposed. A control strategy for mode switching and gear shifting was developed based on optimal efficiency and simulated under the driving conditions of Chinese heavy commercial vehicles. The results demonstrate that the proposed strategy maintains the balance of the battery state of charge， and achieves a 11.2% reduction in fuel consumption per 100 kilometers compared to the electric assist control strategy， which improves the fuel economy.

Key words ： energy management strategy; boundary division method; model transition; gear shifting law; hybrid commercial vehicle

0 引言

混合動力汽車比傳統(tǒng)燃油車的油耗更低，且沒有續(xù)航里程焦慮，兼有傳統(tǒng)燃油車和純電動汽車的優(yōu)點。根據(jù)控制方法，混合動力汽車的能量管理策略可分為三種類型：基于規(guī)則 ?［1-2］ 、基于優(yōu)化 ?［3-5］ 、基于學(xué)習(xí) ?［6-8］ ?；趦?yōu)化的能量管理策略計算量大，對控制模型的精度要求較高，難以滿足實時應(yīng)用的需求?；趯W(xué)習(xí)的能量管理策略面臨“維度災(zāi)難”和“離散誤差”等問題，限制了強化學(xué)習(xí)在解決復(fù)雜決策問題時的應(yīng)用。基于規(guī)則的能量管理策略雖然很難保證混合動力汽車擁有最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性，但控制方法簡單且有較好的實時性，是目前實車應(yīng)用最成熟的控制方法 ?［9］ 。

設(shè)計基于確定性規(guī)則的能量管理策略時，關(guān)鍵是如何合理地劃分模式切換邊界和換擋規(guī)律。在模式邊界劃分的研究中，文獻(xiàn)［10］基于對規(guī)則式能量分配策略和瞬時優(yōu)化分配策略的分析，提出一種基于規(guī)則修正的瞬時優(yōu)化能量分配算法。文獻(xiàn)［11］提出的啟發(fā)式控制策略可以根據(jù)電機的功率實時調(diào)整車輛的驅(qū)動模式。在換擋規(guī)律的研究中，文獻(xiàn)［12］提出一種分段交叉式的換擋規(guī)律設(shè)計方法，即在不同的工況下，選擇合適的換擋規(guī)律的交叉式設(shè)計方法。文獻(xiàn)［13］考慮雙動力源協(xié)同和電池荷電狀態(tài)的影響，提出改進(jìn)雙參數(shù)換擋規(guī)律計算原則和方法。

混合動力汽車的實際行駛過程中，車輛的行駛工況會發(fā)生變化，車輛也需要不斷切換驅(qū)動模式和擋位來滿足整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性需求，因此需要統(tǒng)籌考慮模式切換和換擋問題。針對模式切換和換擋規(guī)律的研究中，文獻(xiàn)［14］利用某款搭載雙離合自動變速器（DCT）的混合動力乘用車，設(shè)計了汽車模式切換與DCT換擋的綜合工作規(guī)律。文獻(xiàn)［15］通過計算瞬時輸出功率下各動力源的等效燃油消耗，分析了各個驅(qū)動模式下的經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律。

盡管對混合動力汽車模式切換及換擋問題已有大量研究，但大都單一針對模式切換問題或換擋問題，同時考慮模式切換和換擋問題時，二者會有同時觸發(fā)的沖突點，雖有學(xué)者針對乘用車DCT的沖突點問題進(jìn)行過研究 ?［14］ ，但對采用自動變速器的商用車鮮有模式切換和換擋沖突問題的 研究。

本文針對某款并聯(lián)混合動力商用車，搭建其驅(qū)動系統(tǒng)各部件的效率模型。在考慮油電轉(zhuǎn)化系數(shù)的同時，將車輛行駛過程中的模式切換問題和換擋問題融合在一起，利用驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率劃分驅(qū)動模式的切換邊界及換擋規(guī)律，獲得了最佳經(jīng)濟(jì)性的模式切換邊界和換擋規(guī)律。為貼合商用車的駕駛循環(huán)，使用中國重型商用車行駛工況CHTC-HT循環(huán)驗證了控制策略的有效性。

