項昌樂， 吳 洋， 王偉達， 劉 輝， 馬文杰

(1.北京理工大學 機械與車輛學院,北京100081；2.車輛傳動國家重點實驗室(北京理工大學),北京100081;3.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司科研所, 內(nèi)蒙古 包頭，140032)

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雙模式機電復合傳動系統(tǒng)電功率協(xié)調(diào)控制策略

項昌樂1,2， 吳 洋1， 王偉達1,2， 劉 輝1,2， 馬文杰3

(1.北京理工大學 機械與車輛學院,北京100081；2.車輛傳動國家重點實驗室(北京理工大學),北京100081;3.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司科研所, 內(nèi)蒙古 包頭，140032)

為提高重型車輛用功率分流式混合動力系統(tǒng)機電功率流調(diào)控精度,解決外界用電需求的動態(tài)控制問題，提出電功率協(xié)調(diào)控制策略.該策略利用電機快速響應(yīng)和精確控制的特點，通過對發(fā)電機和電動機的閉環(huán)協(xié)調(diào)控制，調(diào)整二者的工作狀態(tài)，保證動力源功率分配的精確性以及對外供電的穩(wěn)定性.仿真結(jié)果表明，提出的協(xié)調(diào)控制策略能夠使電池實際功率時刻跟隨其目標值，并且在外界有用電需求時，確保系統(tǒng)快速調(diào)整出相應(yīng)的電功率以供使用，較好地解決了機電復合傳動系統(tǒng)機電功率分配的精確性問題以及對外供電功率響應(yīng)的復雜動態(tài)控制問題.

雙模式機電復合傳動；電功率協(xié)調(diào)控制；能量管理優(yōu)化；功率精確分配；穩(wěn)定供電

雙模式機電復合傳動系統(tǒng)是混聯(lián)式混合動力汽車的一種重要形式.它通過切換動力耦合機構(gòu)的工作模式，在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，改變兩個電機的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，使得輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)不斷的進行變化，實現(xiàn)無級變速.雙模式機電復合傳動系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬，驅(qū)動功率大的優(yōu)點，同時還能滿足輔助系統(tǒng)和特定功能系統(tǒng)的用電需求，并且降低了對車用電機的功率要求，因此具有良好的應(yīng)用前景[1-2].

對于采用雙模式機電復合傳動系統(tǒng)的重型車輛，工況往往與民用車輛不同，存在許多特殊問題.首先，當能量管理策略對功率進行分配之后，各動力源能否精確地按照分配好的功率軌跡進行變化，對于整車的運行起著至關(guān)重要的作用.除此之外，重型車輛在運行過程中，往往對電功率有著較大需求，如何快速地讓系統(tǒng)協(xié)調(diào)出相應(yīng)的電能，也是一個值得關(guān)注的問題.雖然目前很多學者都提出了相關(guān)的能量管理策略[3-4]，但是對其功率實際分配的精確性以及從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另外一個穩(wěn)定狀態(tài)的動態(tài)調(diào)節(jié)過程，卻少有文獻提及.在飛行器領(lǐng)域，則有相關(guān)學者通過對控制分配技術(shù)的研究，提高了控制分配的精確性，從而提升了系統(tǒng)的整體性能[5-6]，但由于對象的本質(zhì)區(qū)別，使其應(yīng)用在車輛上的難度較大.同時，一般輕型車輛對電功率的需求較少，故部件間的協(xié)調(diào)控制研究大部分都集中于如何減小換段過程中的轉(zhuǎn)矩波動[7-13]，鮮有對協(xié)調(diào)供電的研究.

針對采用雙模式機電復合傳動系統(tǒng)的重型車輛，本文提出了電功率協(xié)調(diào)控制策略.利用電機響應(yīng)速度快和控制精度好的特點，通過PID控制算法，協(xié)調(diào)電機A和電機B的工作狀態(tài)，使得各動力源按照預先分配好的穩(wěn)態(tài)功率精確變化，保證電池穩(wěn)定工作.同時當外界需要電功率輸出時，系統(tǒng)能夠快速協(xié)調(diào)出外界所需要的電能，從而達到對外供電的穩(wěn)定性，提升供電品質(zhì).

1 系統(tǒng)介紹

圖1是雙模式機電復合傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖.

圖1 雙模式機電復合傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.1 Structure of dual-mode electro-mechanical transmission system

由圖1可看出，發(fā)動機輸出的動力，經(jīng)過前傳動，由k2排輸入至耦合機構(gòu).當離合器C1分離，制動器Z1結(jié)合時，發(fā)動機一部分功率直接輸出至車輪，驅(qū)動車輛行駛，另一部分則驅(qū)動電機A發(fā)電，為電機B和用電設(shè)備提供電功率，此時系統(tǒng)工作在EVT1模式；當制動器Z1分離，離合器C1結(jié)合時，電機A與電機B的發(fā)電/電動工作狀態(tài)互換，發(fā)動機的一部分功率仍然通過機械結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動車輛，而另一部分功率則驅(qū)動電機B發(fā)電，電機A處于電動狀態(tài)，此時系統(tǒng)工作在EVT2模式.

