趙娜，吳祥超

（長安大學，陜西 西安 710064）

多能源動力總成管理系統(tǒng)仿真分析

趙娜，吳祥超

（長安大學，陜西 西安 710064）

多能源動力總成管理系統(tǒng)是混合動力汽車最為核心的技術。本文分析了多能源動力總成管理系統(tǒng)中的各個子模型。根據(jù)加速踏板位置信號，電池的狀態(tài)以及發(fā)動機、發(fā)電機、電動機三者的轉(zhuǎn)速，通過該系統(tǒng)的控制策略，將動力進行合理的匹配，最后得到了發(fā)動機的節(jié)氣門信號，電動機和發(fā)電機的參考轉(zhuǎn)矩。再將這些輸出信號輸入到發(fā)動機模型和電力驅(qū)動模型中，實現(xiàn)對發(fā)動機，發(fā)電機和電動機的合理控制。

混合動力汽車；多能源動力總成管理系統(tǒng)；電池管理

CLC NO.:U461.1 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2015)05-80-04

前言

混合動力汽車是介于內(nèi)燃機和電動汽車之間的一種車型，它繼承了電動汽車低排放的優(yōu)點，又發(fā)揚了石油燃料高的比能量和比功率的長處，顯著改善了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的排放性能和燃油經(jīng)濟性，增加了電動汽車的續(xù)駛里程，對于中國這樣一個貧油和污染較嚴重的國家來說具有相當重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。

多能源動力總成管理系統(tǒng)負責處理整車的能量管理和動力分配策略，協(xié)調(diào)控制各總成部件，是混合動力汽車最為核心的技術?？刂葡到y(tǒng)能夠在各種工況下解析駕駛員的操作意圖，計算出車輛行駛的需求轉(zhuǎn)矩，并將其最優(yōu)化地分配到各個動力驅(qū)動裝置，以獲得更好的燃油經(jīng)濟性和更低的排放。運行過程中控制系統(tǒng)不斷的優(yōu)化整車的能量分配，使混合動力汽車在不同的工作模式之間進行切換，并回收減速或制動時的能量，從而使整車獲得最佳的性能。在本文所研究的模型中，多能源管理系統(tǒng)將加速踏板的位置，發(fā)動機，發(fā)電機以及電動機的速度，還有電池的狀態(tài)（電壓和荷電狀態(tài)）作為輸入信號，通過一系列控制，最終得到的輸出信號是電動機和發(fā)電機的參考轉(zhuǎn)矩以及節(jié)氣門的信號。通過多能源動力總成管理系統(tǒng)得到的輸出信號再分別輸入到發(fā)動機模型，發(fā)電機和電動機組合而成的電力驅(qū)動模型中去，可以實現(xiàn)對三者的控制。從而根據(jù)汽車的需求將動力進行合理的匹配，使汽車運行在最佳狀態(tài)。

1、電池管理系統(tǒng)

作為混合動力汽車的一個主要動力源，電池管理系統(tǒng)起著十分重要的作用。無論是發(fā)電機還是電動機，都離不開電池的參與。電池在混合動力汽車中還起到了能量緩沖的作用，在一定的條件下通過充電的方式將電能進行儲存，而在車輛需要電動機發(fā)出功率時再將能量輸出。

在該電池管理模型中，主要是對電池SOC（電池的荷電狀態(tài)）工作范圍進行了設定，這樣做的目的是為了防止電池進行過度的充，放電，從而對電池的壽命起到了保護作用。在此模型中，我們將范圍限定在了40%到80%之間，設定電池的初始電量為41.53%，利用一個觸發(fā)器對電池進行控制，從而得到電池的充電功率。

具體的控制策略為：當電池的電量低于 40%時，電池需要充電，而電池的額定功率為 21Kw,因此電池進行充電直至-21Kw。但只要電池電量還未達到80%時，電池一直保持充電狀態(tài)。當電量大于 80%，電池停止充電。由示波器得到電池的電量波形圖為圖1所示。

2、汽車所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動功率

2.1 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

汽車在行駛過程中的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩主要由加速踏板的位置以及電動機的轉(zhuǎn)速得出。汽車的最大轉(zhuǎn)矩是 400N·M,將加速踏板的為位置與之相乘則可得到汽車所需轉(zhuǎn)矩，但是這個轉(zhuǎn)矩有一個限定范圍，而該范圍則是由電動機的轉(zhuǎn)速來決定的。在這里，電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩有一定的函數(shù)關系，通過這個插值函數(shù)，可得到轉(zhuǎn)矩范圍，插值函數(shù)如圖2所示。