1 混合動力汽車構(gòu)型

圖1所示為某P2構(gòu)型并聯(lián)混合動力商用車的動力學(xué)模型，傳動系統(tǒng)包括發(fā)動機、離合器、驅(qū)動電機、變速器、主減速器等。各部件的具體參數(shù)如表1所示。發(fā)動機和驅(qū)動電機可以根據(jù)車輛的行駛工況合理分配輸出扭矩。根據(jù)不同的扭矩分配方式，車輛的行駛模式可分為電機驅(qū)動模式、發(fā)動機驅(qū)動模式、行車充電模式、混合驅(qū)動模式。四種驅(qū)動模式的能量流如圖2所示。

2 并聯(lián)混合動力汽車關(guān)鍵部件的效率 模型

本文的研究目標(biāo)是混合動力汽車行駛過程中的驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)，因此需要獲得發(fā)動機、驅(qū)動電機、動力電池組等驅(qū)動系統(tǒng)各部件的效率模型。

發(fā)動機效率模型通過發(fā)動機臺架試驗獲得，先獲得不同扭矩、轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機油耗率，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理和插值擬合的方法得到發(fā)動機燃油消耗率與轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)系，最后通過下式

η ?e = g ?e R 3 600 000 ??（1）

式中，η ?e 為發(fā)動機效率；g ?e 為燃油消耗率， g/（kW·h） ；R為燃油熱值， J/g 。

將燃油消耗量轉(zhuǎn)化為效率，即可得到發(fā)動機的效率模型。圖3為發(fā)動機的效率等高線圖。

驅(qū)動電機的效率模型同樣在臺架試驗中獲得，先獲得驅(qū)動電機在不同轉(zhuǎn)速、扭矩下消耗的電量，通過數(shù)據(jù)處理與插值擬合得到驅(qū)動電機的外特性曲線和效率等高線圖（圖4）。

動力電池組的效率模型主要考慮電池的充放電效率，忽略其他部分的能量損耗，得到電池的充放電效率 ?［16］ ：

η ??charge ?= E－ E 2－4P ??charge ?R ??charge ???2P ??charge ?R ??charge ????P ??charge ?<0 （2）

η ??discharge ?= 2P ??discharge ?R ??discharge ??E－ E 2－4P ??discharge ?R ??discharge ?????P ??discharge ?>0 ?（3）

式中，η ??charge ?、η ??discharge ?分別為電池的充電效率和放電效率；E為電池的電動勢；P ??charge ?、P ??discharge ?分別為充電功率和放電功率；R ??charge ?、R ??discharge ?分別為電池的充電內(nèi)阻和放電內(nèi)阻。

由式（2）、式（3）可以看出，電池的充放電效率與電池內(nèi)阻、充電功率、電動勢有關(guān)，而電池的內(nèi)阻受電池荷電狀態(tài)（SOC）的影響 ?［16］ 。本文選用的電池內(nèi)阻隨電池SOC值 S ??SOC 變化的曲線如圖5所示。電池的充放電內(nèi)阻在 S ??SOC 大于70%和小于30%時較大，在30%～70%之間時較小，故將此區(qū)域定為電池的高效率區(qū)域。

3 系統(tǒng)效率最優(yōu)的邊界劃分方法

3.1 油電轉(zhuǎn)化效率

并聯(lián)混合動力汽車的驅(qū)動部件中，電機的驅(qū)動效率要遠(yuǎn)高于發(fā)動機，但電機驅(qū)動所消耗的電能由發(fā)動機消耗燃油產(chǎn)生，因此在計算電機驅(qū)動過程中的實際使用效率時，要考慮發(fā)動機消耗燃油發(fā)電的損耗。

為合理計算并聯(lián)混合動力汽車行駛過程中電機的實際使用效率，將混合動力汽車行車充電模式下電池充電過程中儲存的電能與發(fā)動機用于發(fā)電而消耗的化學(xué)能（燃油）的比值定義為油電轉(zhuǎn)化效率η + ?［17］ 。

