周　祥，宋　璐，付主木，宋書中

(1.河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽　471023； 2.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽　471023)

?

ISG-FHEV等效燃油消耗最小控制策略

周祥1，宋璐1，付主木2，宋書中2

(1.河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽471023； 2.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽471023)

為了有效提高ISG重度混合動力汽車(full hybrid electric vehicle assisted by an integrated starter generator，ISG-FHEV)發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率以及整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計了一種等效燃油消耗最小控制策略(equivalent consumption minimization strategy，ECMS);在分析ISG-FHEV功率分流模式的基礎(chǔ)上，同時考慮發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率，構(gòu)建出包含發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率分配、ISG電機(jī)和主電機(jī)間的功率分配兩個控制變量的整車等效燃油消耗最小目標(biāo)函數(shù);引入龐特里亞金極小值原理(pontryagin’s minimum principle，PMP)并加入電池SOC偏差控制確定等效因子;最后，進(jìn)行了仿真和對比分析;結(jié)果表明，與基于規(guī)則的控制策略相比，發(fā)動機(jī)效率提高9%，ISG電機(jī)和主電機(jī)總效率提高11.4%，百公里耗油量降低9.98%。

混合動力汽車；燃油經(jīng)濟(jì)性；等效因子；等效燃油消耗最小策略

0　引言

ISG(integrated starter generator)型混合動力汽車用ISG電機(jī)代替原起動機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的快速啟停，同時具有輔助發(fā)電功能，ISG技術(shù)近年來已成為國內(nèi)外汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)[1]。

目前對ISG混合動力汽車的研究主要集中在輕中度結(jié)構(gòu)上[2-3]，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)快速啟動和純電動模式，但存在發(fā)動機(jī)輸出能量損失較大和沒有考慮ISG電機(jī)工作效率等不足。ISG重度混合動力汽車(ISG-FHEV)采用ISG電機(jī)和主電機(jī)兩個電機(jī)，提供更大功率的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，有效解決了上述不足，同時具有輕中度結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是極具潛力的混合動力汽車結(jié)構(gòu)[4]。

國內(nèi)外對于ISG-FHEV的研究主要是針對特定驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的控制策略。ADHIKARI等[5]以提高發(fā)動機(jī)輸出效率為目的，提出了一種復(fù)合式ISG-FHEV在線能量平衡控制策略。秦大同等[6]針對采用離合器和行星排作為動力耦合機(jī)構(gòu)的重度混合動力汽車，提出離合器模糊控制和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的補(bǔ)償控制。上述研究方法以發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性為重點(diǎn)，對于電機(jī)電能的經(jīng)濟(jì)性考慮較少，這樣保證機(jī)械效率最優(yōu)，不能獲得電效率最優(yōu)。PAGANELLI等[7]率先提出了基于等效燃油消耗最小策略的瞬時優(yōu)化控制策略，考慮了油電轉(zhuǎn)換效率，本質(zhì)上包含了整車動力系統(tǒng)的效率問題，目前在混合動力汽車能量管理控制策略領(lǐng)域得到了普遍的認(rèn)可[8-9]。林歆悠[10]等構(gòu)建發(fā)動機(jī)與電池間的功率分配，采用等效燃油消耗最小控制策略進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化。楊陽等[11]制定了電荷消耗型和電荷增長型兩種不同的驅(qū)動方案，并以瞬時系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)制定了整車等效燃油消耗控制策略，使整車燃油經(jīng)濟(jì)性得到很大的提高。

基于此，本文針對ISG-FHEV，綜合考慮發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率，提出了一種新的確定油電轉(zhuǎn)換等效因子的方法，設(shè)計了一種含兩個變量的等效燃油消耗最小控制策略，最后在MATLAB/ADVISOR環(huán)境下進(jìn)行了仿真與對比分析。

1　ISG-FHEV動力總成結(jié)構(gòu)及模式分析

1.1ISG-FHEV動力總成結(jié)構(gòu)