在該坐標圖中，橫坐標代表的是電動機轉(zhuǎn)速，縱坐標代表的是轉(zhuǎn)矩。所以，根據(jù)加速踏板的位置所求出來的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩若在范圍內(nèi)，就為汽車所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，若在范圍外，則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為該限定范圍的上極限值或是下極限值。

2.2 驅(qū)動功率

因為無論是純電驅(qū)動，純發(fā)動機驅(qū)動還是混合驅(qū)動，最終都需要通過電動機進行驅(qū)動，所以根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關系，汽車行駛所需要的驅(qū)動功率為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電動機轉(zhuǎn)速的乘積。

3、混合動力管理系統(tǒng)

3.1 混合動力使能信號

混合動力汽車，顧名思義就是汽車有兩個或兩個以上個動力源，根據(jù)條件的不同，在汽車行駛時可以是單個動力源獨立驅(qū)動，也可以是多個動力源混合驅(qū)動。那么，在何時汽車應該進行混合驅(qū)動就成了控制的關鍵?；旌蟿恿κ鼓苄盘柧褪怯脕砜刂破囋谑裁磿r候開始混合，又是在什么時候停止混合的。在本文中，假定汽車沒有混合時，信號輸出為0，而汽車混合時，輸出信號為1。

在該混合動力汽車的模型中，使能信號是由驅(qū)動功率的參考值與電池的充電功率決定的。控制混合使能信號的模型如圖3所示。

通過對控制模塊的分析得知，對于混合動力信號的最終實現(xiàn)，驅(qū)動功率的參考值與充電功率是“或”的邏輯關系。也就是說，當驅(qū)動功率的參考值大于設定的12Kw時，這時僅僅靠純電驅(qū)動已經(jīng)不足以滿足汽車行駛的需求了。所以，要開啟混合動力模式；“或”當電池的充電功率不等于0時，混合動力也要開啟。這是因為由上文中分析的電池管理模塊可得知，當電池的 SOC低于40%時，為了防止電池的過度放電，電池需要充電。所以，這個條件可以轉(zhuǎn)化為當電池的SOC低于40%時，混合動力開啟。那么，反過來，混合動力關閉的條件為當驅(qū)動功率的參考值大于12KW“且”電池的SOC大于等于40%。

3.2 發(fā)動機參考轉(zhuǎn)速

之所以要求出發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)速，是為求解后面發(fā)電機的參考轉(zhuǎn)矩，電動機的參考轉(zhuǎn)矩等量作鋪墊。根據(jù)圖4所示的控制模型，我們可以得出發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)速。

要求發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)速，首先要知道發(fā)動機的參考功率。由模型可得：P*ICE= ，從這個式子也可說明，當電池處于未充電狀態(tài)時，發(fā)動機的參考功率就是汽車驅(qū)動功率的參考值；當電池處于充電狀態(tài)時，由于充電功率為負值，所以實際上是將驅(qū)動功率的值與電池充電的功率值相加，說明了此時只由發(fā)動機純驅(qū)動，發(fā)動機發(fā)出的功率一部分直接驅(qū)動汽車，另一部分則通過發(fā)電機給電池充電。所要求的發(fā)動機參考轉(zhuǎn)速與發(fā)動機參考功率間存在著一定的函數(shù)關系，于是通過插值函數(shù)模塊，我們可得到發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)速，插值函數(shù)見圖5。

該坐標圖中，橫坐標代表參考功率，縱坐標代表的是參考轉(zhuǎn)速。由該插值函數(shù)得到的參考轉(zhuǎn)速還要再乘以AccelGain=1.1，然后判斷得到的值是否在750~5000rpm之間，若在，則輸出值為發(fā)動機參考轉(zhuǎn)速；若低于 750rpm，則為750rpm；若高于5000rpm，則為5000rpm。

3.3 發(fā)電機參考轉(zhuǎn)矩

（1）發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)矩

該模塊被用來計算ICE所需要的轉(zhuǎn)矩，并且它還被用來在混合動力關閉時，計算使ICE停止所需要的轉(zhuǎn)矩。具體模型見圖6。

我們可以看到控制發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)矩有三條支路:第一條支路是與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速相關的。根據(jù)設定的值，我們發(fā)現(xiàn)：當發(fā)電機的速度<200rad/s時，該支路輸出信號為0，發(fā)動機是不輸出轉(zhuǎn)矩的，當發(fā)電機速度>300rad/s時，該支路輸出信號為1，發(fā)動機才有轉(zhuǎn)矩輸出。

