任崇嶺, 劉慧軍

(1.浙江眾泰汽車工程研究院,浙江 杭州 310010; 2.浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 311100)

0 引 言

近幾年,隨著能源短缺及環(huán)境污染等問題的凸顯,使電動(dòng)汽車越來越受到重視。電動(dòng)汽車具有無排放且可重復(fù)充電的優(yōu)勢(shì),但是電池價(jià)格高、續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)極大地限制了純電動(dòng)汽車的普及?；旌蟿?dòng)力汽車相對(duì)于純電動(dòng)汽車有著續(xù)航里程長(zhǎng)、動(dòng)力性良好等優(yōu)點(diǎn),但是在化石燃料轉(zhuǎn)換成電能方面卻存在轉(zhuǎn)換效率低等不足[1-2]。因此合理利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和回收能量,合理利用發(fā)動(dòng)機(jī)行車發(fā)電、怠速發(fā)電、能量回收等能量管理策略對(duì)混合動(dòng)力汽車來說至關(guān)重要。對(duì)于各種不同架構(gòu)的混合動(dòng)力汽車,并聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)是效率最高的一種架構(gòu)。并聯(lián)式架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要是發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng),或者兩者同時(shí)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)混合動(dòng)力汽車能量管理策略的研究比較熱門,其中動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dynamic programming,DP)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到能量管理的研究和應(yīng)用中[3-5]。文獻(xiàn)[6]提出了隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及基于規(guī)則的能量管理策略,并對(duì)三者進(jìn)行了分析和比較;文獻(xiàn)[7-8]提出了隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的算法優(yōu)化混聯(lián)式混合動(dòng)力客車能量管理策略,并利用隱式馬爾科夫鏈模型的性質(zhì)及當(dāng)前時(shí)刻需求功率的統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的需求功率,最終隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃仿真結(jié)果優(yōu)于基于規(guī)則的控制策略;文獻(xiàn)[9]利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解決能量管理策略中基于油耗最省且滿足駕駛性的整車模式切換問題,利用基于規(guī)則的模糊系統(tǒng)算法優(yōu)化控制策略,最終取得了較好的仿真結(jié)果;文獻(xiàn)[10]利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)巴士汽車進(jìn)行控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[11]利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力巴士汽車能量管理策略的研究,在給定駕駛循環(huán)工況的前提下,利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃找到每種模式(串聯(lián)模式、并聯(lián)模式、純發(fā)動(dòng)機(jī)模式)的最小成本函數(shù),以電池荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)作為狀態(tài)變量,通過模型計(jì)算得出最優(yōu)的能量控制策略，但是有效的能量控制策略與零部件功率選型不匹配也會(huì)導(dǎo)致整車的油耗升高,進(jìn)而達(dá)不到節(jié)能的效果;文獻(xiàn)[12]提出建立雙層優(yōu)化模型,巧妙地利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃同時(shí)優(yōu)化能量管理策略和零部件功率的大小,這對(duì)整車廠(original equipment manufacturer,OEM)開發(fā)混合動(dòng)力汽車,對(duì)混合動(dòng)力汽車整車控制器能量控制策略的確定及發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等零部件選型有一定的指導(dǎo)意義。

通過對(duì)上述文獻(xiàn)的分析,動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車能量管理策略有一定的優(yōu)勢(shì),基于世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)(world light vehicle test cycle,WLTC)工況,建立動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型優(yōu)化并聯(lián)式插電混合動(dòng)力汽車(P2架構(gòu))能量管理策略,所提出的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法以電池電量SOC在設(shè)定范圍內(nèi)變化且發(fā)動(dòng)機(jī)燃油最省為目標(biāo),以發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)扭矩等為約束條件,最終得出最優(yōu)的能量控制策略及最終油耗結(jié)果。

1 整車模型

1.1 車輛架構(gòu)及參數(shù)

插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車是單軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)，車輛架構(gòu)如圖1所示。車輛架構(gòu)包括車輛的前軸和關(guān)鍵動(dòng)力部件,關(guān)鍵動(dòng)力部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ISG(integrated starter generator)電機(jī)、主減速器。其中發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)之間通過B1離合器相連,ISG電機(jī)與變速箱之間由Bx離合器傳遞動(dòng)力。

