鄭海亮,項(xiàng)昌樂,2,王偉達(dá),2,韓立金,2,張東好

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081； 2.車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

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2015088

基于信息預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制*

鄭海亮1,項(xiàng)昌樂1,2,王偉達(dá)1,2,韓立金1,2,張東好1

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081； 2.車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)由純電模式切換為混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，須要拖轉(zhuǎn)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)的滯后性，通常由電機(jī)提供額外的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以保證車輛的動(dòng)力性。但過大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致電池的放電電流過大，特別是電池的溫度較低時(shí)，會(huì)影響電池的使用壽命。本文中提出了一種基于信息預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略。首先，通過采集機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前和過去的轉(zhuǎn)矩需求信息，應(yīng)用自適應(yīng)遞歸多步預(yù)測算法，完成對(duì)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩的在線預(yù)測。然后利用預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行控制，避免了電池的過載現(xiàn)象。在保證車輛動(dòng)力性的前提下，能有效延長電池的使用壽命。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制；機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)；信息預(yù)測

前言

機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)是混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的一種形式，它利用行星機(jī)構(gòu)將兩個(gè)電機(jī)集成到傳動(dòng)系統(tǒng)中，在傳動(dòng)系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速基本不變的情況下，通過改變兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，使傳動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，因此又被稱為機(jī)電無級(jí)變速器(EVT)[1-4]。機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的踏板信息提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，車輛速度較低時(shí)，一般工作在純電驅(qū)動(dòng)模式，由電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。隨著車速的增加，系統(tǒng)的需求功率超過電池允許的輸出功率時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)系統(tǒng)的操縱狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)滯后，通常由電機(jī)提供額外的需求轉(zhuǎn)矩，以保證車輛的動(dòng)力性[5]。當(dāng)車輛冷起動(dòng)，而電池的溫度又比較低時(shí)，過大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩可能導(dǎo)致電池的放電電流超過最大允許電流，會(huì)縮短電池的使用壽命[6]。如果車輛的需求轉(zhuǎn)矩可以預(yù)測，基于預(yù)測的需求轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力進(jìn)行控制，能夠有效延長電池的使用壽命。因此，本文中基于預(yù)測信息的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略研究。

關(guān)于系統(tǒng)需求信息的預(yù)測，在統(tǒng)計(jì)和信號(hào)處理中，有外界輸入的自回歸(ARX)模型被廣泛用來代表一定的隨機(jī)過程，如描述輸出變量線性依賴于先前數(shù)據(jù)和輸入的時(shí)變隨機(jī)過程[7-8]。借鑒于這些預(yù)測算法，本文中基于機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前和過去的數(shù)據(jù)，采用有外界輸入的自回歸(ARX)模型，應(yīng)用自適應(yīng)遞歸多步預(yù)測算法，完成對(duì)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩信息的預(yù)測，然后利用預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)需求信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行控制，改善系統(tǒng)中電池的工作狀態(tài)，延長電池的使用壽命。

1 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)

1.1 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文中研究的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)主要用以滿足重型車輛驅(qū)動(dòng)大功率、大轉(zhuǎn)矩的需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由電機(jī)A、電機(jī)B、3個(gè)行星排、離合器CL0、離合器CL1、制動(dòng)器B1和動(dòng)力輸入與輸出等部分組成。R、C、S分別代表行星排的齒圈、行星架和太陽輪。

1.2 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的工作模式

機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的工作模式主要有純電驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)EVT1模式、混合驅(qū)動(dòng)EVT2模式和制動(dòng)能量回收模式等，前4個(gè)模式下各部件的工作情況如表1所示。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程及其動(dòng)力學(xué)分析

車輛處于純電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于加速或爬坡等情況系統(tǒng)需求功率增加，須起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以共同驅(qū)動(dòng)車輛。在離合器CL0接合后，電機(jī)A提供起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩，保證發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止到設(shè)定轉(zhuǎn)速的過程不超過0.4s，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常及時(shí)地起動(dòng)[9]。

