譚 偉，任 萍

(重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

混合動(dòng)力汽車(chē)具有節(jié)能減排的顯著特點(diǎn)，在動(dòng)力性和續(xù)駛里程方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)車(chē)輛和純電動(dòng)汽車(chē)。使用雙行星排式動(dòng)力耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力車(chē)輛，輸出動(dòng)力通過(guò)兩排行星機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率分流成兩部分傳遞，一部分通過(guò)機(jī)械路徑傳遞至車(chē)輪，另一部分由電路徑轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。由于兩排行星機(jī)構(gòu)具有分流匯流功能，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輪處轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速雙重解耦，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于低油耗、高效率的工作區(qū)間，因此，車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性較好。

由于雙行星排式混合動(dòng)力汽車(chē)在行駛過(guò)程中存在多種動(dòng)力源耦合輸入，在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制方面，需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)部件效率特性、耦合機(jī)構(gòu)工作特性，因此，控制策略的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。針對(duì)行星排式混合動(dòng)力汽車(chē)，許多研究學(xué)者進(jìn)行了基于等效燃油消耗、模糊控制、線性二次規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等優(yōu)化算法的研究[1-4]。模糊控制具有非線性、魯棒性和實(shí)時(shí)性等顯著特點(diǎn)，在混合動(dòng)力汽車(chē)控制中應(yīng)用較多[5-8]。王偉等[9]針對(duì)雙排行星式混合動(dòng)力系統(tǒng)，以整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，基于模糊智能控制提出發(fā)動(dòng)機(jī)OOL控制策略；Leach S等[10]根據(jù)雙模式電機(jī)復(fù)合無(wú)極傳動(dòng)系統(tǒng)功率分流特性建立功率損失模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算，但沒(méi)有使用優(yōu)化算法；王慶年等[11]對(duì)功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)提出基于瞬時(shí)效率最優(yōu)的最佳分離因子算法，提升了其燃油經(jīng)濟(jì)性。綜上，針對(duì)行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略主要以發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量為優(yōu)化目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者較少考慮到整個(gè)系統(tǒng)效率特性來(lái)設(shè)計(jì)能量管理策略。

本文從系統(tǒng)構(gòu)型出發(fā)，基于杠桿理論建立動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)杠桿模型，分析得到不同動(dòng)力源理論上的理想轉(zhuǎn)矩分配特性，設(shè)計(jì)能量管理策略使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在機(jī)械點(diǎn)上或其附近，減少不同能量轉(zhuǎn)化之間的損耗，并結(jié)合模糊智能控制，以達(dá)到在傳動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)的基礎(chǔ)上提升整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)型與整車(chē)參數(shù)

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

圖1表示采用行星輪系的混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)：該動(dòng)力系統(tǒng)耦合裝置由前排PG1和后排PG2兩部分構(gòu)成。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)緩沖鎖止機(jī)構(gòu)與前排的行星架C1相連，后排齒圈R2固定在殼體上，齒圈R1與行星架C2相連，該構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了2個(gè)行星排的動(dòng)力傳遞，最終動(dòng)力經(jīng)輸出軸輸出。

圖1 動(dòng)力耦合系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 整車(chē)參數(shù)

表1為某款基于雙行星排式的城市公交客車(chē)的整車(chē)主要技術(shù)參數(shù)。

表1 整車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

2 機(jī)械點(diǎn)分析

2.1 動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)杠桿模型

杠桿法可以通過(guò)簡(jiǎn)單、清晰的杠桿模型描述復(fù)雜的行星輪系，其基本原理為：將行星機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件看成具有3個(gè)支點(diǎn)的垂直杠桿模型。垂直杠桿模型上的3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表了混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)的太陽(yáng)輪(S)、齒圈(R)及行星架(C)，各節(jié)點(diǎn)的具體位置由行星排中的齒圈和太陽(yáng)輪的齒數(shù)決定，各構(gòu)件對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的水平位移及水平作用力表示相應(yīng)的角速度和轉(zhuǎn)矩，同時(shí)將行星輪系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等效轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，可以直觀地對(duì)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)工作特性進(jìn)行分析，動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)垂直杠桿模型見(jiàn)圖2。圖示中K1與K2分別表示前后行星排的特征參數(shù)；ωR1、ωC1與ωS1分別表示前排各單一構(gòu)件相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，后排相應(yīng)轉(zhuǎn)速如上述表示；Tin表示前行星排齒圈和后行星排行星架相互作用的內(nèi)力矩；TR2表示作用在后排齒圈上的外力矩；TC2則表示整車(chē)作用在動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)輸出軸外力矩；TC1、TS1與TS2分別表示動(dòng)力源作用在相應(yīng)構(gòu)件上的外力矩。