圖1 插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

該汽車的相關(guān)參數(shù)如下:整備質(zhì)量為1 890 kg;發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為GDI1.2T100 kW@4 800 r/min 220 N·m@1 500～4 000 r/min;ISG電機(jī)的峰值功率為62 kW、最大扭矩為240 N·m、最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min;高壓電池的容量為38 A·h、額定電壓為350.6 V;AT變速箱8擋,擋位速比分別為4.26、2.65、1.59、1.34、1.13、0.97、0.80、0.60;主減速比為3.77;風(fēng)阻系數(shù)為0.38;迎風(fēng)面積為2.64 m2;輪胎半徑為332 mm。

1.2 關(guān)鍵動(dòng)力部件模型

建立車輛仿真模型的方式一般有2種:① 正向建模方式,例如通過Matlab/Simulink搭建模型模擬整個(gè)零部件工作原理,這種建模方式計(jì)算比較準(zhǔn)確,但是模型復(fù)雜、計(jì)算量比較大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng);② 反向建模方式,通過定時(shí)間步長(zhǎng)忽略各個(gè)零部件的動(dòng)態(tài)變化情況,這種方式多用來計(jì)算整車經(jīng)濟(jì)性[13]。

本文采用的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法是一種反向迭代求解的算法,并利用Matlab建立簡(jiǎn)化的零部件模型。

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

本文建立三維查表性質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型,查表模型輸入分別為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率,結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率

燃油消耗質(zhì)量的計(jì)算公式如下:

mFC=rBSFCTengωeng

(1)

其中:rBSFC為查表得出的燃油消耗率;Teng為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩;ωeng為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度。

1.2.2 ISG電機(jī)模型

本文建立ISG電機(jī)模型,也是采用電機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建模,依據(jù)ISG電機(jī)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的電機(jī)特性數(shù)據(jù)建立三維查表性質(zhì)的模型,查表模型輸入分別為ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩,輸出為ISG電機(jī)的效率, ISG電機(jī)效率如圖3所示。

圖3 ISG電機(jī)效率圖

由于高壓電池充電和放電功率的限制,ISG電機(jī)最大、最小輸出扭矩的計(jì)算公式為:

TISG=

(2)

其中:TISGReq為ISG電機(jī)需求扭矩;ωISG為ISG電機(jī)角速度;Battsoc為當(dāng)前可沖的電量值;TISG_Batt_Dischg_max、TISG_Chg_max分別為當(dāng)前工況下,ISG電機(jī)能輸出的最大驅(qū)動(dòng)扭矩和最大回收扭矩;TISG_Batt_Dischg_max、TISG_Chg_max分別為當(dāng)前工況下,基于高壓電池充放電可用功率,根據(jù)ISG電機(jī)角速度計(jì)算得出允許ISG的最大驅(qū)動(dòng)扭矩和最大回收扭矩。

1.2.3 高壓電池模型

建立高壓電池模型,忽略電池充放電時(shí)內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量引起的電量計(jì)算的微小變化,等效為簡(jiǎn)單電池內(nèi)阻模型,SOC的計(jì)算公式為:

TISGωISGηISG-sgn(TISG))1/2]/(2RintCbatt)

(3)

其中:高壓電池的開路電壓Voc及電池內(nèi)阻Rint通過實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試得到;Cbatt為電池的安時(shí)總?cè)萘?ηISG為ISG電機(jī)的效率。

根據(jù)(3)式可以計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)或回收時(shí)消耗和增加的電量。

1.2.4 整車其他功率計(jì)算

從圖1中可以看出,變速箱有2個(gè)離合器,分別為B1和Bx離合器,其中Bx離合器的作用是傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩及滑磨換擋;Bx離合器的狀態(tài)有閉合、滑磨、斷開。其中當(dāng)車輛靜止且擋位處于P、N擋時(shí),2個(gè)離合器均為斷開狀態(tài)。當(dāng)行車換擋時(shí),Bx離合器處于滑磨狀態(tài);換擋完畢后,Bx離合器處于閉合狀態(tài),這時(shí)Bx離合器完整地將電機(jī)扭矩或電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩通過主減速器傳遞到車輪。

B1離合器的主要作用是滑磨啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,有閉合、滑磨、斷開3種狀態(tài)。建立的整車數(shù)學(xué)模型考慮離合器滑磨到結(jié)合的過程是瞬間完成的,忽略啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)B1離合器滑磨損失及換擋過程中Bx離合器滑磨損失,即模型中定義離合器狀態(tài)有閉合和斷開,分別表示為:閉合clutch=1,斷開clutch=0。

對(duì)于整車總的需求功率和需求扭矩計(jì)算,根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí),整車的車輪端的阻力扭矩Twheel表示為:

(Jeng+JISG+Jwheel)αwheel

(4)

