王愛國(guó)

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002;2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著全球逐漸變暖和污染的加劇，混合動(dòng)力汽車以排量小、油耗少的優(yōu)點(diǎn)逐漸被推廣。相對(duì)于常規(guī)車，混合動(dòng)力車有更大的節(jié)油潛力。由于動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組成，控制方面有更多的自由度，這就給優(yōu)化提供了更多的空間。

線性規(guī)劃有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，它通過發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池等元件的效率取定值來使系統(tǒng)線性化[1－2]。但是各個(gè)元件本身的特性是非線性的，線性規(guī)劃的優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的誤差較大，很難在控制系統(tǒng)中取得最優(yōu)值。動(dòng)態(tài)規(guī)劃基于模型對(duì)特定的循環(huán)工況進(jìn)行優(yōu)化，很難應(yīng)用于實(shí)時(shí)的控制。

基線控制策略，即BCS(baseline control strategy)使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率區(qū)間內(nèi)運(yùn)行[3]，遺傳算法對(duì)優(yōu)化效率區(qū)間和SOC的門限值進(jìn)行了優(yōu)化以達(dá)到最大程度的節(jié)油效果[4]。優(yōu)化控制理論中的最小值原理來對(duì)混合動(dòng)力汽車的扭矩分配進(jìn)行優(yōu)化，通過使用哈密頓(Hamiltonian)方程對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化[5－7]，主要對(duì)基線控制和最小值原理方法進(jìn)行研究，對(duì)混合動(dòng)力車輛的雙離合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)。

1 車輛概況

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)

混合動(dòng)力雙離合系統(tǒng)進(jìn)行如圖1所示，該系統(tǒng)主要配置有一個(gè)140KW發(fā)動(dòng)機(jī)，扭矩輸出由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)控制。一個(gè)額定功率為100KW的三相交流電機(jī)，扭矩由電機(jī)控制系統(tǒng)(DMCM)來控制。和一個(gè)容量為40Ah的電池箱，電池箱連接的電池管理系統(tǒng)(BMS)使用算法對(duì)當(dāng)前電池的電荷狀態(tài)(SOC)進(jìn)行估計(jì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間有一個(gè)氣動(dòng)的電控離合器，用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力連接的斷開和結(jié)合。一個(gè)整車控制器HCU控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出。

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)的控制

在對(duì)單軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制時(shí)要滿足以下要求，首先，混合動(dòng)力的駕駛性不能差于常規(guī)車的駕駛性。另外，為了保持電機(jī)正常工作同時(shí)延長(zhǎng)電池的壽命，電池SOC值要控制在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)前控制策略如下:

(1)車速較低時(shí)，斷開離合器使電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行，一方面可以改善車輛起步過程的舒適性，減少離合器的滑磨所帶來的沖擊。另一方面可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速特別低的區(qū)域內(nèi)工作，節(jié)省燃油消耗。

(2)盡可能地在回饋制動(dòng)時(shí)增加能量的吸收。

(3)在正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，電控離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛。這就需要一定的方法來對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩分配。

文中主要對(duì)第三種情況進(jìn)行研究，根據(jù)當(dāng)前加速踏板，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等輸入信號(hào)?？紤]到當(dāng)前的SOC的值，如果當(dāng)前SOC值較低則系統(tǒng)對(duì)電池趨向于充電。相反，如果SOC較高則系統(tǒng)對(duì)電池傾向于放電。整車控制器HCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)和電機(jī)控制器(DMCM)發(fā)出扭矩指令。HCU中能量管理策略如圖2所，Treq表示整車需求扭矩，TDM表示發(fā)送給DMCM的扭矩指令，TICE表示發(fā)送給ECU的扭矩指令。從圖中可以看出，在對(duì)整車需求扭矩的控制時(shí)主要通過查表進(jìn)行，表格的一般是通過離線的優(yōu)化得到，將各個(gè)元件的特性進(jìn)行提取存儲(chǔ)在控制器中。

2 扭矩分配優(yōu)化

在HCU的控制中，動(dòng)力系統(tǒng)要實(shí)時(shí)滿足駕駛員的需求，這就要求HCU的控制程序中每一循環(huán)的時(shí)間盡可能的要短。而且單片機(jī)中的儲(chǔ)存能力要大于計(jì)算能力，所以有很大計(jì)算量的優(yōu)化一般離線完成，將優(yōu)化的結(jié)果儲(chǔ)存在需要查的表格中。

為了使混合動(dòng)力車輛在控制中使燃油最小化，需要對(duì)車輛進(jìn)行一定的優(yōu)化控制。在對(duì)混合動(dòng)力的優(yōu)化時(shí)要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的萬有特性，如圖3、圖4所示。

根據(jù)電池的電化學(xué)特性，電池可以使用內(nèi)阻模型進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)阻與SOC的關(guān)系如圖5所示，則電流產(chǎn)生的能量關(guān)系可以表示成:

I—電池電流，Uoc—開路電壓，R—電池內(nèi)阻，Pdm—電機(jī)功率，Pbp—電池功率

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)要帶動(dòng)車輛的附件工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)起停并沒有在考慮范圍以內(nèi)，主要對(duì)基線和最小值原理兩種扭矩分配方法進(jìn)行研究。

2.1 基線扭矩分配方法

基線方法主要對(duì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化，主要是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)的區(qū)間內(nèi)。在控制中主要有兩種模式:當(dāng)SOC大于設(shè)定的門限值時(shí)，整車的需求扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)高效率區(qū)間，而其它區(qū)域電控離合器斷開，整車由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。如圖6所示。當(dāng)SOC小于設(shè)定的門限值時(shí)，整車的需求扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)高效率區(qū)間，此時(shí)整車由發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。如圖7所示。