本文擬采用發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)、主電機(jī)和3個離合器相結(jié)合的ISG-FHEV，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ISG-FHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該混合動力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上將ISG電機(jī)和發(fā)動機(jī)放在一個傳動輸出軸上，兩者之間采用單軸并聯(lián)式連接結(jié)構(gòu)。增設(shè)了分流器總成和相應(yīng)的離合器，不僅能使ISG電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的快速起停、發(fā)電和輔助發(fā)動機(jī)驅(qū)動，而且還具有單獨(dú)驅(qū)動、輔助主電機(jī)驅(qū)動等功能，可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式的切換。

1.2模式分析

上述ISG-FHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的分流器總成主要起到兩個作用，首先是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)之間的功率分配，其次是實(shí)現(xiàn)ISG電機(jī)和主電機(jī)之間的電功率分配。假設(shè)離合器閉合時不發(fā)生功率損耗，則ISG-FHEV驅(qū)動系統(tǒng)下功率分流模式包含4種情況。

1)行車充電模式：離合器Ⅰ、Ⅱ閉合，Ⅲ分離。發(fā)動機(jī)將多余的輸出功率經(jīng)ISG電機(jī)、電機(jī)控制器向電池充電。其功率分流如下：

(1)

式中，Preq為整車的需求功率，Peng為發(fā)動機(jī)輸出功率，Pbat為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率，Pisg為ISG電機(jī)輸出功率。

2)發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式：離合器Ⅰ閉合，Ⅱ、Ⅲ分離。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不參與整車驅(qū)動。其功率分流如下：

(2)

3)混合驅(qū)動模式：離合器Ⅰ閉合，Ⅱ、Ⅲ的分離和閉合由分流器總成決定。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括主電機(jī)驅(qū)動和ISG電機(jī)驅(qū)動。如果離合器Ⅲ分離，發(fā)動機(jī)與ISG電機(jī)混合驅(qū)動車輛；如果離合器Ⅱ、Ⅲ閉合，發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)和主電機(jī)全混合驅(qū)動；如果離合器Ⅱ分離，發(fā)動機(jī)與主電機(jī)混合驅(qū)動。其功率分流如下：

(3)

式中，Pemg為主電機(jī)輸出功率。

4)純電動模式：離合器Ⅰ分離，Ⅱ、Ⅲ的離合狀態(tài)同混和驅(qū)動模式下相同，由分流器總成決定。發(fā)動機(jī)不參與整車驅(qū)動。其功率分流如下：

(4)

上述功率分流方式通過分流器總成來實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)計相應(yīng)的能量管理控制策略實(shí)現(xiàn)混合動力汽車工作模式切換的同時分配該模式下的發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)和主電機(jī)的最優(yōu)功率，從而實(shí)現(xiàn)整車的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性。

2　等效燃油消耗最小控制策略

對于電量維持型混合動力汽車而言，電池只是作為一個能量緩沖器，消耗的電池電能需要在車輛未來的行駛中由發(fā)動機(jī)多消耗一定量的燃油進(jìn)行補(bǔ)償，需要建立所消耗電池電能與補(bǔ)償所需燃油的等效關(guān)系。其中恒定的等效因子s只適用于特定的驅(qū)動工況，實(shí)際使用時還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況做出相應(yīng)調(diào)整，避免實(shí)際工況與預(yù)設(shè)循工況相差較大時等效燃油消耗量計算誤差太大等不足。

2.1整車等效燃油消耗分析

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)和主電機(jī)的功率最優(yōu)分配，這里定義兩個變量α和β，其中α來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)之間的模式切換，β來實(shí)現(xiàn)主電機(jī)驅(qū)動和ISG電機(jī)驅(qū)動之間的模式切換，定義如下

(5)

(6)

由于兩個控制變量α和β均和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率Pbat有直接關(guān)系，并且ISG電機(jī)和主電機(jī)所消耗的電能均來自于電池，兩者消耗的電池電能可等效為發(fā)動機(jī)的燃油消耗。因此，為使控制簡單，后文采用等效燃油消耗思想，將上述兩個控制變量轉(zhuǎn)化為一個控制變量。

目標(biāo)函數(shù)為任意時刻的整車燃油消耗率：

(7)

(8)

(9)