表1 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)工作模式

注：●表示接合；○表示分離。

CL0離合器接合后，機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

(1)

(2)

式中：ki為各行星排特性參數(shù)，是齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)的比值，i=1,2,3；nA，TA分別為電機(jī)A的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；nB，TB分別為電機(jī)B的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；ni，Ti分別為系統(tǒng)的輸入(發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；no，To分別為系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

要求發(fā)動(dòng)機(jī)快速平穩(wěn)地起動(dòng)，電機(jī)A須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(設(shè)定為0.4s)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)起動(dòng)，并以怠速轉(zhuǎn)速(設(shè)定為800r/min)穩(wěn)定運(yùn)行。通過上文分析可知，要使發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩需求和相關(guān)的約束條件為

(3)

2 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型由車輛控制系統(tǒng)模型、系統(tǒng)各部件仿真模型和車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在車輛控制系統(tǒng)模型中，駕駛員模型用于模擬駕駛員的操作，以跟蹤給定的期望車速；車輛控制器模型用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)分別輸出動(dòng)力，以滿足駕駛員的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，包含能量管理策略和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法。

系統(tǒng)部件仿真模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)及控制器模型、電機(jī)及控制器模型、動(dòng)力電池組模型和耦合機(jī)構(gòu)模型等。車輛的動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用車輛行駛動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行表示。仿真模型中，系統(tǒng)各種參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

3 系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩預(yù)測

基于機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前和過去的轉(zhuǎn)矩需求和踏板行程信息，采用ARX模型，對(duì)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測流程如圖3所示。

在k時(shí)刻，ARX預(yù)測模型的表達(dá)式為

(4)

式中：u為踏板信息；y為系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩信息；yp為預(yù)測的需求轉(zhuǎn)矩信息；ai，bi分別為y和u的權(quán)重系數(shù)；m為設(shè)定預(yù)測信息的步長。

為了建立預(yù)測輸出與已知輸出之間的關(guān)系，式(4)可以改寫為

(5)

其中：

分別定義向量Yp(k)、Y(k)和Φ(k)為

Yp(k)=[yp(0)yp(1) …yp(k)]T

Y(k)=[y(0)y(1) …y(k)]T

Φ(k)=[φn(0)φn(1) …φn(k)]T

ARX模型多步自適應(yīng)遞歸預(yù)測可以定義為

(6)

式中α∈(θ,1](θ>0)和β≥1為迭代回歸預(yù)測算法的權(quán)重系數(shù)。α<1，用于遺忘過去的采樣數(shù)據(jù)削弱過去數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測結(jié)果的影響，α越小過去數(shù)據(jù)遺忘越快，但過快的遺忘會(huì)導(dǎo)致過去信息的缺乏，導(dǎo)致預(yù)測的精度變差；β≥1用于增加當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)的權(quán)重，使得預(yù)測結(jié)果更加符合當(dāng)前的實(shí)際工況。通過參數(shù)α和β可以調(diào)節(jié)過去和現(xiàn)在數(shù)據(jù)在回歸算法中的貢獻(xiàn)度，以適應(yīng)不同的車輛行駛工況，提高預(yù)測算法的自適應(yīng)性。

為了計(jì)算每步的回歸權(quán)重系數(shù)，定義價(jià)值函數(shù)為

(7)

應(yīng)用最小二乘法求解可得

[α2ΦT(k-m-1)Y(k-1)+

(8)

綜合式(4)～式(8)，應(yīng)用文獻(xiàn)[10]中的推導(dǎo)過程，自適應(yīng)遞歸預(yù)測算法可歸納為

(9)

同時(shí)，為了防止權(quán)重系數(shù)α過小導(dǎo)致過去數(shù)據(jù)的過多丟失，使得預(yù)測的精度變差，須對(duì)系數(shù)α進(jìn)行限制，采取以下規(guī)則：

(10)