2.2 最小值原理的分配方法

最小值原理的分配方法在有些論文中也叫等價(jià)燃油消耗方法，也就是將要消耗的電量等價(jià)成燃油消耗，如式3所示:

式中Pf(t)為發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油對(duì)應(yīng)的功率。λ(t)是等價(jià)因子，也可以看作是“懲罰因子”。它主要反映對(duì)當(dāng)前電量需求的大小。如果λ(t)越大則反映當(dāng)前系統(tǒng)對(duì)電量的使用需求越大。如果λ(t)越小，則更傾向于使用燃油能量。所以在一定的車輛運(yùn)行中λ(t)的取值決定扭矩分配的關(guān)鍵因素。

為了使運(yùn)行中燃油消耗最小，將整個(gè)運(yùn)行的工況分成N個(gè)時(shí)間點(diǎn)，考慮到每個(gè)時(shí)刻的轉(zhuǎn)速和整車需求扭矩的變化，則優(yōu)化目標(biāo)為

根據(jù)最小值原理，對(duì)哈密頓方程進(jìn)行求導(dǎo)

可見，當(dāng)λ(t)取定值時(shí)哈密頓函數(shù)可以得到最小值[8]。即，可以將式(3)可以寫成:

式中，Pf(t)可以通過圖3查表計(jì)算得到;Pbp(t)是通過圖4查表得到電機(jī)的功率后按式(1)、(2)得到的電池功率。以此計(jì)算出分配表格，扭矩分配表格如圖8所示，當(dāng)λ為2.5時(shí)主要使用發(fā)動(dòng)機(jī)不但要滿足車輛的驅(qū)動(dòng)需求，還要提供額外的扭矩來給電池充電。隨著λ值的不斷變小，在扭矩分配中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的比例也逐漸減少。當(dāng)λ為1.7時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在整車需求扭矩較低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求扭矩基本為0。

由此可以根據(jù)當(dāng)前SOC來選擇對(duì)應(yīng)的λ所算出的表格，當(dāng)前SOC＞標(biāo)定值時(shí)，SOC選擇λ較小值的表格。相反當(dāng)SOC較小時(shí)，選擇λ較大值的表格。來使SOC在車輛運(yùn)行中維持在一定的范圍。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 測(cè)試循環(huán)

測(cè)試實(shí)驗(yàn)在臺(tái)架上進(jìn)行，臺(tái)架試驗(yàn)不但可以反映動(dòng)力系統(tǒng)的控制精度，而且外界環(huán)境的干擾較小，有較好的實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)性。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖9所示，主要目的是使動(dòng)力系統(tǒng)在特定的駕駛循環(huán)中運(yùn)行，來對(duì)兩種扭矩分配方法進(jìn)行比較。

本次實(shí)驗(yàn)室主要對(duì)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況進(jìn)行測(cè)試，對(duì)應(yīng)的車速軌跡如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制，運(yùn)行轉(zhuǎn)速和需求扭矩是整車道路實(shí)驗(yàn)時(shí)在運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)和采集的數(shù)據(jù)，這樣可以使用臺(tái)架模擬真實(shí)車輛實(shí)驗(yàn)時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行工況。電力測(cè)功機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制模式，控制間隔為0.1秒，目的是使動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與實(shí)際車輛行駛中的轉(zhuǎn)速相同。動(dòng)力系統(tǒng)由HCU來控制扭矩，HCU收到的油門信號(hào)和剎車信號(hào)是由測(cè)功機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送，與當(dāng)前的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。

3.2 運(yùn)行結(jié)果

試驗(yàn)采用中國(guó)典型城市公交循環(huán)實(shí)車實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，圖11和圖12分別為基線控制和最小值原理的情況下整車需求扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)分配的扭矩和SOC的變化軌跡。

從兩種方法的運(yùn)行結(jié)果可以看出:發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行軌跡可以看到，最小值原理對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩控制有更好的平順性，在正常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)在低扭矩也在輸出扭矩。而基線控制會(huì)在300Nm到0Nm會(huì)有突然的變動(dòng)。相對(duì)于最小值原理控制，基線控制SOC變化區(qū)間較小，運(yùn)行區(qū)域一直在[－0.1，0.1]之間，雖然有較好的SOC平衡。但是節(jié)油潛力也被限制。

最小值原理中SOC則趨于平衡，基線控制中SOC的上升了0.6%，采用經(jīng)驗(yàn)將一升油等效成三度電，將電轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的油耗，來計(jì)算整個(gè)循環(huán)的油耗。最小值原理的試驗(yàn)結(jié)果是28.2L/100Km，基線控制的試驗(yàn)結(jié)果是30L/100Km。相對(duì)于常規(guī)車36 L/100Km都有一定的節(jié)油效果。

4 結(jié)論

本論文對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)行了基線控制和最小值原理兩種分配方法的對(duì)比研究。

基線控制的分配策略是對(duì)主要輸出動(dòng)力的元件－－發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化。確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)的效率區(qū)間，但是發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)有較大的波動(dòng)。最小值原理分配策略除了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率以外，還將電池和電機(jī)的效率進(jìn)行計(jì)算匯總到扭矩分配表格中。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩控制波動(dòng)較小。

對(duì)兩種方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果最小值原理比基線控制節(jié)油5%，有更大的節(jié)油潛力。

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