其約束條件為：

在約束條件下，以整車等效燃油消耗量最小值Jmin為控制目標(biāo)，以電池功率Pbat為控制變量，結(jié)合發(fā)動機(jī)的高效運(yùn)行曲線圖，通過目標(biāo)函數(shù)求得最小等效燃油消耗量Jmin及其所對應(yīng)的電池功率Pbat。由式(5)可求出α，從而確定出發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率分配，但通過式(6)不能直接確定β，還需要利用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的最高效率。其中電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)總效率為：

(10)

根據(jù)功率平衡，由式(6)得ISG電機(jī)輸出的功率為：

(11)

將式(6)和(11)代入到(10)中，可求出電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的最高效率

(12)

由上述分析可以看出，通過等效燃油消耗最小控制策略求出兩個控制變量α和β的值，可以實(shí)現(xiàn)工作模式的切換以及每一時刻發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)和主電機(jī)三者之間的功率最優(yōu)分配。

1) 當(dāng)α<0時為行車充電模式；

2) 當(dāng)α=0時為發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式；

3) 當(dāng)0<α<1且β=0時為發(fā)動機(jī)與ISG電機(jī)混合驅(qū)動模式；

4) 當(dāng)0<α<1且0<β<1時為三者混合驅(qū)動模式；

5) 當(dāng)0<α<1且β=1時為發(fā)動機(jī)與主電機(jī)混合驅(qū)動模式；

6) 當(dāng)α=1且β=0時為ISG電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式；

7) 當(dāng)α=1且0<β<1時為雙電機(jī)混合驅(qū)動模式；

8) 當(dāng)α=1且β=1時為主電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式。

2.2等效因子的確定

等效因子s將發(fā)動機(jī)燃油消耗和電池電能等效燃油消耗統(tǒng)一起來，它的確定是等效燃油消耗最小策略的核心。如果等效因子s太大，則汽車在行駛中將不傾向于使用電池電能，會導(dǎo)致油耗增加；反之，汽車行使中過于傾向使用電池電能，導(dǎo)致電池SOC下降過快。

最優(yōu)的等效因子s每一時刻都由電池SOC決定，這里用電池動態(tài)方程表征整車系統(tǒng)狀態(tài)變化，引入龐特里亞金極小值原理推導(dǎo)等效因子s。根據(jù)電池SOC的定義，電池SOC動態(tài)變化ξ(t)的表達(dá)式為：

(13)

式中,I(t)為電池中的電流，Qbat為電池容量。

引入龐特里亞金極小值原理，取式(13)的哈密頓函數(shù)為：

(14)

式中，λ為協(xié)態(tài)變量。

由于Ebat=QbatVbat，Pbat(t)=VbatI(t)，結(jié)合式(7)、(8)和(14)則推導(dǎo)出等效因子s和協(xié)態(tài)變量λ的關(guān)系

(15)

式中,Ebat為電池總能量，Vbat為電池電壓。

這里可以由協(xié)態(tài)變量λ計算出等效因子s，而協(xié)態(tài)變量λ的最優(yōu)值依賴于未來的電能需求，是未來驅(qū)動條件和電池SOC當(dāng)前值的函數(shù)。根據(jù)全局優(yōu)化控制策略，最優(yōu)協(xié)態(tài)變量只能使用完整的行程信息獲得，由于不確定的未來電能需求，只能使用局部信息得出一個估計值，這將不可避免地產(chǎn)生誤差并導(dǎo)致電池SOC從它的邊界限制的發(fā)散，得到的只是次優(yōu)控制。所以這里定義包含電池SOC偏差懲罰在內(nèi)的整車能量消耗最優(yōu)成本函數(shù)為：

(16)

結(jié)合式(14)和(16)，根據(jù)哈密頓-雅克比-貝爾曼方程，最優(yōu)協(xié)態(tài)變量λref是最優(yōu)成本函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，則協(xié)態(tài)變量為：

(17)

將式(17)代入(15)可得到等效因子s關(guān)于電池SOC隨時間變化的表達(dá)式：

(18)

此時，等效因子s的初始值s0為：

(19)

上述懲罰函數(shù)是一個非線性函數(shù)，用來試探性地懲罰電池SOC的實(shí)際值和參考值之間的偏差，使其接近于參考值，以自適應(yīng)調(diào)整等效因子s，得到理想的最小等效燃油消耗。本文采用懲罰函數(shù)后將等效因子s的表達(dá)式改寫為：