αwheel=Δωwheel/Δt

(5)

v=3.6ωwheelRwheel

(6)

其中:m為車輛整備質(zhì)量;Cd為空氣阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;fg為地面滾動(dòng)阻力系數(shù);a為車輛加速度;Jeng、JISG、Jwheel分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)和車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;αwheel為車輪角加速度;ωwheel為車輪角速度;Rwheel為車輪半徑;v為車輛速度。

2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是一種多步驟優(yōu)化算法,基于實(shí)車上控制器CAN信號(hào)收發(fā)間隔及零部件控制器有一定的響應(yīng)時(shí)間,在建立動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法時(shí)設(shè)定采樣時(shí)間為1 s,采用逆向求解,根據(jù)給定的駕駛循環(huán)工況,將其分成m份,從第m階段開始向前進(jìn)行計(jì)算,在計(jì)算每一個(gè)階段時(shí),以最優(yōu)控制為目標(biāo),在給定零部件參數(shù)下全局搜索計(jì)算出最優(yōu)的控制變量u(k),在保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗最低且維持電量SOC在設(shè)定值范圍之內(nèi),算出最優(yōu)優(yōu)化結(jié)果。

構(gòu)建動(dòng)態(tài)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)為:

(SOCk-SOCtargt)2]

(7)

控制變量的選擇。電機(jī)扭矩TISG、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Teng、電機(jī)角速度ωISG、發(fā)動(dòng)機(jī)角速度ωeng的約束條件如下:

x(k+1)=f(x(k),u(k));

TISG_min(nISG(k),SOC(k))≤TISG(k)≤

TISG_max(nISG(k),SOC(k));

Teng_min(neng(k))≤Teng(k)≤Teng_maxneng(k);

ωeng_min≤ωeng(k)≤ωeng_max;

SOCmin≤SOC(k)≤SOCmax;

若B1 clutch=1，則

ωISG(k)=ωeng(k)=ωwheel(k);

若B1 clutch=0，則

ωISG(k)=ωwheel(k),ωeng(k)=0

(8)

其中,函數(shù)f表示上述6個(gè)約束條件。基于以上目標(biāo)函數(shù)及約束條件,提出了全局優(yōu)化的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算流程，如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算流程

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算步驟如下:

(1) 根據(jù)WLTC工況,將算法運(yùn)算設(shè)為1 800個(gè)階段(即m=1 800),根據(jù)已知各個(gè)階段的車速及整車參數(shù),根據(jù)(4)～(6)式計(jì)算出車輛在每個(gè)階段輪端的需求角速度ωwheel及需求扭矩Twheel。

(2) 根據(jù)步驟(1)中求出的需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速,根據(jù)設(shè)定的SOC上下限值和擋位速比、發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)扭矩最大值和最小值、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和電機(jī)效率,插值計(jì)算出每個(gè)階段可能的控制變量?？刂谱兞堪l(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Teng、電機(jī)扭矩TISG、發(fā)動(dòng)機(jī)角速度ωeng、電機(jī)角速度ωISG、總需求扭矩Twheel、油耗質(zhì)量m_fuel_dot、消耗電量Pcos和電池電流Ibatt。

(3) 從步驟(2)中計(jì)算得出的所有可能的控制變量,選擇滿足 (8) 式約束條件的發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的扭矩及轉(zhuǎn)速。計(jì)算目標(biāo)函數(shù)((7) 式)找到獲得最小值的控制變量和各個(gè)零部件的狀態(tài)參數(shù)值,優(yōu)化結(jié)束。控制變量狀態(tài)變化及插值計(jì)算示意圖如圖5所示。圖5顯示了在x(i)和x(i+1)狀態(tài)變量變換時(shí),在k階段的最優(yōu)控制變量為uk,在k+1階段,最優(yōu)控制變量uk+1通過uk+1(j)和uk+1(j+1)插值得到,圖中紅色線顯示的是在k+1階段,狀態(tài)變量x(i+1)超過設(shè)定SOC的上下限值。

圖5 控制變量狀態(tài)變化及插值示意圖

(4) 步驟(2)和步驟(3)中,因?yàn)楹雎訧SG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間B1離合器滑磨狀態(tài),所以當(dāng)B1 chutch=0時(shí),ISG電機(jī)角速度等于輪端需求角速度,此時(shí)整車處于純ISG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下;當(dāng)B1 clutch=1時(shí),ISG電機(jī)角速度、需求角速度ωwheel及發(fā)動(dòng)機(jī)角速度三者相等,此時(shí)車輛處于ISG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)模式下。B1離合器狀態(tài)的控制,參考需求扭矩來控制其閉合或斷開。控制變量計(jì)算的流程如圖6所示。