汽車工作在發(fā)動機驅(qū)動模式下時，發(fā)動機功率為

P ?e =T ?e n ?e =T ??req ?n ?（4）

汽車工作行車充電模式下（相同工況）的發(fā)動機功率為

P′ ??e =T′ ??e n ?e =（T ??req ?+|T ?m |）n ?（5）

電池的有效充電功率為

P ?b =T ?m n ?m η ?m η ??charge ???（6）

式中，T ??req ?為變速器輸入端的需求扭矩；T ?e 為發(fā)動機扭矩；T ?m 為電機扭矩；n為變速器輸入端的轉(zhuǎn)速；n ?e 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；n ?m 為電機轉(zhuǎn)速；η ?m 為電機效率。

則油電轉(zhuǎn)化效率為

η += P ?b ??P′ ??e ?η′ ??e ?－ P ?e ?η ?e ??= |T ?m |n ?m η ?m η ??charge ??（ T ??req ?+|T ?m | η′ ??e ?－ T ??req ??η ?e ?）n ?e ???（7）

根據(jù)式（7），通過仿真計算發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速和需求扭矩下的油電轉(zhuǎn)化效率，結(jié)果如圖6所示。本文車輛模型在需求扭矩200～500 ?N·m 之間的油電轉(zhuǎn)化效率最高，故可將行車充電模式的工作區(qū)間限制在需求扭矩200～500 ?N·m 內(nèi)，以獲得最佳的充電效率。為方便后續(xù)計算，油電轉(zhuǎn)化效率取該區(qū)間的平均值0.36。

3.2 各驅(qū)動模式下的換擋規(guī)律

混合動力汽車行駛過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前行駛工況控制驅(qū)動系統(tǒng)的各部件，通過切換行駛模式和更換變速器擋位提高驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率，降低整車的燃油消耗和排放。 接下來分別討論在以效率最優(yōu)為目標(biāo)時，混合動力汽車各個模式下的換擋規(guī)律?；旌向?qū)動模式下的系統(tǒng)效率為

η= T ??req ?n ?T ?e n ?e ?η ?e ?+ T ?m n ?m ?η ??discharge ?η ?m η +

n=n ?e =n ?m =vi 0i ?g /r ??（8）

約束條件為

T ??e ， min ?≤T ?e ≤T ??e ， max ??T ??m，min ?≤T ?m ≤T ??m，max ??n ??e ， min ?≤n ?e ≤n ??e ， max ??n ??m，min ?≤n ?m ≤n ??m，max

S ??SOC，min ?≤S ??SOC ?≤S ??SOC，max ????（9）

式中，i 0為主減速比；i ?g 為變速器傳動比；v為當(dāng)前車速；r為車輪半徑。

將各個擋位的傳動比、車速、需求扭矩代入式（8），求得混合動力汽車在混合驅(qū)動模式時不同擋位、車速及需求扭矩下的驅(qū)動系統(tǒng)效率，結(jié)果如圖7所示。再將各個擋位效率曲面的交線投影到車速 需求扭矩平面，得到隨車速、需求扭矩變化的經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律，如圖8所示。

同理，依次求得電機驅(qū)動模式、發(fā)動機驅(qū)動模式、行車充電模式下的各個擋位效率和換擋規(guī)律，分別如圖9～圖11所示。

3.3 模式切換邊界劃分與綜合換擋規(guī)律

混合動力汽車的模式切換條件除與車速和需求扭矩有關(guān)外，電池的SOC值也是影響模式切換的因素之一。電池SOC值較低時，繼續(xù)讓電機驅(qū)動車輛行駛不僅效率低，而且會影響電池的使用壽命；電池SOC值較高時，若發(fā)動機消耗燃油給電池充電，則會消耗更多的燃油。因此最好的方式就是將電池SOC值維持在高效率區(qū)域 ?［18］ 。

電池SOC值處于30%～70%時，車輛可工作在發(fā)動機驅(qū)動模式、電機驅(qū)動模式、混合驅(qū)動模式和行車充電模式。將這4種驅(qū)動模式下的效率曲面結(jié)合在一起，比較相鄰模式間的系統(tǒng)綜合效率，找出效率曲面的交線，即驅(qū)動模式切換邊界曲線。將該曲線投影到車速 需求扭矩平面，就可得到車輛在不同車速和需求扭矩下的模式切換邊界，如圖12所示。行車充電模式的范圍也在上述油電轉(zhuǎn)化系數(shù)限制的工作區(qū)間之內(nèi)。