(20)

懲罰函數(shù)的形狀可以通過參數(shù)l1和l2進(jìn)行調(diào)整，使電池SOC控制在合理的范圍內(nèi)，并保證電池SOC的初始值和最終值相同。

由上述分析可知，等效因子初始值s0是固定的，它對某一工況得到的燃油消耗可能是最小的；但對于變化的工況，固定的s0就無法時刻保證等效燃油消耗最小。研究表明，等效因子初始最優(yōu)值sref的軌跡與SOCref一致[12]，而SOCref與汽車當(dāng)前工況相關(guān)，那么引入sref就能很好地適應(yīng)變化的工況。所以在此基礎(chǔ)上，針對等效因子初始值s0，加入關(guān)于電池SOC參考值SOCref的PI控制，得到等效因子初始最優(yōu)值sref的表達(dá)式：

KI∫(SOCref-SOC(t))dt

(21)

則等效因子s關(guān)于電池SOC隨時間變化的表達(dá)式改寫為：

(22)

此時將電池的SOC納入到等效因子的計算中，對工況的變化的適應(yīng)性更強(qiáng)，從而在獲得良好的整車燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，也能將電池的SOC值維持在良好的范圍內(nèi)。根據(jù)最小等效燃油消耗量Jmin得出所對應(yīng)的電池功率Pbat(t)，以期實(shí)現(xiàn)每一時刻發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)和主電機(jī)三者之間的功率最優(yōu)分配。

3　仿真及對比分析

本文在保證動力性的前提下，對所設(shè)計的一種基于ISG-FHEV的等效燃油消耗最小策略與基于規(guī)則的控制策略下的整車仿真模型在MATLAB/ADVISOR環(huán)境下進(jìn)行了仿真及對比分析。仿真所用汽車的主要部件參數(shù)如表1所示。

表1　汽車主要部件參數(shù)

在NEDC路況下驗(yàn)證ISG-FHEV的發(fā)動機(jī)效率、電機(jī)效率和電池SOC變化。NEDC路況如圖3所示。

圖3　NEDC路況

NEDC路況下電池SOC變化曲線如圖4所示。這里取電池SOC初值為0.7，從圖4(a)和(b)可以看出，采用等效燃油消耗最小策略后，電池SOC最終值接近于初始值，并且保證電池SOC在小范圍內(nèi)變化。而采用基于規(guī)則控制策略后，電池SOC變化曲線呈波浪線快速下降趨勢，電池?fù)p耗增加，不利于電池的長期使用。

圖4　NEDC路況下電池SOC曲線

圖5和圖6分別為NEDC路況下兩種控制策略的主電機(jī)和發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)。對圖5(a)和(b)的比較可以看出，采用等效燃油消耗最小控制策略后，主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為正時，低速段效率為75%以上，高速段在85%～90%左右，主電機(jī)效率很高。而基于規(guī)則控制策略的主電機(jī)工作點(diǎn)大部分集中在低轉(zhuǎn)矩附近，主電機(jī)的輸出效率降低。從圖6發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)可以看出，采用基于規(guī)則控制策略下的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)非常分散，許多工作點(diǎn)在高效運(yùn)行區(qū)外，并有部分工作點(diǎn)在發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩曲線上，發(fā)動機(jī)輸出效率很低。而采用等效燃油消耗最小控制策略后，發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)曲線上，發(fā)動機(jī)效率得到很大的提高。

圖5　NEDC路況下主電機(jī)工作點(diǎn)

仿真統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表可知，采用等效燃油消耗最小策略后，實(shí)現(xiàn)了電池SOC初始值和最終值相同，保證電池SOC在小范圍內(nèi)變化，并且其燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動機(jī)效率、電機(jī)效率和電池的充放電效率均有明顯提高。

表2　仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比

圖6　NEDC路況下發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)

4　結(jié)論

本文通過對ISG-FHEV進(jìn)行等效燃油消耗分析，設(shè)計了一種包含發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率分配、ISG電機(jī)和主電機(jī)間的功率分配兩個控制變量的等效燃油消耗最小策略，并進(jìn)行了仿真和對比分析。結(jié)果表明，采用等效燃油消耗最小策略后，與基于規(guī)則的控制策略相比，ISG-FHEV的發(fā)動機(jī)效率提高了9%，電機(jī)總效率提高了11.4%，百公里耗油量降低了9.98%，節(jié)能效果明顯。

[1] 歐陽明高. 我國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略與對策[J]. 汽車工程,2006,28(4): 317-321.