圖2 動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)杠桿模型示意圖

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)靜態(tài)模型

為了準(zhǔn)確分析動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的工作特性和設(shè)計(jì)符合該模型的能量管理策略，建立動(dòng)力耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)動(dòng)力耦合系統(tǒng)各構(gòu)件都為理想的無(wú)質(zhì)量元件，且為剛性連接。

由上述的杠桿模型分析，針對(duì)前后行星排有：

TC1+TS1-Tin=0

(1)

TS1(1+K1)+TC1=0

(2)

TS2-TC2+TR2+Tin=0

(3)

TS2K2-TR2=0

(4)

其中，TS1和TS2又滿足如下關(guān)系：

TS1=TMG1

(5)

TS2=TMG2

(6)

TC2=Tout

(7)

由上述動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析，可以得到前排PG1和PG2中各個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

(1+K1)ωC1=ωS1+K1ωR1

(8)

(1+K2)ωC2=ωS2+K2ωR2

(9)

從系統(tǒng)構(gòu)型知發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1及MG2分別和前排行星架、前排太陽(yáng)輪和后排太陽(yáng)輪連接，故轉(zhuǎn)速存在下述關(guān)系：

ωMG1=ωS1

(10)

ωMG2=ωS2

(11)

ωE=ωC1

(12)

由于該動(dòng)力耦合系統(tǒng)后排齒圈固定，有：

ωR2=0

(13)

式中：TE、TMG1及TMG2分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1與電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩；ωE、ωMG1與ωMG2分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1和電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速。

1) 當(dāng)緩沖鎖止機(jī)構(gòu)處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，結(jié)合上述公式，可以推導(dǎo)出MG1和MG2的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為：

(14)

2) 當(dāng)緩沖鎖止機(jī)構(gòu)處于分離狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力耦合系統(tǒng)各動(dòng)力源的轉(zhuǎn)矩分配有如下關(guān)系：

TC1=TE

(15)

(16)

(17)

以上建立了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的靜態(tài)模型，得到不同動(dòng)力源理論上的理想輸出轉(zhuǎn)矩。將其運(yùn)用于整車(chē)能量管理策略的設(shè)計(jì)，為動(dòng)力系統(tǒng)控制優(yōu)化提供參考。

2.3 構(gòu)型特性分析

對(duì)于本文中研究的雙行星排式混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)，因?yàn)楹笮行桥诺凝X圈被鎖止，車(chē)輛在運(yùn)行的狀態(tài)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速不可以為0，因此，系統(tǒng)只存在1個(gè)機(jī)械點(diǎn)i，其具體值表示為：

(18)

該混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)輸入與輸出的轉(zhuǎn)速比值為：

(19)

(20)

(21)

3 控制策略設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

通過(guò)對(duì)上述混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析可知，混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)狀態(tài)的相互切換，通過(guò)合理控制多個(gè)動(dòng)力源的工作狀態(tài)，讓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在以下4種工作模式之間切換，如表2所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

通過(guò)以上對(duì)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的不同動(dòng)力源工作狀態(tài)的控制，該動(dòng)力耦合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下工作模式：

1) 純電動(dòng)模式：當(dāng)車(chē)速和整車(chē)需求功率均較低，同時(shí)電池SOC滿足純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)條件時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)處在純電動(dòng)模式狀態(tài)。

2) 混合驅(qū)動(dòng)模式：當(dāng)動(dòng)力電池SOC不足且整車(chē)需求功率較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并處于工作狀態(tài)，此時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作曲線上，其余功率由電機(jī)補(bǔ)充提供。

3) 制動(dòng)能量回收模式：當(dāng)車(chē)輛減速行駛時(shí)，通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生力矩對(duì)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

4) 停車(chē)充電模式：當(dāng)動(dòng)力電池SOC較低，在車(chē)輛停車(chē)期間，讓電機(jī)工作在發(fā)電模式，此時(shí)通過(guò)電機(jī)給動(dòng)力電池充電。