參考機電復合傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，根據(jù)行星排的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，可得電機A和電機B的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與輸入輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系.

EVT1：

EVT2：

式中：na、Ta分別為電機A的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩， nb、Tb分別為電機B的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，ni、Ti分別為輸入的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，no、To分別為輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩.

2 控制策略

2.1 整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略

為了實現(xiàn)行駛安全，實現(xiàn)輸出力矩的平穩(wěn)和行駛過程的平順，考慮到發(fā)動機的最佳燃油經(jīng)濟性，本文采用了基于規(guī)則的邏輯門限控制策略[14-16].在該策略中，對車輛的行駛模式進行了分類，并制定了相應(yīng)的模式切換規(guī)則.在特定的行駛模式下，首先根據(jù)整車驅(qū)動要求和輔助用電設(shè)備的用電需求，確定總需求功率.然后，根據(jù)電池荷電狀態(tài)(SOC)、車輛行駛工況以及外界的電功率需求，考慮電池的供電能力，確定電池穩(wěn)態(tài)目標功率；總需求功率與電池穩(wěn)態(tài)目標功率之差，即為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)目標功率.在此說明，大部分工況下，驅(qū)動功率和用電功率均由發(fā)動機提供，電池只在大油門驅(qū)動等特殊工況下使用.然后，根據(jù)動力耦合機構(gòu)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系，確定各部件的動態(tài)控制目標，發(fā)動機為轉(zhuǎn)速控制，電機為轉(zhuǎn)矩控制.最后，將控制目標值通過CAN總線，發(fā)送至各部件的控制器，控制部件工作.整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略見圖2.

圖2 整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略

Fig.2 Steady-state target power allocation control strategy block diagram

2.2 電功率協(xié)調(diào)控制策略

通過整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略，確定了發(fā)動機和電池兩個動力源的穩(wěn)態(tài)目標功率.但由于效率模型的不準確，以及發(fā)動機和電機動態(tài)響應(yīng)特性的多重耦合作用，使得發(fā)動機和電池的實際功率不能按照分配好的穩(wěn)態(tài)目標進行精確變化.此外，在重型車輛運行過程中，某些工況下，需要系統(tǒng)對外提供較大的電功率，而整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略不能解決動態(tài)過程的快速調(diào)控問題.本文提出電功率協(xié)調(diào)控制策略，其主要包括兩部分：電池功率閉環(huán)反饋控制策略，以及電機協(xié)調(diào)供電控制策略.

2.2.1 電池功率閉環(huán)反饋控制策略

在系統(tǒng)工作過程中，電池處于被動工作的狀態(tài)，必須通過對發(fā)電機功率和電動機功率的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對電池功率的控制與管理.而考慮到系統(tǒng)的復雜性，效率模型往往不夠準確，使得動力源的實際功率無法按照其穩(wěn)態(tài)目標功率進行精確變化.同時，由于發(fā)動機的響應(yīng)速度較慢，當工況產(chǎn)生變化時，功率無法快速進行變化.此時，功率不足的部分就需要電池去提供.這導致在動態(tài)過程中，電池功率始終偏離其之前的預定軌跡，無法跟隨穩(wěn)態(tài)目標值進行變化.因此，提出電池功率閉環(huán)反饋控制策略.利用電機控制精度高和響應(yīng)速度快的特點，通過對電機A和電機B的轉(zhuǎn)矩進行動態(tài)補償，彌補發(fā)動機在動態(tài)特性上的不足，以達到機電功率分配的精確調(diào)控和平穩(wěn)控制.電池功率閉環(huán)反饋控制策略如圖3所示.

圖3 電池功率閉環(huán)反饋控制策略

該控制策略是基于電池功率進行的.在整個過程中，以電池穩(wěn)態(tài)目標功率為目標值，實際功率由電池管理模塊給出的電池工作電壓和電流得到，根據(jù)電池實際功率與目標功率的偏差，確定電機A和電機B的動態(tài)補償轉(zhuǎn)矩.由電池的充放電情況，調(diào)整電機A和電機B的工作狀態(tài)，以確保電池功率能夠按照預期所分配的穩(wěn)態(tài)目標功率進行變化，避免電池的過充過放，確保其動力性能和使用壽命.在電池功率閉環(huán)反饋控制策略中，閉環(huán)控制部分采用工業(yè)界常使用的PID控制算法進行調(diào)節(jié)與控制，根據(jù)控制對象的特性進行PID參數(shù)的整定，保證電池功率時刻跟隨目標值，不偏離其控制軌跡，達到功率的精確分配.

