梁 建 偉

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 050081)

并聯(lián)式混合動(dòng)力整車控制策略研究

梁 建 偉

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 050081)

以ISG并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為主要研究對(duì)象，以整車經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，依托發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率分布曲線，以電池的充放電內(nèi)阻曲線為參照，根據(jù)工況狀態(tài)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)和控制策略參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)工作區(qū)域、電池優(yōu)化工作區(qū)間三方面分析了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的整車控制策略.

混合動(dòng)力汽車；并聯(lián)式；控制策略；優(yōu)化

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車燃油的經(jīng)濟(jì)性和排放性是由單個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)共同決定的.并聯(lián)式混合動(dòng)力整車控制策略決定了混合動(dòng)力的能量分配方式，協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池和機(jī)電耦合裝置的共同工作,是混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制中樞[1].

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

整車控制策略要有利于實(shí)現(xiàn)整車各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，使車輛的動(dòng)力性能在約束條件下達(dá)得最佳，并獲得燃油的經(jīng)濟(jì)性.本文研究的對(duì)象為“勇士”并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，其系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 柴油機(jī)及其控制系統(tǒng)

柴油機(jī)作為關(guān)鍵的動(dòng)力源，其油耗特性直接關(guān)系到系統(tǒng)的能耗.其控制系統(tǒng)除了要響應(yīng)整車控制策略的要求外，還需要對(duì)其本身進(jìn)行優(yōu)化控制.柴油機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，可進(jìn)行二次開發(fā)，它運(yùn)用的是轉(zhuǎn)矩控制策略.轉(zhuǎn)矩控制策略除能對(duì)柴油機(jī)的控制更為精確、靈活外，還要能與整車轉(zhuǎn)矩分配策略很好地銜接.本系統(tǒng)采用北汽福田開發(fā)的4JB1型電控高壓共軌柴油機(jī)，其特性參數(shù)為：最大功率87 kW，最大轉(zhuǎn)矩269 N·m，最大功率燃油消耗率小于250 g/kW·h，全負(fù)荷最低燃油消耗率小于220 g/kW·h.

1.2 電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)

電動(dòng)/發(fā)電機(jī)作為唯一的電驅(qū)動(dòng)元件，不但要具有高效、控制靈活、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，同時(shí)也要能提供足夠大的轉(zhuǎn)矩和功率，且能對(duì)系統(tǒng)的波動(dòng)和工況響應(yīng)產(chǎn)生良好的補(bǔ)償作用.這對(duì)混合動(dòng)力整車控制策略本身和進(jìn)一步研究特征區(qū)域優(yōu)化都有極其重要的意義.系統(tǒng)選用的電機(jī)參數(shù)如下：額定功率14 kW，峰值功率22 kW，最大工作轉(zhuǎn)速大于4000 r/min，發(fā)電持續(xù)功率12 kW，峰值18 kW.

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

系統(tǒng)的電能調(diào)節(jié)裝置是動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償和能量管理優(yōu)化的關(guān)鍵，同時(shí)也決定了純電動(dòng)靜音續(xù)駛里程.電池SOC(state of charge，荷電狀態(tài))作為整車控制邏輯的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)工況策略切換和能量流向都起關(guān)鍵作用.系統(tǒng)選用鎳氫動(dòng)力電池組，母線額定電壓336 V，最低280 V；電池模塊數(shù)量280，動(dòng)力電池組輸出峰值功率至少為20 kW.為滿足純電動(dòng)靜音續(xù)駛里程10 km的要求，選用電池的容量為8 Ah.

2 整車控制策略

提出控制策略的主要目的是獲得整車最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性.需要通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩和電池目標(biāo)SOC的優(yōu)化，將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在高效區(qū)，并使電池的荷電狀態(tài)保持在一定的范圍內(nèi).從效率角度看，整車控制策略就是要在并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，使從動(dòng)力源的能量到車輛動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率最大.

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、對(duì)工況的敏感性以及電池SOC對(duì)應(yīng)內(nèi)阻的效率特性，整車控制策略包括發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工況區(qū)控制、電池SOC控制和電機(jī)高效工作區(qū)控制[2].

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況和特定工況點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)是整車控制策略的關(guān)鍵.工況點(diǎn)的不同直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的不同，也決定了整車的能量效率.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域的不同，可以把工況點(diǎn)的控制方式分為最優(yōu)工作點(diǎn)控制、最優(yōu)工作線控制和最優(yōu)工作區(qū)域控制[3].

2.1.1 最優(yōu)工作點(diǎn)控制

最優(yōu)工作點(diǎn)控制又稱為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗點(diǎn)控制或Thermostat控制.采用這種方法可確定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的最低點(diǎn).當(dāng)通過電池SOC和整車狀態(tài)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)滿足起動(dòng)條件后，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并始終工作在這個(gè)穩(wěn)態(tài)的工況點(diǎn)上.

2.1.2 最優(yōu)工作線控制

基于發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，在發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率等高線上，通過擬合，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為變量的函數(shù)曲線，而這比單純把各個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗點(diǎn)連接在一起得到的曲線更加平滑，且在發(fā)動(dòng)機(jī)工況變動(dòng)時(shí)，狀態(tài)切換更加流暢.采用最低燃油消耗率曲線的方法，可根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩需求控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳燃油消耗率曲線上；同時(shí)可調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩耦合后滿足整車動(dòng)力需求，并保持電池SOC在正常水平.