3.2 基于效率最優(yōu)的機(jī)械點(diǎn)控制策略

由上述的動(dòng)力耦合系統(tǒng)可知，基于雙行星排式的混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性不僅取決于單一部件的效率，還需要考慮整車(chē)的系統(tǒng)損耗[12-13]。為了提升車(chē)輛的整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，需要考慮動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)雙行星排工作特性，若電路徑功率值為零時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率全部為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)機(jī)械路徑提供，系統(tǒng)的傳動(dòng)效率達(dá)到最高點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比即系統(tǒng)的機(jī)械點(diǎn)。

為了更好地降低油耗，將動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)各部件特性綜合考慮，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳動(dòng)比，減少系統(tǒng)的功率循環(huán)，從而保證傳動(dòng)系統(tǒng)的效率較高，達(dá)到提升整車(chē)燃油性的目的[14]。根據(jù)上述建立的動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)靜態(tài)模型，在混合驅(qū)動(dòng)模式中，機(jī)械點(diǎn)控制策略通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳動(dòng)比R使電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，設(shè)定閾值K，讓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在機(jī)械點(diǎn)或者附近運(yùn)行，從而確保系統(tǒng)傳動(dòng)效率較高[15-16]。

3.3 模糊控制策略

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合系統(tǒng)不同動(dòng)力源最佳功率分配、降低油耗且兼顧動(dòng)力電池SOC，同時(shí)解決上述機(jī)械點(diǎn)控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)低效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)了模糊控制器[17-20]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作時(shí)，給定輸入變量SOC與油門(mén)踏板開(kāi)度，將2個(gè)輸入變量進(jìn)行模糊化處理，然后根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則優(yōu)化決策，最終將優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率輸出。本文中設(shè)計(jì)的模糊控制工作原理如圖3所示。

圖3 模糊控制工作原理示意圖

模糊智能控制策略屬于智能控制算法范疇，核心為模糊控制器，且由規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)制、模糊化接口和去模糊化接口四部分構(gòu)成。這里的模糊控制策略在Matlab/Simulink中完成設(shè)計(jì)，其中隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)為模糊控制器的基礎(chǔ)，隸屬度函數(shù)的形狀直接影響系統(tǒng)靈敏度和系統(tǒng)控制特性。動(dòng)力電池SOC的模糊集合為{XS，S，M，B，XL}，分別代表極低、低、中、高、極高；油門(mén)踏板開(kāi)度的模糊集合為{VS，S，M，B，VB}，分別代表極小、小、中、大、極大；發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率的模糊集合為{SS，S，M，B，BB}，分別代表極小、小、中、大、極大。本文中設(shè)計(jì)的模糊控制器輸入及輸出的論域與隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 模糊控制器輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則依據(jù)規(guī)律如下：

1) 當(dāng)動(dòng)力電池SOC較高時(shí)，如果整車(chē)需求扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，則使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)曲線周?chē)?，余下轉(zhuǎn)矩則由電機(jī)補(bǔ)充；當(dāng)車(chē)輛需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，則控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)間，剩余轉(zhuǎn)矩由電機(jī)補(bǔ)充。

2) 當(dāng)動(dòng)力電池SOC較低時(shí)，如果整車(chē)需求扭矩小，在滿足整車(chē)動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)間，同時(shí)多余的能量為電池充電；如果需求轉(zhuǎn)矩大，則發(fā)動(dòng)機(jī)提供最大扭矩，余下扭矩則為電池充電。

3) 當(dāng)動(dòng)力電池SOC處于上述兩個(gè)中間狀態(tài)時(shí)且車(chē)輛需求轉(zhuǎn)矩不高，此時(shí)使用上述設(shè)計(jì)的機(jī)械點(diǎn)控制策略。

制定的模糊規(guī)則采用“IF-THEN”推理規(guī)則，具體見(jiàn)圖5。

圖5 模糊控制規(guī)則曲面

4 仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出的機(jī)械點(diǎn)控制策略和模糊控制策略結(jié)合具有合理性和優(yōu)越性，在AVL/Cruise搭建整車(chē)仿真模型，Matlab/Simulink搭建整車(chē)控制策略，使用DLL接口進(jìn)行聯(lián)合仿真。搭建的整車(chē)模型和控制策略原理見(jiàn)圖6、7。

