崔納新 步 剛 吳 劍 符曉玲 張承慧

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 濟(jì)南 250061 2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 濟(jì)南 250061 3.山東政法學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)系 濟(jì)南 250014 4.昌吉學(xué)院物理系 昌吉 831100)

1 引言

混合動(dòng)力汽車既可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，也可以降低排放，被認(rèn)為是近期最有希望替代傳統(tǒng)汽車的方案。目前，外接充電式混合動(dòng)力汽車（Plug-In Hybrid Electric Vehicle，PHEV）受到汽車企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和各國政府的普遍關(guān)注。PHEV配有可以從外部電網(wǎng)直接充電的高能量密度電池組，有一定的純電動(dòng)行駛里程，長距離行駛耗油量低。作為Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)之一，能量管理策略的品質(zhì)直接影響車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

混合動(dòng)力汽車能量管理策略在電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩種功率源之間分配功率和轉(zhuǎn)矩輸出，以達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性，最大限度地減少廢氣排放，同時(shí)保持電池的健康[1]。傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的能量管理策略可以分為兩類[2]：基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略。其中，基于規(guī)則的能量管理策略又可以分為基于確定性規(guī)則的能量管理策略和基于模糊規(guī)則的能量管理策略；基于優(yōu)化的能量管理策略又可分為實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理策略和全局最優(yōu)能量管理策略。

目前關(guān)于PHEV能量管理問題的研究剛剛展開，Banvait對基于確定性規(guī)則的PHEV能量管理策略進(jìn)行了研究[3]。基于確定性規(guī)則的能量管理策略靜態(tài)分配轉(zhuǎn)矩，無法獲得最優(yōu)性能，因此，張博、J.Wu等分別采用矩陣分割算法和粒子群算法優(yōu)化門限參數(shù)[4-5]，在一定程度上改進(jìn)了靜態(tài)邏輯門限能量管理策略的性能。S.Stockar等基于龐特里亞金最小值原理[6]針對PHEV提出的全局優(yōu)化策略可以求得控制變量（如發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)轉(zhuǎn)矩）的全局最優(yōu)解，然而，全局優(yōu)化策略要求準(zhǔn)確知曉整個(gè)行駛工況，在實(shí)用時(shí)具有很大的局限性，其結(jié)果一般只能作為能量管理的參考。本文對應(yīng)用于傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車上的等效燃油消耗最小策略進(jìn)行改進(jìn)，提出了適用于PHEV的實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理策略。最后，在電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR平臺上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究了該能量管理策略對Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能的影響。

2 Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車有內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源。他們既可以獨(dú)立工作，也可共同驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)電池電量充足時(shí)，優(yōu)先考慮使用動(dòng)力電池的電量來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式運(yùn)行，從而降低排放和油耗；當(dāng)電池電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作并帶動(dòng)電機(jī)給電池充電；當(dāng)需要較大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作。Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[7-8]。圖中，B為蓄電池，E為內(nèi)燃機(jī)，Y為油箱，M為電機(jī)，Z為功率轉(zhuǎn)換器，T為傳動(dòng)裝置（包括制動(dòng)、離合器和齒輪箱），P為充電器。

圖1 Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖—電力連接 —液流連接 =械連接Fig.1 The drive system structure of plug-in parallel hybrid electric vehicle

3 基于確定性規(guī)則的能量管理策略

為充分利用電網(wǎng)充入能量，PHEV通常先工作于電量消耗模式（Charge-Depleting，CD），直到電池SOC降低到設(shè)定值soc1，才進(jìn)入電量保持模式（Charge-Sustaining，CS）[9]。當(dāng)PHEV工作于電量消耗模式時(shí)，如果車輛需求功率不大于電機(jī)所提供的峰值功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行；如果車輛需求功率大于電機(jī)所提供的峰值功率，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖然此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并未運(yùn)行在高效區(qū)，但由于其輸出能量很小，故整車燃油消耗仍相對較低[10]。

當(dāng)PHEV工作于電量保持模式時(shí)，最簡單的方法是套用傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的基于確定性規(guī)則的能量管理策略，通過判斷選定的幾個(gè)控制變量（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)請求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和SOC值）與門限值的關(guān)系，決定發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則在發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間分配轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，同時(shí)保持SOC位于一定的范圍內(nèi)。