第二條支路是用來求解發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)矩的，即把發(fā)動機的參考功率除以參考速度。在這條支路中，我們采用了采樣與保持模塊來進行控制。即當使能信號一開始為0時，轉(zhuǎn)矩輸出為0；當使能信號為1時，輸出計算出的轉(zhuǎn)矩；在這以后，當使能信號又為0時，那么使發(fā)動機停止的轉(zhuǎn)矩則保持上一時間段內(nèi)使能信號為1時的轉(zhuǎn)矩值。

第三條支路用來對發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)矩進行修正，其值在0—1之間。

這三條支路的乘積就是發(fā)動機的參考轉(zhuǎn)矩T*ICE。為了驗證以上三條支路，我們將發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出信號，使能信號和發(fā)動機參考轉(zhuǎn)矩放在一張圖上進行說明，見圖7。

在圖7中，藍色代表轉(zhuǎn)矩，紅色代表發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出信號，綠色代表使能信號。我們可以看到，只有當紅線為1時，發(fā)動機才有轉(zhuǎn)矩輸出，當紅線為0時，發(fā)動機不輸出轉(zhuǎn)矩。

（2）發(fā)電機的參考轉(zhuǎn)矩

由行星齒輪機構可得知，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩是存在一定的比例關系的。在這個模型中也可以得到驗證，見圖8。

3.4 電池的可利用功率

該模型主要是對電池在充電和不充電時刻所利用的功率進行輸出，同時還輸出了發(fā)動機功率的參考值和測量值。見圖9。

（1）電池可得功率

當電池充電功率為0時，電池可得功率為發(fā)動機功率的參考值與測量值之差。即Baterry Power=P*ICE-P_ICE。因為當電池充電功率為0時，發(fā)動機的參考功率等于汽車的驅(qū)動功率，而汽車此時由發(fā)動機和電池共同驅(qū)動，所以電池的功率為驅(qū)動功率減去發(fā)動機的測量功率，即P*ICE-P_ICE。當電池在充電時，電池功率為充電功率。

（2）發(fā)動機功率（參考值，測量值）

發(fā)動機功率的參考值在上文我們已經(jīng)求出了，但是當P*ICE<11Kw時，發(fā)動機不輸出參考功率；只有當 P*ICE >12Kw時，才輸出功率參考值。

發(fā)動機功率的測量值就是將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的測量值相乘。

3.5 電動機的參考轉(zhuǎn)矩

電動機參考轉(zhuǎn)矩的輸出是由電動機的轉(zhuǎn)速控制的。其模型圖見圖10。

當電動機轉(zhuǎn)速<100rpm時，此時汽車處于純電動驅(qū)動模式，電動機的參考轉(zhuǎn)矩輸出為汽車的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；當電動機轉(zhuǎn)速>200rpm時，電動機的參考轉(zhuǎn)矩為電動機的參考功率除以電動機的轉(zhuǎn)速。我們知道，電動機的所有電能來自于發(fā)電機和電池，所以電動機的參考功率為發(fā)電機參考功率與電池功率之和。因此，對應于不同的電動機轉(zhuǎn)速，電動機的參考轉(zhuǎn)矩有不同的輸出。

4、結論

本文對多能源動力總成管理系統(tǒng)中的各個子模型進行了詳細地分析。根據(jù)加速踏板位置信號，電池的狀態(tài)以及發(fā)動機，發(fā)電機，電動機三者的轉(zhuǎn)速，通過該系統(tǒng)的控制策略，將動力進行合理的匹配，最后得到了發(fā)動機的節(jié)氣門信號，電動機和發(fā)電機的參考轉(zhuǎn)矩。再將這些輸出信號輸入到發(fā)動機模型和電力驅(qū)動模型中，實現(xiàn)對發(fā)動機，發(fā)電機和電動機的合理控制。

[1] 康龍云. 新能源汽車與電力電子技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2011: 50—54.

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[4] 燕來滎. 混合動力汽車技術開發(fā)正當時[J]. 客車技術， 2005，(2)： 25-26.

Powertrain management system simulation analysis

Zhao Na, Wu Xiangchao
( Chang 'an university, Shaan xi Xi’an 710064 )

Multi-energy powertrain management system is the most core technology of hybrid electric vehicle. This paper analyzes various sub-models in the multi-energy powertrain management system. According to the accelerator pedal position signal, the state of the battery and rotate speed of the engine, the generator, the electric motor, through control strategy of the system, distribute the power reasonably, and finally get the throttle signal of the engine and the reference torque of electric motors and generators. Then input these output signals to the engine model and the electric drive model, realize to control the engines, generators and motors reasonably.

Hybrid Electric Vehicle; Multi-energy powertrain Management System; Battery Management

U461.1

B

1671-7988(2015)05-80-04

趙娜，長安大學，陜西省西安市碑林區(qū)南二環(huán)中段長安大學校本部。