葉 心，葉 明，羅 勇

(1.重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400050;2.重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400050)

前言

混合動(dòng)力汽車的控制策略是其節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略大致可分為基于模糊控制的智能型控制策略［1-2］、基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制策略［3］和基于優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)控制策略［4］3大類，第1類方法不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，有利于解決混合動(dòng)力系統(tǒng)能量分配等復(fù)雜問(wèn)題;第2類是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)部件的穩(wěn)態(tài)效率MAP圖來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力匹配;第3類則在既定駕駛循環(huán)工況下，根據(jù)最優(yōu)控制理論動(dòng)態(tài)分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，從而獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［5］中以發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)效率圖為依據(jù)劃分發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間，確定動(dòng)力源的匹配，文獻(xiàn)［6］中考慮了功率的損失和發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，以混合動(dòng)力系統(tǒng)能量損失最小為目標(biāo)，采用模糊控制算法，完成發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的動(dòng)力匹配，文獻(xiàn)［7］中以發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)域劃分發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間，采用ANFIS優(yōu)化算法，對(duì)多能源系統(tǒng)動(dòng)力源進(jìn)行分配，但發(fā)動(dòng)機(jī)效率最優(yōu)并不代表混合動(dòng)力系統(tǒng)效率最優(yōu)。先進(jìn)汽車仿真軟件ADVISOR采用基線控制策略［8］，將發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線乘以某系數(shù)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)充電曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉曲線，在某種程度上確定了混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源的匹配，但未對(duì)系數(shù)的取值進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［9］中通過(guò)瞬時(shí)優(yōu)化計(jì)算，使混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同工作模式下具有最高系統(tǒng)效率，并通過(guò)仿真計(jì)算，確定混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理最佳匹配策略。在此基礎(chǔ)上，本文中搭建了硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)該控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 混合動(dòng)力汽車控制策略的仿真

1.1 研究對(duì)象

本文研究的混合動(dòng)力汽車采用ISG型并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車具有怠速起停、純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、輕載時(shí)充電和高效制動(dòng)能量回收等功能，可實(shí)現(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整車參數(shù)如下:整備質(zhì)量為1 500kg，迎風(fēng)面積A=2.28m2，風(fēng)阻系數(shù) CD=0.34，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)475Q3，ISG電機(jī)最大功率為25kW，電池為NIHM288V、6.5A·h，輪胎半徑為0.31m，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.0135，傳動(dòng)效率η=0.9，主減速比i0=5.246 6，1～5擋速比為［2.693 2 1.519 6 1.015 6 0.737 3 0.609 4］。

本文中采用優(yōu)化混合動(dòng)力汽車的整車系統(tǒng)的方法，獲得混合動(dòng)力汽車不同行駛條件下，兩種動(dòng)力源的最優(yōu)工作區(qū)間，以達(dá)到提高混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。

1.2 混合動(dòng)力汽車最優(yōu)控制策略的建立

根據(jù)文獻(xiàn)［9］中提出的混合動(dòng)力汽車在各個(gè)工作模式下的系統(tǒng)效率優(yōu)化計(jì)算方法，得到驅(qū)動(dòng)工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)最佳效率控制目標(biāo)。與傳統(tǒng)汽車的系統(tǒng)優(yōu)化效率相比較，可以看出混合動(dòng)力系統(tǒng)明顯提高了汽車在高速和低速行駛時(shí)的整車效率，從而提高了汽車在高速和低速時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性。將工作效率在“車速-加速度”平面上進(jìn)行投影，得到任意車速、加速度下混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)工作模式切換規(guī)律，確定了ISG型混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工況下工作模式切換條件:發(fā)動(dòng)機(jī)充電曲線Te_chg(ne)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉曲線Te_off(ne)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩最大工作曲線Te_max(ne)。

根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式的切換規(guī)律可知，混合動(dòng)力汽車的工作模式受到電池荷電狀態(tài)(SOC)、發(fā)動(dòng)機(jī)充電曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉曲線的影響，即這3種因素決定了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出的不同匹配，從而影響混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.3 仿真分析

根據(jù)上述3種因素的影響程度，以混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)仿真軟件ADVISOR進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在給定的道路標(biāo)準(zhǔn)ECE_EUDC下，對(duì)不同動(dòng)力源匹配下的ISG型混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。