[2] 張曉偉,孫逢春,邢杰,等. 基于CAN總線的混合動力汽車監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J]. 計算機(jī)測量與控制,2011,19(10): 2427-2429.

[3] 秦大同,葉心,胡明輝,等. ISG型中度混合動力汽車驅(qū)動工況控制策略優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程學(xué)報,2010,46(12): 86-92.

[4] 秦大同,隗寒冰,段志輝,等. 重度混合動力汽車油耗和排放多目標(biāo)實(shí)時最優(yōu)控制[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,48(6):83-89.

[5] Adhikari S,Halgamuge S,Watson H C. An online power-balancing strategy for a parallel hybrid electric vehicle assisted by an integrated starter generator[J]. IEEE Vehicular Technology Society,2010,59(6): 2689-2699.

[6] 秦大同,劉東陽,杜波,等.重度混合動力汽車驅(qū)動模式切換動力源轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制[J].公路交通科技,2012,29(7): 151-158.

[7] Paganelli G,Delprat S,Guerra T M,et al. Equivalent consumption minimization strategy for parallel hybrid power trains[A]. Proceedings of the 2002 Vehicle Technology Conference[C].2002：2076-2081.

[8] Jihun H,Youngjin P,Dongsuk K. Optimal adaptation of equivalent factor of equivalent consumption minimization strategy for fuel cell hybrid electric vehicles under active state inequality constraints[J]. Journal of Power Sources,2014,267(1): 491-502.

[9] Sciarretta A,Serrao L,Dewangan P C. A control benchmark on the energy management of a plug-in hybrid electric vehicle[J].Control Engineering Practice,2014(29): 287-298.

[10] 林歆悠,孫冬野. 基于ECMS混聯(lián)式混合動力客車工況識別控制策略[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,39(10): 43-49.

[11] 楊陽,鞏慧,秦大同,等. 基于效率優(yōu)化的CVT重混汽車驅(qū)動控制策略[J].中國公路學(xué)報,2014,27(3): 108-115,121.

[12] Sciarretta A,Back M,Guzzella L. Optimal control of parallel hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2004,12(3): 352-363.

Equivalent Consumption Minimization Strategy for Full Hybrid Electric Vehicle Assisted by an Integrated Starter Generator

Zhou Xiang1，Song Lu1，F(xiàn)u Zhumu2，Song Shuzhong2

(1.College of Electronic Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang471023,China；2.College of Information Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang471023,China)

In order to effectively improve the drive efficiency of the engine and motor and the whole vehicle fuel economy for Full hybrid electric vehicle assisted by an Integrated Starter Generator (ISG-FHEV),this paper designed an equivalent consumption minimization strategy (ECMS). Considering the engine and the motor drive system efficiency based on the analysis of ISG-FHEV power split mode,the equivalent fuel consumption minimization objective function containing two control variables which are power distribution between the engine and motor drive system and the ISG motor and the main motor was constructed. By introducing Pontryagin’s Minimum Principle (PMP) and the deviation control of battery state of charge (SOC) to determine the equivalent factor. Finally,we carried on the simulation and comparative analysis. The simulation results show that engine efficiency increases 9%,total motor efficiency is up 11.4%,fuel consumption to travel 100 km decreases 9.98% compared with the Rule-based control strategy.

hybrid electric vehicle; fuel economy; equivalent factor；equivalent consumption minimization strategy

1671-4598(2016)04-0083-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.025

TP391.9

A

2015-10-27；

2015-11-17。

國家自然科學(xué)基金資助(61473115，51375145)；河南省科技創(chuàng)新人才杰出青年計劃資助(144100510004)；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計劃資助(13HASTIT038)。

周祥(1991-)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事混合動力汽車控制策略的研究。

宋書中(1961-)，男，河南濟(jì)源人，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事混合動力汽車控制策略的研究。