2.1.3 最優(yōu)工作區(qū)域控制

最優(yōu)工作區(qū)域控制策略能將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制在一定的區(qū)域內(nèi).該區(qū)域有兩個(gè)轉(zhuǎn)矩限值確定，即轉(zhuǎn)矩下限Torque_LowTarget_C和轉(zhuǎn)矩上限Torque_HighTarget_C.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況偏離出這個(gè)區(qū)域，但仍滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件時(shí)，控制策略將控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入?yún)^(qū)域，并通過電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩低于Torque_LowTarget_C時(shí)，多余的轉(zhuǎn)矩由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩高于Torque_HighTarget_C時(shí)，優(yōu)先為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；電機(jī)能力不足或SOC過低時(shí)，要進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩.

2.1.4 三種控制方式比較

這三種控制方式各有優(yōu)劣，具體情況如表1所示.

表1中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m;Te-opt為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩，單位N·m；Topt為系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；nopt為設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；Treq為系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m.

表1 不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)控制方式對(duì)比

2.2 電機(jī)工作區(qū)域

電機(jī)受自身功率特性限制，其工況也被限制在一定的區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)匹配過程主要考慮兩方面的因素.

2.2.1 電機(jī)效率

電機(jī)效率通常是指由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，即用電機(jī)輸出做功功率除以直流端電流功率.而對(duì)于ISG(Integrated starter and generator)電機(jī)來說，其發(fā)電效率云圖和電機(jī)做功云圖基本上與電流零線對(duì)稱.雖然電機(jī)效率遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)效率，但其效率較低區(qū)域仍需要在轉(zhuǎn)矩匹配策略中考慮.保持直流端電壓為310 V試驗(yàn)測定電機(jī)效率的分布如圖2所示，在低轉(zhuǎn)速、高電流區(qū)域，電機(jī)效率僅為65%，此時(shí)如需要純電運(yùn)行模式或發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)就不可避免，所以，避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停，從電機(jī)工作效率角度看有節(jié)能環(huán)保意義.在混合驅(qū)動(dòng)模式下，主要工作轉(zhuǎn)速區(qū)域?yàn)?000～2000 r/min，電機(jī)的效率為80%～90%，且變化不大.在混合驅(qū)動(dòng)模式下進(jìn)行能量匹配時(shí)，可以忽略電機(jī)效率帶來的影響.

2.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力

電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力限制指要保證系統(tǒng)匹配的電機(jī)補(bǔ)償目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和再生制動(dòng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩在電機(jī)的工作能力范圍內(nèi).電壓310 V的電機(jī)轉(zhuǎn)矩分布情況如圖3所示.

圖2 電壓310 V電機(jī)效率分布

圖3 電壓310 V電機(jī)轉(zhuǎn)矩分布

由圖3可知，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩范圍和再生轉(zhuǎn)矩范圍對(duì)稱分布.轉(zhuǎn)矩在-20 N·m～20 N·m的數(shù)據(jù)部分在試驗(yàn)中沒有測定.在能量匹配過程中，要保證電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩需要的范圍內(nèi).

2.3 電池優(yōu)化工作區(qū)間

圖4為鎳氫電池組的充放電內(nèi)阻與電池電荷狀態(tài)的關(guān)系.可以看出，電池的內(nèi)阻與其SOC值有直接關(guān)系.由于內(nèi)阻的存在，在電池組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，充放電過程中有部分能量消耗在內(nèi)阻上，所以提高電池在充放電過程中的有效輸出能量效率，電池的工作區(qū)間就應(yīng)選擇在低內(nèi)阻區(qū)間，即電池應(yīng)工作的SOC值在圖4中標(biāo)識(shí)的工作區(qū)范圍內(nèi).DOD(Depth of Discharge，放電深度)與電池壽命曲線見圖5.

電池荷電狀態(tài)

圖5 DOD與電池壽命曲線

如果電池DOD接近100%， 那么理論上電池的壽命僅為幾百次的充放電循環(huán).而通常DOD可以認(rèn)為是用1減去SOC的值.從電池壽命因素考慮，電池應(yīng)盡量工作在SOC較高的區(qū)域.因此，應(yīng)設(shè)定參數(shù)SOC值的最大門限值、最小門限值和中值，以保證電池始終工作在SOC最大限值和最小限值之間，當(dāng)SOC值小于中值時(shí)，電池應(yīng)主動(dòng)充電.

3 結(jié)語

本文以“勇士”混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，以整車經(jīng)濟(jì)性為研究目標(biāo)，從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)工作區(qū)域、電池優(yōu)化工作區(qū)域三方面分析了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的整車控制策略，為進(jìn)一步研究混合動(dòng)力汽車奠定了基礎(chǔ).

[1] CHAU K T，WONG Y S.Overview of Power Management in Hybrid Electric Vehicles[J].Energy Conversion and Management,2002(43):1953-1968.

[2] 邢杰．混合動(dòng)力汽車遺傳模糊控制策略和工況識(shí)別研究[D]．北京：北京理工大學(xué)，2011．

[3] 吳劍.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理策略優(yōu)化研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

責(zé)任編輯：金 欣

A research on the control strategy of parallel hybrid electric vehicle

LIANG Jian-wei

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

ISG parallel hybrid electric vehicle is taken as the principal research object, and the whole economy as the optimization objectives, the curve of engine fuel consumption rate and distribution, and battery charge and discharge as references. And hybrid power system parameters and control strategies are optimized. The vehicle control strategy of parallel hybrid electric vehicle is analyzed from three aspects of engine operating, motor operating area and battery optimization.

hybrid vehicle; parallel; control strategy; optimization

2017-03-03

梁建偉(1980-)，男，河北石家莊人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,碩士，研究方向：車輛工程.

1009-4873(2017)02-0031-04

U469.7

A