王云龍，張洪田，孫遠濤，張金柱

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于逆向模式的混合動力系統(tǒng)控制策略研究

王云龍，張洪田，孫遠濤，張金柱

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

混合動力系統(tǒng)控制器作為車輛的大腦，承擔(dān)著協(xié)調(diào)、支配混合動力車輛各動力系統(tǒng)高效工作的重要任務(wù)，而控制策略是保障大腦正常工作的經(jīng)絡(luò)，也是車輛控制器的核心部分。通過對混合動力汽車進行各工況的試驗測試，來逆向研究混合動力系統(tǒng)控制策略，分析混合動力汽車在不同工況下其控制策略，從而開發(fā)混合動力系統(tǒng)控制器。結(jié)果表明:開發(fā)的混合動力系統(tǒng)控制器能夠有效地協(xié)調(diào)、支配各動力系統(tǒng)高效工作，車輛經(jīng)濟性、排放性均有所改善。

混合動力系統(tǒng)；控制器；測試工況；控制策略

能源危機日趨嚴(yán)重，燃油價格一漲再漲，各地油荒不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車發(fā)展深受能源危機的影響，導(dǎo)致汽車制造商紛紛將車輛研發(fā)重點放在新能源汽車領(lǐng)域。目前，常規(guī)的新能源汽車主要有電動汽車、混合電動汽車和燃料電池汽車，純電動汽車雖然是零排放，但是由于蓄電池容量和充電時間等技術(shù)瓶頸，可行性和實用性不夠完善。而燃料電池汽車又因其研發(fā)費用、使用費用和燃料技術(shù)等問題距離實際使用有一定距離?；旌蟿恿ζ噮R集傳統(tǒng)汽車與電動汽車的優(yōu)點，成為當(dāng)前最有競爭力且切實可行的做法，混合動力汽車一方面可以利用傳統(tǒng)汽車的技術(shù)成果和工業(yè)基礎(chǔ)，另一方面可以有效降低油耗，減少排放，更適合于目前汽車技術(shù)的發(fā)展水平[1-2]?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的設(shè)計與控制是混合動力汽車降低燃油消耗和改善排放效果的主要原因，運用合理的優(yōu)化控制策略，有效進行能量回收，這也是混合動力汽車的主要核心技術(shù)?；旌蟿恿ο到y(tǒng)控制策略研究主要集中在串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式上，而針對混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的研究相對較少，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點，在動力控制上有更大的靈活性，可以實現(xiàn)油耗和排放的最佳控制目標(biāo)[3-13]。本文研究基于某高強度混聯(lián)式混合動力汽車道路試驗數(shù)據(jù)，逆向分析、研究其控制器的控制策略[14-16]，并基于此控制策略開發(fā)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)控制器。

1 混合動力汽車運行工況試驗

1.1 車輛主要技術(shù)參數(shù)

某混聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式的混合動力汽車，其動力系統(tǒng)由行星齒輪裝置將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機連接起來，動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機，另一部分傳送到電動機并輸出到驅(qū)動軸，電機MG1和太陽輪相連，電機MG2連接在齒圈上，齒圈再通過齒形帶和主減速器相連(見圖1),車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

型號CA7150HVA排放規(guī)定基準(zhǔn)值GB18352.2-2001長/mm4450外形尺寸寬/mm1725高/mm1510軸距/mm2700前輪距/mm1510后輪距/mm1480前懸/mm890后懸/mm860整備質(zhì)量/kg1350車輛總質(zhì)量/kg1750輪胎尺寸195/60R1588V接近角/(°)14離去角/(°)19額定載客/人5最大車速/km·h-1165發(fā)動機型號1NZ-FXE排氣量/mL1497電壓/V500最大功率:電動馬達/kW 發(fā)動機/kW5057燃料種類無鉛汽油

1.2 車輛各運行工況及工作模式

車輛各運行及工作模式的相關(guān)試驗均圍繞電池荷電狀態(tài)(荷電狀態(tài)，又稱剩余電量，英文為State of Charge，簡稱SOC)電池SOC值的大小來展開，按照電池SOC值偏低(25%～45%)、電池SOC值中等(45%～60%)、電池SOC值較高(60%～70%)等，檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速、電池SOC值等參數(shù)變化。

1)車輛啟動。發(fā)動機啟動試驗分低溫試驗和常溫試驗，低溫試驗時室外溫度-10～-6 ℃，實驗前使發(fā)動機冷卻液溫度與外界溫度一致；常溫試驗時室外溫度20～25 ℃，常溫啟動分為冷車啟動和熱車啟動。

低溫試驗：如果蓄電池沒有嚴(yán)重虧電，發(fā)動機啟動時，由蓄電池給電機MG1提供電能，電機MG1拖動發(fā)動機到開始工作；常溫試驗：電池SOC值較低時，冷車啟動和熱車起動，發(fā)動機馬上開始工作，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。電機MG1作為發(fā)電機給蓄電池充電，直到電池SOC值上升到50%，發(fā)動機停止工作。電池SOC值超過60%以上時，啟動車輛2 min發(fā)動機仍不工作。