為了制定基于確定性規(guī)則的能量管理策略，首先對門限值參數(shù)進(jìn)行說明，見表1。

表1 門限值參數(shù)說明Tab.1 Threshold parameter description

定義Tr為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)請求轉(zhuǎn)矩，ωr為請求轉(zhuǎn)速，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Tmc_max為電機(jī)在當(dāng)前速度下的最大轉(zhuǎn)矩，Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)在一定速度時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，Tchg為電池的充電轉(zhuǎn)矩，Tm_gen_max為電機(jī)再生制動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩。其中，Tchg可以由下式計(jì)算

具體的控制規(guī)則見表2。

表2 控制規(guī)則Tab.2 The control rules

基于確定性規(guī)則的能量管理策略簡單有效，實(shí)用性強(qiáng)，但門限值的確定需要依賴設(shè)計(jì)人員的過程經(jīng)驗(yàn)；靜態(tài)分配轉(zhuǎn)矩，燃油經(jīng)濟(jì)性難以達(dá)到最優(yōu)。

4 基于實(shí)時(shí)優(yōu)化的能量管理策略

4.1 等效燃油消耗最小原理

等效燃油消耗最小策略是將電機(jī)消耗的能量等效成發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，并與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際油耗相加，在任一時(shí)刻使總油耗最小的算法。該算法能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化，不需要路況信息，便于實(shí)車應(yīng)用。

由圖1所示PHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可得如下關(guān)系：

式中ωw(t)，ωe(t)，ωm(t)—車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)

t時(shí)刻的轉(zhuǎn)速；

Tw(t)—車輪需求轉(zhuǎn)矩；

Te(t)，Tm(t)—發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)t時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩；R(k(t))—k(t)擋的傳動(dòng)比；

ρ—電機(jī)減速比；

ηred—電機(jī)減速齒輪傳動(dòng)效率；

ηgb—變速箱的傳動(dòng)效率。

機(jī)械約束條件如下：

式中

Te_min(ωe(t))，Te_max(ωe(t))—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為ωe(t)時(shí)的最小和最大轉(zhuǎn)矩；

Tm_min(ωm(t))，Tm_max(ωm(t))—電機(jī)轉(zhuǎn)速為ωm(t)時(shí)的最小和最大轉(zhuǎn)矩；

ωe_min，ωe_max—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最小和最大值；

ωm_max—電機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值。

發(fā)動(dòng)機(jī)t時(shí)刻的燃油率為Me(Te(t)，ωe(t))，電池t時(shí)刻吸收或釋放的能量由式（8）轉(zhuǎn)換成燃油率

式中Pm(Tm(t)，ωm(t))—電機(jī)的功率；

ηdis，ηchg—電池的放電、充電效率；

ηm—電機(jī)的平均效率；

ηoe—油-電平均轉(zhuǎn)換效率，可表示為

式中ηe—發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率；

H—燃油的熱值；

ηt—油-電轉(zhuǎn)換支路的機(jī)械傳動(dòng)效率平均值。

t時(shí)刻，總的燃油消耗率為

等效燃油消耗最小就是使t時(shí)刻總的燃油消耗率最小，即

4.2 電池能量觀測單元

等效燃油消耗最小策略原是針對傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車提出的。傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車?yán)冒l(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)對電池充電，也就是油轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶鎯υ陔姵刂?，但PHEV電池中的電能大部分來源于外部電網(wǎng)。為計(jì)算PHEV的燃油經(jīng)濟(jì)性，需區(qū)分動(dòng)力電池中來自電網(wǎng)的電能和來自燃油的電能。由于在電量保持階段電池SOC上下波動(dòng)，因此不能利用SOC來判斷來自電網(wǎng)的電量是否已經(jīng)耗盡。故本文設(shè)計(jì)了電池能量觀測單元，電池能量觀測單元的輸出值是電池放出的能量累積和，其原理如圖2所示。圖中，P為電池放電功率，T為工作周期時(shí)間，Eout為總能量輸出。

圖2 電池能量觀測單元原理圖Fig.2 The schematic of battery energy observation unit

電池能量觀測單元的輸出值Eout達(dá)到設(shè)定值Eset時(shí)，表明來自外部電網(wǎng)的電能已經(jīng)耗盡，以后電池放出的電能都來自油電轉(zhuǎn)換。確定設(shè)定值Eset的具體方法將在第5節(jié)介紹。