將圖9～圖11中的換擋規(guī)律曲線與圖12中的模式切換邊界曲線整合在一起，得到混合動力汽車的綜合工作規(guī)律。對綜合工作規(guī)律圖中的曲線相交區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚玫叫拚蟮哪Ｊ角袚Q邊界和綜合換擋規(guī)律，如圖13所示。

電池SOC值低于30%時，電機只工作在發(fā)電狀態(tài)，不繼續(xù)驅(qū)動車輛行駛，車輛只在發(fā)動機驅(qū)動模式和行車充電模式下工作。將發(fā)動機驅(qū)動模式的效率曲面和行車充電模式的效率曲面結(jié)合，得到電池SOC值低于30%時車輛的行駛模式邊界劃分和換擋規(guī)律，如圖14所示。

同理，電池SOC值高于70%時，發(fā)動機不再消耗燃油給電池充電，僅在制動時利用電機回收制動能量，車輛在電機驅(qū)動模式、發(fā)動機驅(qū)動模式、混合驅(qū)動模式下工作。將這3種模式的效率面結(jié)合，即可得到當(dāng)電池SOC值高于70%時車輛的模式邊界劃分和換擋規(guī)律，如圖15所示。

本文的控制策略邏輯如圖16所示，控制器首先根據(jù)當(dāng)前電池的SOC值，判斷電池SOC值所處的區(qū)域。電池SOC值處于30%～70%時，按照圖13的驅(qū)動模式邊界和換擋規(guī)律進(jìn)行控制。將當(dāng)前車速和需求扭矩作為工況點的橫縱坐標(biāo)，標(biāo)記在圖13的坐標(biāo)系中，根據(jù)該點所處的區(qū)域決定車輛當(dāng)前的驅(qū)動模式和行駛擋位。電池SOC值低于30%或高于70%時，分別按照圖14b、圖15b進(jìn)行控制。

4 仿真驗證

為測試本文所提控制策略的性能，以GB/T 38146.2-2019附錄A中規(guī)定的中國重型商用車行駛工況（CHTC）為仿真工況，分別對策略的SOC值維持性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行仿真分析。本文研究車輛屬于超過5.5 t的載貨車，使用圖17所示的CHTC-HT行駛工況。

4.1 SOC維持性能

為測試本文所提控制策略的SOC維持性能，設(shè)置電池初始SOC值為40%、60%、80%，測試其初始電量在低、中、高三種狀態(tài)下連續(xù)10個CHTC-HT循環(huán)后的SOC變化和燃油消耗量。如圖18所示，在10個駕駛循環(huán)內(nèi)，3種SOC初始值的電池SOC值 S ??SOC 基本都能維持在30%～70%之間即電池高效率區(qū)間內(nèi)。初始 S ??SOC 為80%時，電池 S ??SOC 一直維持在一個很高的水平，且有一段時間的 S ??SOC 超過70%，這是因為在單個循環(huán)末端，車輛由高速行駛制動到停車狀態(tài)，回收了部分制動能量，故電量超過高效率區(qū)間上限，并非是發(fā)動機消耗燃油給電池充電。初始電量為60%時，電池 S ??SOC 一直在高效率區(qū)間內(nèi)，且初始 S ??SOC 與結(jié)束 S ??SOC 幾乎相等， 證明本文所提控制策略能維持 S ??SOC 的平衡。初始 S ??SOC 為40%時，雖然電池 S ??SOC 有幾次下降到30%附近，但都沒有低于30%，這說明本文提出的控制方法能將電池 S ??SOC 維持在高效率區(qū)間。

如圖18b所示，初始電量越高，消耗的燃油越少，這是由于高電量工況下，發(fā)動機無需給電池充電，故減少了部分燃油消耗。低電量工況下，電池達(dá)到高效率區(qū)間的下限時便不再輸出電能，這時需要發(fā)動機消耗更多的燃油驅(qū)動車輛行駛并給電池充電。