式中：satα(·)為α(k)的飽和函數(shù)，確保α(k)∈(θ,1]；sate(·)為e(k)的飽和函數(shù)，確保-errmax≤e(k)≤errmax,errmax>0；γ>0為可調(diào)增益；Pn為矩陣P(k)F范數(shù)的目標(biāo)值。

自適應(yīng)遞歸多步預(yù)測算法的計(jì)算流程如圖4所示。

預(yù)測算法的預(yù)測步長為0.01s，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間需求，預(yù)測步數(shù)設(shè)定為40步。針對(duì)FTP循環(huán)工況，自適應(yīng)遞歸多步預(yù)測算法仿真結(jié)果如圖5所示。轉(zhuǎn)矩的預(yù)測誤差約為4%，可以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略

基于預(yù)測的系統(tǒng)需求信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程進(jìn)行控制，控制策略流程圖如圖6所示。

控制策略主要由電池供電能力的判斷和發(fā)動(dòng)機(jī)的拖轉(zhuǎn)起動(dòng)兩部分組成。首先，根據(jù)電池的溫度和SOC信息計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下電池的供電能力，與通過預(yù)測獲得的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)需求信息進(jìn)行比較，判斷電池的供電能力是否滿足系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)需求。當(dāng)電池功率不足以提供預(yù)測的系統(tǒng)需求功率時(shí)，提前拖轉(zhuǎn)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，避免電池功率的過載。系統(tǒng)控制策略給出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令后，根據(jù)式(3)對(duì)電機(jī)A的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，快速平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的拖轉(zhuǎn)起動(dòng)。

5 硬件在環(huán)仿真

5.1 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

硬件在環(huán)仿真平臺(tái)由綜合控制器ECU、dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、雙模式機(jī)電復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和駕駛員與轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

駕駛員控制信號(hào)通過實(shí)時(shí)仿真接口模塊(RTI)的A/D接口輸入到含有系統(tǒng)控制策略的綜合控制器中，機(jī)電復(fù)合系統(tǒng)Simulink仿真模型被轉(zhuǎn)換成C語言代碼后下載到dSPACE硬件板卡中運(yùn)行，dSPACE系統(tǒng)通過RTI模塊的CAN通信接口實(shí)現(xiàn)與綜合控制器之間的信息交互，包括模型狀態(tài)和預(yù)測信息的反饋和控制信號(hào)的傳遞。

實(shí)時(shí)仿真界面能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示仿真過程中系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)。

5.2 硬件在環(huán)仿真測試

基于硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)基于預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略進(jìn)行了性能驗(yàn)證。普通駕駛工況仿真結(jié)果如圖8所示。其中，加速/制動(dòng)踏板行程進(jìn)行了統(tǒng)一處理，范圍為[-100%，+100%]，正值為加速踏板行程，負(fù)值為制動(dòng)踏板行程。系統(tǒng)工作模式編號(hào)：0為駐車模式；1為純電驅(qū)動(dòng)模式；2為混合驅(qū)動(dòng)EVT1模式；4為混合驅(qū)動(dòng)EVT2模式；5為制動(dòng)模式。

在仿真的駕駛工況下，根據(jù)反復(fù)變化的踏板行程反映駕駛員的加速/制動(dòng)意圖，雙模式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛以不同的車速行駛，如圖8(a)和圖8(b)所示。根據(jù)車輛速度和系統(tǒng)需求驅(qū)動(dòng)功率的變化，系統(tǒng)在不同的工作模式間切換，如圖8(c)所示。車輛速度較低、機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)需求功率較小時(shí)，系統(tǒng)工作在純電驅(qū)動(dòng)工況，車輛速度增加系統(tǒng)需求功率較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式。基于預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略，根據(jù)預(yù)測的系統(tǒng)需求信息，提前起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)完成了純電驅(qū)動(dòng)到混合驅(qū)動(dòng)的模式切換。