圖6 控制變量計(jì)算流程

(5) 當(dāng)車輛處于減速制動(dòng)或需求扭矩為0時(shí),根據(jù)功率跟隨的計(jì)算方法以及步驟(3)中整車不同模式狀態(tài),計(jì)算出純電模式下,ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)扭矩?；靹?dòng)模式下,整車的倒拖扭矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩加電機(jī)的負(fù)扭矩,計(jì)算得出電機(jī)負(fù)扭矩、轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,其中發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)所得。

(6) 令m=m-1,跳轉(zhuǎn)到步驟(2)中進(jìn)行m-1階段的運(yùn)算。

3 仿真結(jié)果

本文采用WLTC工況驗(yàn)證動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法,WLTC工況是全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)標(biāo)準(zhǔn),WLTC工況屬于瞬態(tài)循環(huán),持續(xù)時(shí)間為1 800 s,行駛距離為23.25 km,最高車速為131 km/h,工況包括低速段、中速段、高速段和超高速段共4個(gè)部分[14]。

仿真前,首先需要設(shè)置電量SOC的懲罰因子Nsoc,由于Nsoc的大小會(huì)影響動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法運(yùn)行時(shí)間及結(jié)果,設(shè)置不同懲罰因子進(jìn)行仿真比較,結(jié)果見表1所列,基于仿真油耗及運(yùn)算時(shí)間比較,設(shè)定θSOC為0.000 1,電量SOC懲罰因子計(jì)算公式[9]為:

NSOC=(SOCmax-SOCmin)/θSOC

(9)

表1 不同θSOC對(duì)應(yīng)油耗及仿真計(jì)算時(shí)間對(duì)比

其中:θSOC為離散化SOC的增量因子;SOCmax和SOCmin分別為約束條件中SOC的最高和最低限制值。

基于WLTC工況進(jìn)行混合動(dòng)力汽車高壓電池處于最低荷電狀態(tài)的電量保持模式(charge-sustaining mode)仿真, SOC目標(biāo)設(shè)置SOCtargt=0.290,初始SOC設(shè)為0.300。將SOC量化成21段區(qū)間。

仿真車速與WLTC駕駛循環(huán)車速之間的對(duì)比如圖7所示,從圖7可以看出兩者之間誤差很小,符合仿真計(jì)算的要求。

圖7 仿真車速與WLTC循環(huán)目標(biāo)車速對(duì)比

整個(gè)WLTC工況中各部件扭矩、轉(zhuǎn)速、變速箱擋位、高壓電池SOC的變化如圖8～圖11所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖9 ISG電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖10 變速箱擋位仿真結(jié)果

圖11 電池SOC仿真結(jié)果

從圖9可以看出，ISG電機(jī)在整個(gè)循環(huán)中車輛加速行駛時(shí)提供了助力,當(dāng)減速時(shí),進(jìn)行能量回收。由于ISG電機(jī)助力大于能量回收,電池的電量一直是消耗的,在最后減速段ISG電機(jī)進(jìn)行能量回收,駕駛循環(huán)終止時(shí)電池電量為0.297。

圖10中的變速箱擋位圖是根據(jù)傳統(tǒng)原型車變速箱換擋曲線進(jìn)行多次仿真后優(yōu)化整理得而出的。

從圖9、圖10可以看出,ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著車速以及變速箱擋位變化而變化,當(dāng)車速較低時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)并未啟動(dòng),整車模式是純電動(dòng)模式,由ISG電機(jī)提供整車的驅(qū)動(dòng)力。

當(dāng)車速較高時(shí)或整車需求扭矩比較大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作,整車模式為混合動(dòng)力模式,發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)一起提供驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)車輛行駛。當(dāng)需求扭矩比較小、車輛減速滑行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,整車模式為純電動(dòng)模式,ISG電機(jī)進(jìn)行能量回收。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布如圖12所示。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

從圖12可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后,發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)基本都運(yùn)行在高效經(jīng)濟(jì)工作區(qū)間中,從而有利于降低油耗。圖12中綠色星形標(biāo)示號(hào)表示發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn),黑色點(diǎn)表示發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速變化軌跡?？梢钥闯霭l(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后,先經(jīng)過調(diào)速將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至與ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速相同,然后B1離合器閉合,發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛行駛,發(fā)動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行在高效經(jīng)濟(jì)區(qū)間中。