4.2 燃油經(jīng)濟(jì)性能

為測試本文提出的控制策略在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的表現(xiàn)，將其與電輔助控制策略進(jìn)行仿真對比。圖19展示了兩種控制策略在連續(xù)10個CHTC-HT工況下的 S ??SOC 變化曲線和油耗曲線。從電池 S ??SOC 來看，效率最優(yōu)控制策略的 S ??SOC 由開始的60%下降到結(jié)束的59.4%，電輔助控制策略的 S ??SOC 下降到56.7%，這證明效率最優(yōu)控制策略能滿足電池SOC平衡的要求。 S ??SOC 在單個駕駛循環(huán)內(nèi)呈現(xiàn)出先下降、后上升的趨勢，這是因為在循環(huán)前期，車輛在低速行駛時多利用電機驅(qū)動，在中高速行駛時，利用發(fā)動機驅(qū)動并給電池充電，這導(dǎo)致 S ??SOC 先下降、再上升。從圖20中的電機與發(fā)動機扭矩也可以看出，在循環(huán)的前半段，尤其是在最開始的車速較低階段，基本都是電機在驅(qū)動；電機在后半段工作在發(fā)電狀態(tài)的時間要多于前半段，發(fā)動機在循環(huán)后半段的工作時間也更久。

效率最優(yōu)控制策略共消耗燃油26 936 g， 電輔助控制策略共消耗燃油30 341 g。圖21展示了在10個連續(xù)CHTC-HT循環(huán)下兩種控制策略的發(fā)動機工作點，可以看出，兩種策略的發(fā)動機工作點大部分都集中在高效率區(qū)域。為更具體地描述兩種控制策略的發(fā)動機工作點分布情況，展示了兩種控制策略發(fā)動機工作點在不同效率區(qū)域的占比，如圖22所示，發(fā)動機效率低于0.35的區(qū)域中，電輔助控制策略的工作點個數(shù)占總數(shù)的12%，效率最優(yōu)控制策略的占比為5%。

這說明效率最優(yōu)控制策略能更好地避免發(fā)動機工作在低效率區(qū)域，達(dá)到節(jié)省燃油的目標(biāo)。

兩種控制策略在能耗方面的仿真結(jié)果如表2所示。兩種控制策略的初始 S ??SOC 與結(jié)束 S ??SOC 相差不大，基本都能維持SOC平衡。效率最優(yōu)控制策略的百公里油耗為18.61 L，電輔助控制策略的百公里油耗為20.96 L，效率最優(yōu)控制策略的百公里油耗降低了11.2%?？傮w來說，與電輔助控制策略相比，效率最優(yōu)控制策略的在整個駕駛循環(huán)中的綜合能耗更少，能更好地發(fā)揮混合動力汽車的節(jié)能潛力。

5 結(jié)論

本文針對某款并聯(lián)混合動力商用車，先搭建其驅(qū)動系統(tǒng)的效率模型，后以驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)，獲得了整車在行駛過程中的模式切換邊界和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，制定了效率最優(yōu)的能量管理策略。在CHTC-HT駕駛循環(huán)下，對所研究的并聯(lián)混合動力商用車進(jìn)行仿真分析。

研究結(jié)果表明，車輛在初始SOC值分別為40%、60%、80%的工況下行駛時，電池SOC值均在高效率區(qū)域內(nèi)，驗證了效率最優(yōu)控制策略在SOC性能維持上的有效性。效率最優(yōu)控制策略的百公里油耗比電輔助控制策略低11.2%，說明效率最優(yōu)控制策略具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

嚴(yán)正峰 ，男，1969年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向新能源汽車傳動系統(tǒng)、汽車零部件設(shè)計與制造和先進(jìn)制造技術(shù)。發(fā)表論文50余篇。E-mail：Zf.yan@hfut.edu.cn。

姚明堯 （通信作者），男，1989年生，講師、碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為新能源汽車節(jié)能技術(shù)。發(fā)表論文20余篇。E-mail：yaomingyao@126.com。