2.2.2 電機協(xié)調(diào)供電控制策略

在外界有用電需求時，為保證電池組電量穩(wěn)定，一般情況下通過協(xié)調(diào)發(fā)電機和電動機的電功率差來實現(xiàn)對外供電，從而保證對外供電的主要來源為發(fā)動機的發(fā)電功率.

在2.2.1電池功率閉環(huán)反饋控制策略中提到，因為發(fā)動機的響應(yīng)較慢，以及效率模型的不準確，所以當外界有用電需求時，往往需要電池多放電，以彌補功率不足的部分.而為了使電池按照預先分配好的穩(wěn)態(tài)功率進行變化，就需要增大發(fā)動機功率，發(fā)電機增加發(fā)電，電動機減少用電，從而實現(xiàn)驅(qū)動功率和供電功率的平衡與穩(wěn)定.在這個過程中，如果轉(zhuǎn)矩分配結(jié)果稍有偏差，功率耦合機構(gòu)各構(gòu)件的平衡關(guān)系就會被打破，電機A和電機B的轉(zhuǎn)速都會產(chǎn)生波動，進而影響到輸出轉(zhuǎn)速no和轉(zhuǎn)矩To，從而導致發(fā)動機的輸出功率不穩(wěn)定，不能夠保證對外的平穩(wěn)供電.

因此，電池功率閉環(huán)反饋控制策略，只能夠保證機電功率的精確分配，卻無法讓系統(tǒng)快速協(xié)調(diào)出外界所需求的電功率.故本文提出電機協(xié)調(diào)供電控制策略，如圖4所示，在保證車輛動力性的同時，使系統(tǒng)能夠快速輸出滿足用電需求的電功率，達到穩(wěn)定供電.

圖4 電機協(xié)調(diào)供電策略

電機協(xié)調(diào)供電控制策略的基本控制原理為：根據(jù)當前工作模式下的轉(zhuǎn)速關(guān)系式，確定達到最終穩(wěn)態(tài)運行時電機A的穩(wěn)態(tài)目標轉(zhuǎn)速.將電機A的實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速的偏差作為輸入值，通過協(xié)調(diào)供電控制算法，得到電機B的協(xié)調(diào)補償轉(zhuǎn)矩.協(xié)調(diào)供電控制部分，通過PID算法實現(xiàn).通過對電機B的轉(zhuǎn)矩進行協(xié)調(diào)補償控制，能夠使電機B產(chǎn)生符合穩(wěn)態(tài)耦合關(guān)系的轉(zhuǎn)速.當電機A和電機B均達到最終的穩(wěn)態(tài)目標轉(zhuǎn)速時，輸出轉(zhuǎn)速no也會維持在相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，輸出轉(zhuǎn)矩To也不會減小.進而，當外界有用電需求時，發(fā)動機會在原來輸出功率的基礎(chǔ)上，額外發(fā)出滿足用電需求的功率，在保證其它性能的同時，持續(xù)穩(wěn)定的對外進行供電.

電池功率閉環(huán)反饋控制策略和電機協(xié)調(diào)供電控制策略，共同組成了電功率協(xié)調(diào)控制策略.該策略既保證了達到穩(wěn)態(tài)時各動力元件功率分配的精確性，又能夠在用電設(shè)備有用電需求時，快速而準確地協(xié)調(diào)出相應(yīng)的電功率，以供使用.

3 仿真驗證與結(jié)果分析

為了驗證電功率協(xié)調(diào)控制策略的效果，在Matlab環(huán)境下,利用Simulink、Simdriveline以及Simpowersystem等中的相關(guān)模塊，搭建了發(fā)動機、電池、動力耦合機構(gòu)、電機、整車以及控制策略等模型，并利用該模型進行不同工況下的仿真，驗證電功率協(xié)調(diào)控制策略的可行性.

針對有電功率協(xié)調(diào)控制策略和無電功率協(xié)調(diào)控制策略，進行數(shù)字仿真與分析對比.油門踏板行程達到60%的數(shù)據(jù)對比曲線如圖5～9所示.