考慮電池等效油耗的計(jì)算方法，在不同條件下，得到電池電量ΔSOC折算后的綜合油耗變化關(guān)系，如圖2所示。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)XSOC=0.4，Xe_chg=0.9，Xe_off=0.4時(shí)，ISG型混合動(dòng)力汽車的油耗最小，其中，XSOC、Xe_chg、Xe_off分別代表 3 種因素的影響條件。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，將3種因素的影響條件重新帶入到仿真模型中，進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性仿真結(jié)果比較

由表1可見(jiàn)，采用優(yōu)化控制策略后的100km油耗比傳統(tǒng)汽車降低了34.8%;比ADVISOR中采用并聯(lián)型基線控制策略時(shí)降低了12.1%。同時(shí)，保證了混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性。

2 試驗(yàn)研究

臺(tái)架試驗(yàn)是驗(yàn)證混合動(dòng)力汽車控制策略有效性的重要測(cè)試方法，主要內(nèi)容包括控制策略可行性以及控制性能優(yōu)劣驗(yàn)證，以達(dá)到縮短樣車開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)成本的目的。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

本文中基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)［10］，硬件部分包括混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源、AMT變速器、制動(dòng)系統(tǒng)、加載裝置和數(shù)據(jù)采集機(jī)控制系統(tǒng)，將上述混合動(dòng)力汽車控制策略理論編寫(xiě)進(jìn)基于Matlab/Simulink的控制程序，并下載到dSPACE中，控制混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源按照能量管理策略分配功率流，試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

通過(guò)ISG型混合動(dòng)力AMT臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)本文中混合動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)工作模式進(jìn)行控制試驗(yàn)，并驗(yàn)證文獻(xiàn)［9］中所提出的控制策略。

本次臺(tái)架試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括:(1)ISG型混合動(dòng)力系統(tǒng)功能的驗(yàn)證與調(diào)試;(2)ISG型混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力總成的協(xié)調(diào)控制與調(diào)試;(3)ISG型混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式的控制與驗(yàn)證。

2.2 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括加速踏板和制動(dòng)踏板的控制，ECU、IPU和BCM通過(guò)CAN總線的控制，濕式多片離合器的PWM控制，AMT選換擋與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和制動(dòng)系統(tǒng)的控制等，其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.3 測(cè)控軟件

本試驗(yàn)中測(cè)控軟件包括dSAPCE的測(cè)控程序、數(shù)據(jù)采集程序和監(jiān)控程序。

利用dSPACE/ControlDesk虛擬測(cè)試平臺(tái)在筆記本電腦上開(kāi)發(fā)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示。監(jiān)控系統(tǒng)可以控制動(dòng)力源起停和工作模式，并完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存。

2.4 不同工況試驗(yàn)分析

(1)純電動(dòng)工況

根據(jù)控制策略理論，汽車在低速行駛時(shí)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高油耗高排放區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。因此輕踩加速踏板，混合動(dòng)力系統(tǒng)工作在純電動(dòng)工況下，該工況下的各個(gè)參數(shù)曲線如圖6所示。

根據(jù)上述混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略的分析，當(dāng)SOC(此時(shí) SOC值為0.42～0.55)大于 XSOC=0.4，且整車需求轉(zhuǎn)矩小于Xe_off所確定的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉轉(zhuǎn)矩時(shí)，混合動(dòng)力汽車在純電動(dòng)模式下工作，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩約為45N·m，12s以后轉(zhuǎn)矩增加到70N·m;隨著電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的增加，電流增加到45A。在整個(gè)過(guò)程中，電池SOC下降了0.09，根據(jù)電池等效油耗計(jì)算公式［11］，這部分電量折合油耗約為18g，低于傳統(tǒng)汽車所消耗的油耗22.92g(相同條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)作為唯一動(dòng)力源時(shí)完成該工況時(shí)測(cè)得的油耗)，此過(guò)程油耗降低了21.4%。

(2)行進(jìn)間起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)

隨著加速踏板行程的逐漸增大，車速增加到30km/h，連接發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的濕式多片離合器開(kāi)始接合，發(fā)動(dòng)機(jī)被電機(jī)迅速帶至1 900r/min左右，完成行進(jìn)間起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程，其間各參數(shù)的變化過(guò)程如圖7所示。