4.3 改進(jìn)等效燃油消耗最小的能量管理策略

PHEV動(dòng)力電池充電有外部電網(wǎng)充電和發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)對電池充電兩種途徑。當(dāng)電池SOC第一次降至soc1時(shí)，PHEV開始進(jìn)入電量保持模式，電池中還有來自外電網(wǎng)的電能，此時(shí)消耗的電能來自上一次外部電網(wǎng)對電池充電，根據(jù)等效燃油消耗最小原理，此時(shí)不適用等效燃油消耗最小策略。

在電量保持模式階段，發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)帶動(dòng)電機(jī)對電池充電，電池SOC值會上下波動(dòng)，因此不能以SOC值作為判斷來自外電網(wǎng)的電能是否已經(jīng)消耗盡的標(biāo)準(zhǔn)。本文利用設(shè)計(jì)的電池能量觀測單元的輸出值來判斷來自外電網(wǎng)的電能是否已經(jīng)消耗盡。當(dāng)電池能量觀測單元輸出值Eout大于設(shè)定值Eset時(shí)，說明電池中來自外電網(wǎng)的電能已經(jīng)消耗盡，如果電池繼續(xù)放電，消耗的電池電量來自油電轉(zhuǎn)換，此時(shí)適用等效燃油消耗最小策略。綜上所述，結(jié)合基于確定性規(guī)則的能量管理策略得到如表3所示的能量管理策略。

表3 能量管理策略Tab.3 The energy management strategy

5 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真所用的Plug-In并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車模型的主要部件參數(shù)見表4。

表4 模型的主要部件參數(shù)Tab.4 The main component parameters of model

設(shè)定soc1=0.5，soc_lo=0.4，soc_hi=0.6，SOC的初值soc_init為0.95。

電池能量觀測單元設(shè)定值Eset的確定方法如下：

由電池SOC的定義可知

式中Cr—電池剩余容量；

Cu—已消耗電量；

CN—電池額定容量。

式中Ibat—t時(shí)刻的放電電流；

T—放電總時(shí)間。

為了簡化計(jì)算，假設(shè)電池電壓保持在額定電壓。由下式計(jì)算電池總能量

式中E—總能量；

UN—電池額定電壓。

由式（11）～式（13）可以得到，SOC由soc_init降到soc_lo時(shí)電池放出的能量為Eset=E×

在ADVISOR平臺上分別對基于確定性規(guī)則的能量管理策略（策略A）和本文提出的基于等效燃油消耗最小的實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理策略（策略B）進(jìn)行了測試。燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)采用百公里耗油量表示，其數(shù)值越小，燃油經(jīng)濟(jì)性越好。在城郊循環(huán)路況WVUSUB的仿真結(jié)果見表5（一個(gè)WVUSUB循環(huán)路況的行程約為12km）。由表5可知針對不同的循環(huán)路況個(gè)數(shù)（不同行駛里程），策略B與策略A相比，燃油經(jīng)濟(jì)性都有顯著的提高。

表5 WVUSUB循環(huán)路況上的仿真結(jié)果Tab.5 The simulation results of WVUSUB cycle

六個(gè)WVUSUB循環(huán)路況如圖3所示，相應(yīng)地策略A與策略B的SOC變化情況如圖4所示，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm、Te分別如圖5和圖6所示。

圖3 六個(gè)WVUSUB循環(huán)路況Fig.3 6 WVUSUB drive cycles

圖4 策略A、B的電池SOCFig.4 Battery SOC of A strategy and B strategy

圖5 應(yīng)用策略A、B時(shí)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.5 The motor output torque for A,B strategy

本文還在MANHATTAN循環(huán)路況上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果見表6，一個(gè)MANHATTAN循環(huán)路況行程約為3.33 km，針對不同的循環(huán)路況個(gè)數(shù)，策略B與策略A相比，燃油經(jīng)濟(jì)性都有不同提高。

圖6 應(yīng)用策略A、B時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.6 The engine output torque for A,B strategy

表6 MANHATTAN循環(huán)路況上的仿真結(jié)果Tab.6 The simulation results of MANHATTAN drive cycle

6 結(jié)論

本文結(jié)合PHEV的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能量觀測單元，并利用能量觀測單元把等效燃油消耗最小策略應(yīng)用于PHEV的能量管理中。在多種循環(huán)路況上的仿真結(jié)果表明，本文提出基于等效燃油消耗最小的實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理策略能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間合理的分配轉(zhuǎn)矩，有效地提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

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