圖5 60%油門開度，發(fā)動機功率曲線

圖6 60%油門開度，電機A功率曲線

圖7 60%油門開度，電機B功率曲線

圖8 60%油門開度，電池功率曲線

由圖5～9可知，在100 s時，用電設(shè)備要求系統(tǒng)提供300 kW的電能，此時，由于發(fā)動機的響應(yīng)較慢，所以由電池瞬時功率提供.之后在發(fā)動機逐漸達到預期目標，額外增加300 kW功率的過程中，電機A和電機B配合工作，改變自身運行狀態(tài)，調(diào)整發(fā)電功率和供電功率，從而對外提供300 kW的電能，以供用電設(shè)備使用，而電池則快速恢復至目標功率狀態(tài).通過圖8可以明顯看出，在有電功率協(xié)調(diào)控制策略的情況下，電池功率的調(diào)整速度明顯增加，并且達到穩(wěn)態(tài)時，與穩(wěn)態(tài)分配目標功率相同，實現(xiàn)了分配的精確性.無電功率協(xié)調(diào)控制策略，不但調(diào)節(jié)速度慢，而且最終控制狀態(tài)可能會偏離穩(wěn)態(tài)控制目標，例如圖8所示，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，電池并未停止工作，而是以62.8 kW的功率繼續(xù)放電，長此下去，會造成電池的過放，損害其動態(tài)性能.在偏差校正和對外供電的過程中，車輛的動力性并未受到影響，整車依舊正常驅(qū)動.

圖9 60%油門開度，車速曲線

油門踏板行程達到100%的電功率協(xié)調(diào)控制策略下的車輛行駛狀態(tài)如圖10～12所示.

圖10 100%油門開度，發(fā)動機功率曲線

圖11 100%油門開度，電池功率曲線

圖12 100%油門開度，車速曲線

在油門踏板行程為100%時，在100 s處，同樣有300 kW的用電功率需求.由圖11看出，電池在瞬時提供了300 kW的電功率.之后發(fā)動機發(fā)揮出了最大功率，同時通過電機A和電機B的協(xié)調(diào)，電池實際功率又按照預先分派好的目標功率進行變化，不會產(chǎn)生偏差.但是由于發(fā)動機已經(jīng)到了最大功率，供電功率和驅(qū)動功率需求的總和超出了系統(tǒng)可提供的功率范圍，因此，在優(yōu)先滿足對外供電的優(yōu)先級要求下，只能犧牲一定的動力性，致使車速降低.在滿足對外功率需求的情況下，整車達到新的驅(qū)動平衡，該工況下車輛最終以68 km/h速度行駛.這是100%油門工況和60%油門工況的不同之處.

4 結(jié) 論

1)電功率協(xié)調(diào)控制策略利用電機響應(yīng)速度快和控制精度高的特點，彌補發(fā)動機響應(yīng)慢和機電復合傳動各傳遞環(huán)節(jié)效率模型不準確的缺點.當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，機電功率達到精確分配，各動力源按照預先分配好的穩(wěn)態(tài)目標功率進行變化；系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)變化時，響應(yīng)速度更快，調(diào)整更加迅速.

2)由整車穩(wěn)態(tài)目標功率分配控制策略得到各動力部件的穩(wěn)態(tài)功率目標值，電功率協(xié)調(diào)控制策略則通過協(xié)調(diào)電機A和電機B的工作，實現(xiàn)驅(qū)動功率與供電功率的協(xié)調(diào)分配，可兼顧穩(wěn)態(tài)功率分配的精確性和動態(tài)調(diào)控的響應(yīng)速度，能夠比較好地解決機電復合傳動系統(tǒng)機電功率精確分配和對外供電功率響應(yīng)的復雜動態(tài)控制問題.

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(編輯 楊 波)

Electric power coordinated control strategy of dual-mode electro-mechanical transmission system

XIANG Changle1, 2, WU Yang1, WANG Weida1, 2, LIU Hui1, 2, MA Wenjie3

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.National Key Lab.of Vehicular Transmission(Beijing Institute of Technology), Beijing 100081, China;3.Research Institute, Inner Mongolia First Machinery Group Co.Ltd., Baotou 140032, Inner Mongolia, China)

The dual-mode electro-mechanical transmission system for heavy duty vehicles is a power split hybrid system, which transmits engine power through mechanical and electrical power flow.Aiming at the precision of mechanical and electrical power distribution and the responding speed of electrical power supply, the electric power coordinated control strategy is proposed.Making use of quick response and accuracy control of motors, the strategy can realize the precise power distribution of engine and battery and supply steady electric power by coordinating the working state of generator and motor.The simulation results indicate that the actual power of battery will follow its target value in real time and the electric power will be supplied rapidly when it is needed.The electric power coordinated control strategy can achieve the precise distribution of mechanical and electrical power and the high responding speed of electrical power supply in complex dynamic control system.

dual-mode electro-mechanical transmission; electric power coordinated control; energy management optimization; precise power distribution; steady electric power supply

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.017

2016-01-29

國家自然科學基金(51005017,51575043,U1564210); 教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0048)

項昌樂(1963—)，男，教授，博士生導師

王偉達，wangwd0430@163.com

U469.72

A

0367-6234(2017)01-0120-06