在系統(tǒng)模式由純電驅(qū)動(dòng)向混合驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的響應(yīng)遲滯，為了保證車輛的動(dòng)力性，需要電池提供額外的補(bǔ)償功率。系統(tǒng)電池功率的變化如圖8(d)所示，基于預(yù)測的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略，在11.6s時(shí)提前進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式，將電池的極值功率由221降至162kW，改善功率需求26.7%，能夠有效減少電池功率的過載現(xiàn)象，延長電池的使用壽命。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略，分別針對(duì)NYCC、US06、FTP、IM240等4種典型循環(huán)工況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如表3所示。

表3 典型循環(huán)工況仿真結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 基于機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前和過去的數(shù)據(jù)，采用有外界輸入的自回歸模型，應(yīng)用自適應(yīng)遞歸多步預(yù)測算法，完成了對(duì)機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩信息的預(yù)測。

(2) 利用預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)需求信息，建立了基于預(yù)測信息的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略。

(3) 硬件在環(huán)仿真結(jié)果表明，開發(fā)的基于預(yù)測的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制策略降低了電池的極值功率，減少了電池功率的過載，能有效延長電池的使用壽命。

[1] Liu J, Peng H, Modeling and Control of a Power-Split Hybrid Vehicle[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2008,16(6):1242-1251.

[2] 韓立金,劉輝,等.雙模式混合驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)參數(shù)匹配[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(6):1527-1531.

[3] Kim N, Kim J, Kim H. Control Strategy for a Dual-mode Electro-mechanical, Infinitely Variable Transmission for Hybrid Electric Vehicles[J]. Journal of Automobile Engineering,2008,222(9):1587-1601.

[4] 鄭海亮,項(xiàng)昌樂,王偉達(dá),等.雙模式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)綜合控制策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2014,44(2):311-317.

[5] Fu Z X. Real-time Prediction of Torque Availability of an IPM Synchronous Machine Drive for Hybrid Electric Vehicles[C]. Proceedings of the IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, San Antonio, May,2005:199-206.

[6] Pesaran A. Battery Thermal Management in EVs and HEVs: Issues and Solutions[C]. Advanced Automotive Battery Conference, Las Vegas, NV, USA, February,2001.

[7] Taieb S B, Sorjamaa A, Bontempi G. Multiple-output Modeling for Multi-step-ahead Time Series Forecasting[J]. Neurocomputing,2010,73(10):1950-1957H.

[8] Cheng H, Tan P, Gao J, et al. Multi-step Ahead Time Series Prediction[C]. Proceedings of the Tenth Pacific-Asia Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (PAKDD), Singapore,2006:765-774.

[9] 莊杰,杜愛民,許科.ISG型混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程分析[J].汽車工程,2008,30(4):305-308.

[10] Kailath T. Recursive Estimation Methods, In System Identification: Theory for the User (2nd Edition)[M]. New Jersey 07632: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs,1987:306.

Engine Start Control for Electro-mechanical TransmissionSystem Based on Information Prediction

Zheng Hailiang1, Xiang Changle1,2, Wang Weida1,2, Han Lijin1,2& Zhang Donghao1

1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;2.NationalKeyLabofVehicularTransmission,Beijing100081

When the electro-mechanical transmission (EMT) system switches to hybrid drive mode from pure electric mode, it is required to crank and start the engine. Due to the response lag of engine, the motor usually provides additional driving torque to ensure the power performance of vehicle. However, the excessive motor torque can cause too large a battery discharge current, in particular, when battery temperature is relatively low, may affecting the service life of battery. In this paper, an engine start control strategy for EMT system is proposed based on predictive information. Firstly by sampling the present and past information on system torque requirement and applying adaptive recursive multi-step predictive algorithm, the online prediction on the required torque of system is completed. Then the predicted information on the torque requirement of system is used to control engine starting process with the phenomenon of battery overload avoided. Hence on the premise of ensuring vehicle power performance, battery life can be effectively extended.

engine start control; EMT; information prediction

*國家自然科學(xué)基金(51305026)資助。

原稿收到日期為2014年4月3日，修改稿收到日期為2014年8月25日。