在3s時(shí)刻，電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)的車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速都發(fā)生了略微的突變。沖擊度為4.11m/s3，小于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10m/s3;為了維持行駛車速，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為120N·m(發(fā)動(dòng)機(jī)反拖轉(zhuǎn)矩為70N·m)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃之后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸減小，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩維持在50N·m上下，以維持行駛車速不變。在這個(gè)過(guò)程中，SOC下降了0.045，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的油耗約為2.735g，折算后總油耗為10.98g，比傳統(tǒng)汽車需消耗的油耗20.89g約減少一半。

(3)輕載充電工況

緩緩踩下加速踏板，初始車速為25km/h左右，加速度為0.631m/s2，且SOC(此時(shí)SOC值為0.435～0.38)小于XSOC=0.4時(shí)，處于輕載充電模式工作范圍，該過(guò)程中車速不高且加速度不大，通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率，ISG電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在NiMH蓄電池中。

各個(gè)參數(shù)曲線見(jiàn)圖8，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 600r/min時(shí)，電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)矩逐漸增大到35N·m，同時(shí)電池充電電流逐漸增大到14A;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 600r/min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。整個(gè)過(guò)程的油耗為17.6g，而電池SOC提高了0.036，經(jīng)折算相當(dāng)于儲(chǔ)存燃油6.413g，等效油耗為11.187g，比傳統(tǒng)汽車此過(guò)程的油耗15.34g降低了27%。

(4)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，快速踩下加速踏板，車速迅速上升到40km/h，電渦流測(cè)功機(jī)隨著車速的變化自動(dòng)進(jìn)行加載，以模擬汽車的行駛阻力。車速?gòu)?0km/h加速到40km/h，整個(gè)過(guò)程加速度維持在1.39m/s2，且SOC(此時(shí)SOC值在0.55～0.59之間)大于XSOC=0.4，處于聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式工作范圍，此時(shí)電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，在低速階段，ISG電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增大到20～30N·m，電池放電電流為15～18A，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化平緩，維持在80N·m左右。在中速(30km/h)階段，ISG電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩維持在30N·m左右，電池放電電流為22A，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為95N·m，這主要是由于通過(guò)AMT速比的調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作點(diǎn)接近整車系統(tǒng)效率較高的區(qū)間。在較高速階段，ISG電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸減小到15N·m，電池放電電流也逐漸減小到10A，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基本維持在90N·m左右。整個(gè)過(guò)程共耗時(shí)5s，油耗為8.704g，電池 SOC下降了0.038，相當(dāng)于消耗燃油6.963g，綜合油耗15.667g，比傳統(tǒng)汽車油耗26.533g，降低了40.9%。

(5)不同工況試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合各個(gè)工況的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。由表可見(jiàn)，按4種工況總油耗的比較，采用所提出控制策略的混合動(dòng)力汽車，油耗比傳統(tǒng)汽車下降約34.8%。

表2 各個(gè)運(yùn)行工況試驗(yàn)結(jié)果

2.5 基于道路循環(huán)工況數(shù)據(jù)試驗(yàn)分析

將ECE_EUDC道路循環(huán)工況數(shù)據(jù)下載到dSPACE中，測(cè)試在整個(gè)道路循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以及油耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖10所示。

基于道路循環(huán)工況數(shù)據(jù)測(cè)試得到的混合動(dòng)力汽車油耗、ΔSOC和電能消耗如表3所示。由仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，采用基于效率優(yōu)先的混合動(dòng)力汽車控制策略方法，有利于提高混合動(dòng)力汽車整車效率，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。仿真中未考慮能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損失，以及各個(gè)動(dòng)力部件采用靜態(tài)效率近似代替動(dòng)態(tài)效率，因此，試驗(yàn)結(jié)果有一定偏差。另外，試驗(yàn)過(guò)程中受到人、環(huán)境的影響，試驗(yàn)獲得的油耗高于仿真中的油耗。但從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用本文所提出的控制策略充分利用電能，燃油消耗比傳統(tǒng)汽車更少，能更好地提高整車效率，發(fā)揮混合動(dòng)力汽車的潛能。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，搭建混合動(dòng)力AMT臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，對(duì)ISG型混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)工況控制策略開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)文獻(xiàn)［9］的仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，盡管由于仿真中的簡(jiǎn)化，忽略了某些因素，導(dǎo)致按ECE_EUDC道路循環(huán)工況的油耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果有較大的誤差，但從4種工況的試驗(yàn)結(jié)果看，較好地驗(yàn)證了該控制策略的節(jié)油效果，平均油耗約比傳統(tǒng)汽車降低了35%。

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