圖6 整車(chē)模型示意圖

圖7 控制策略原理框圖

選用中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況進(jìn)行車(chē)速跟蹤及仿真測(cè)試，該循環(huán)工況具體信息見(jiàn)表3。

表3 CBCC循環(huán)工況

圖8為搭建的模型在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下車(chē)速跟隨仿真驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果。從圖8中可以看出，循環(huán)工況目標(biāo)車(chē)速與實(shí)際車(chē)速2條曲線基本吻合，結(jié)果表明建立的模型能較好地跟隨循環(huán)工況車(chē)速的變化。

圖8 車(chē)速跟隨曲線

圖9顯示了動(dòng)力電池SOC變化情況。分析可知，SOC在整個(gè)循環(huán)工況發(fā)生較小范圍波動(dòng)，且其值保持在50%以上，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池SOC動(dòng)態(tài)均衡，表明車(chē)輛在整個(gè)行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池不僅向車(chē)輛提供動(dòng)能，還在整車(chē)需求功率較低時(shí)將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，達(dá)到電池的設(shè)計(jì)要求。

圖9 SOC變化曲線

圖10、11表示聯(lián)合仿真結(jié)果所得到的動(dòng)力耦合系統(tǒng)2個(gè)電機(jī)的扭矩圖，圖12為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線?？梢钥闯?，混合動(dòng)力系統(tǒng)在純電動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)間占比較多，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)為停車(chē)充電模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)MG1給動(dòng)力電池充電，讓動(dòng)力電池SOC穩(wěn)定維持在給定范圍內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)工作在混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)電機(jī)均處于工作狀態(tài)，此時(shí)MG1與MG2提供動(dòng)力輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

圖10 電機(jī)MG1扭矩曲線

圖11 電機(jī)MG2扭矩曲線

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線

圖13為發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的分布情況，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在圖中標(biāo)注的兩點(diǎn)?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在低油耗區(qū)域，符合設(shè)計(jì)的控制策略思想，達(dá)到了提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布情況示意圖

基于提出的控制策略，在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況測(cè)試下，動(dòng)力性方面，最高車(chē)速可以達(dá)到90 km/h，大于法規(guī)規(guī)定的公交車(chē)最高車(chē)速69 km/h。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，百公里油耗為20.29 L，與該動(dòng)力耦合系統(tǒng)應(yīng)用于城市公交車(chē)的試驗(yàn)結(jié)果相比，燃油經(jīng)濟(jì)性提升了23.4%。

考慮到所提出的功率分配策略在不同循環(huán)工況下的通用性與適用性，仿真選用FTP75、NEDC市區(qū)工況及UDDS工況組合進(jìn)行研究。工況信息和仿真車(chē)速跟隨結(jié)果如圖14所示。

圖14 混合工況車(chē)速跟隨曲線

在混合工況仿真測(cè)試下，圖15、16為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果。表4給出了不同工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，分析可知，動(dòng)力耦合系統(tǒng)的功率分配合理，驗(yàn)證了控制策略的優(yōu)化控制效果。

圖15 電機(jī)MG2扭矩曲線

圖16 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線

表4 不同工況的燃油經(jīng)濟(jì)性

5 結(jié)論

基于某雙行星排式混合動(dòng)力客車(chē)，針對(duì)動(dòng)力耦合系統(tǒng)不同部件工作特性，基于杠桿法建立動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)靜態(tài)模型，為減少功率循環(huán)，保證動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)較高效率，提出了機(jī)械點(diǎn)控制策略，同時(shí)結(jié)合模糊智能控制對(duì)整車(chē)能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化控制。在Matlab/Simulink中設(shè)計(jì)整車(chē)能量管理策略，模式切換在Stateflow中搭建，整車(chē)模型在CRUISE中搭建，在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：所搭建的整車(chē)仿真模型能夠較好地跟蹤循環(huán)工況車(chē)速變化，達(dá)到整車(chē)的設(shè)計(jì)需求，能夠使動(dòng)力電池SOC在理想范圍內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與2個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)落在經(jīng)濟(jì)區(qū)間，且降低了整車(chē)油耗，驗(yàn)證了所提出的控制策略對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制。以上分析結(jié)果對(duì)雙行星排式混合動(dòng)力客車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究有參考意義。