ISG電機(jī)的工作點(diǎn)分布如圖13所示。從圖13可以看出，ISG電機(jī)大部分工作效率在82%以上,由于車輛低速行駛和蠕行工況只有ISG電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng),存在圖中效率82%以下的情況。仿真計(jì)算電池電量消耗為0.002 7,燃油消耗為1.15 kg,換算成百公里油耗為6.68 L。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[14]中規(guī)定的插電式混合動(dòng)力汽車電量保持模式實(shí)驗(yàn)有效性判斷,需要計(jì)算修正標(biāo)準(zhǔn)值,計(jì)算修正標(biāo)準(zhǔn)值C=0.002 6,小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.01,因此仿真結(jié)果有效。

圖13 ISG電機(jī)工作點(diǎn)分布

通過以上仿真結(jié)果的分析,電池SOC基本在預(yù)設(shè)的區(qū)域運(yùn)行,且最終電量基本保持平衡,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后基本運(yùn)行在高效區(qū)域內(nèi)。為了更好地說明動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略對(duì)于混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的作用,將其分別與OEM標(biāo)定工程師實(shí)車上標(biāo)定的基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制策略燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比。

將動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法仿真結(jié)果得出的控制策略標(biāo)定到實(shí)車上,車輛在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行WLTC循環(huán)的油耗實(shí)驗(yàn),插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室油耗實(shí)驗(yàn)如圖14所示, WLTC循環(huán)油耗電量結(jié)果對(duì)比見表2所列。

圖14 車輛轉(zhuǎn)鼓油耗實(shí)驗(yàn)

表2 WLTC循環(huán)油耗電量結(jié)果對(duì)比

WLTC循環(huán)油耗及電量變化結(jié)果對(duì)比如圖15所示。

從圖15a可以看出,動(dòng)態(tài)規(guī)劃仿真策略在WLTC前段低速、中速駕駛循環(huán)中耗電量要小于基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制策略,其目的是保證電量平衡的基礎(chǔ)上,確保后面高速和超高速段電機(jī)助力多一些。

圖15 2種方法策略電池電量和燃油消耗量變化

從圖15b可以看出,后面高速和超高速段動(dòng)態(tài)規(guī)劃仿真策略油耗要低于基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則策略,這說明動(dòng)態(tài)規(guī)劃仿真策略的電機(jī)助力扭矩比基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制策略要大,因此整車油耗降低。在WLTC最后減速段,動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法策略將發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,用ISG電機(jī)盡可能多地進(jìn)行能量回收?；跇?biāo)定經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制策略未能將發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,導(dǎo)致整車的倒拖扭矩中包含了發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩,ISG電機(jī)回收扭矩和駕駛員的制動(dòng)力,這導(dǎo)致最后減速段不能充分地使用ISG電機(jī)進(jìn)行回收。從表2中國6標(biāo)準(zhǔn)修正值可以看出本次轉(zhuǎn)鼓油耗測(cè)試結(jié)果有效,說明動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法策略電量消耗要小于基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的策略,且百公里油耗要低于基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的策略。因此動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法得出的控制策略能結(jié)合駕駛循環(huán)提出合理的發(fā)動(dòng)機(jī)起停時(shí)機(jī)，并根據(jù)駕駛循環(huán)合理制定電量充放策略,合理調(diào)節(jié)ISG電機(jī)助力及能量回收策略,通過表2實(shí)際測(cè)試油耗結(jié)果可知,動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法控制策略比基于標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則控制策略百公里油耗降低了5.78%。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析,以提高燃油經(jīng)濟(jì)性為目的,建立數(shù)學(xué)模型,根據(jù)設(shè)定SOC限制及其他約束條件設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)車輛優(yōu)化。WLTC工況仿真結(jié)果表明,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算出的能量管理策略,既能保證電池SOC平衡,又能合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性的效果,油耗結(jié)果比基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則控制策略降低了5.78%。動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解算得出的能量控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停策略及功率、扭矩分配策略對(duì)OEM混合動(dòng)力汽車整車控制器能量控制策略的設(shè)計(jì)開發(fā)及標(biāo)定工作有一定的參考和指導(dǎo)意義。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法雖然可以解算出較好的能量控制策略及油耗結(jié)果,但需要基于已知駕駛循環(huán)進(jìn)行計(jì)算且未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放等因素,因此后期的研究中可以在以上動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)控制策略進(jìn)一步優(yōu)化,同時(shí)也可以將發(fā)動(dòng)機(jī)排放作為目標(biāo)函數(shù),增加排放物NOx、CO等約束條件進(jìn)行連續(xù)二次規(guī)劃。