2)起步工況。①電池SOC值小于45%：車輛啟動時發(fā)動機馬上開始工作。發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 200 r/min，開始階段電機MG2作為電動機，電能由電機MG1提供,電機MG2提供輸出扭矩。隨著轉(zhuǎn)速升高而降低；電機MG1作為發(fā)電機產(chǎn)生電能，一部分為電機MG2驅(qū)動汽車前進，一部分為蓄電池充電。后階段由于整車扭矩需求較少，電機MG1、電機MG2均作為發(fā)電機。②電池SOC值大于45%時：車輛啟動時發(fā)動機不工作，電機MG2作為電動機提供輸出扭矩驅(qū)動汽車前進，電機MG1隨動。之后隨著車速升高，電池SOC值下降，需求功率增加，發(fā)動機開始工作，一部分動力直接驅(qū)動車輛，另一部分動力分給電機MG1。電機MG2仍作為電動機，但輸出扭矩隨速度升高逐漸下降。電機MG1作為發(fā)電機產(chǎn)生的電能一部分驅(qū)動電機MG2，另一部分為蓄電池充電。

3)加速工況。加速試驗分為全負荷加速試驗和部分負荷加速試驗，兩種試驗按照電池SOC值高低和速度變化分別進行試驗，本文主要針對全負荷加速試驗情況(見表2)，部分負荷加速試驗情況見文獻[15]。

4)勻速工況。按照電池SOC值變化，進行10 km/h、20 km/h、30 km/h…80 km/h等勻速試驗：①電池SOC值小于45%。車輛在低速勻速行駛時，由于電池SOC值較低，發(fā)動機以較低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，直接驅(qū)動汽車。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，剩余轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機MG2發(fā)電，為蓄電池充電。電機MG1作為調(diào)速電機，使發(fā)動機運行在優(yōu)化的工作區(qū)域。②電池SOC值為45%～60%。車速較低時，車輛以純電動模式工作，發(fā)動機靜止，電機MG2作為電動機驅(qū)動車輛，電機MG1隨動，當(dāng)電池SOC值下降到45%時，發(fā)動機開始工作。③電池SOC值大于60%。驅(qū)動車輛的需求功率較小時，車輛以純電動模式工作，電機MG2驅(qū)動車輛，電機MG1隨動；驅(qū)動車輛的需求功率較大時，發(fā)動機開始工作，電機MG2作為發(fā)電機為蓄電池充電。發(fā)動機處于優(yōu)化區(qū)域工作，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求，則電機MG1作為發(fā)電機為蓄電池充電。

表2 車輛全負荷加速試驗

5)減速工況。減速試驗時分為帶檔滑行試驗和空檔滑行試驗。帶檔滑行試驗分為高速滑行試驗和低速滑行試驗。

帶檔滑行時，如果蓄電池電量不是特別低，則發(fā)動機馬上停止工作，電機MG2作為發(fā)電機進行能量回收，電機MG1隨動；如果蓄電池電量很低，則發(fā)動機不會停止噴油，電機MG1作為調(diào)速電機，電機MG2工作在優(yōu)化區(qū)域，電機MG2作為發(fā)電機為蓄電池充電。帶檔滑行過程中，如果電池SOC值很高，即使車輛仍然在滑行，電機MG2也不為蓄電池充電?？論趸袝r，即使蓄電池電量特別低，電機也不為蓄電池充電。

6)倒車工況。倒車試驗按照電池SOC值小于45%和電池SOC值大于45%兩類進行試驗，試驗過程中不對車速進行分類，只考慮電池SOC值對車輛運行模式的影響。

當(dāng)電池SOC小于45%時，蓄電池處于虧電狀態(tài)，發(fā)動機工作，直接驅(qū)動汽車。如果當(dāng)驅(qū)動功率有剩余時，發(fā)動機一方面驅(qū)動汽車，另一方面通過電機MG2為蓄電池充電；當(dāng)SOC值大于45%時，電機MG2作為電動機驅(qū)動汽車，當(dāng)電池SOC值降低到設(shè)定值后發(fā)動機重新啟動。

2 混合動力系統(tǒng)控制策略

定義變速器輸入軸的扭矩請求Treq、發(fā)動機扭矩輸出Te、電機扭矩Tm和摩擦制動扭矩Tb，以便分析車輛各種運行模式，其關(guān)系式為

Treq=Te+Tm+Tb.

此外，定義發(fā)動機當(dāng)前最大扭矩Te_max，發(fā)動機最佳工作區(qū)最大扭矩Te_opt_max，發(fā)動機最佳工作區(qū)最小扭矩Te_opt_min，發(fā)動機最佳工作點扭矩Te_opt_best，電機當(dāng)前最大驅(qū)動扭矩Tm_max，電機當(dāng)前最大發(fā)電扭矩Tm_gen_max，電池當(dāng)前電量SOC，電池過低電量SOC_too_low，電池過高電量SOC_too_high，電池電量中等SOC_medium。

2.1 發(fā)動機單獨驅(qū)動的工作模式

發(fā)動機單獨驅(qū)動是指發(fā)動機能夠在定義的最佳區(qū)域工作，自身的效率比較高。該工作模式的車輛與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相同。

如果請求扭矩Treq位于當(dāng)前發(fā)動機最佳區(qū)域內(nèi)，并且電池的電量較高：

Te_opt_minSOC_medium.

那么發(fā)動機輸出扭矩等于請求扭矩：Te=Treq。

2.2 電機單獨驅(qū)動的工作模式

電機單獨驅(qū)動是指由蓄電池給電機提供電能，電機驅(qū)動車輛，發(fā)動機不參與工作。該工作模式的車輛與電動汽車一樣。

如果請求扭矩Treq小于發(fā)動機最佳區(qū)域的最小扭矩值，也小于電動機當(dāng)前的最大驅(qū)動扭矩，并且電池的電量較高：

0SOC_medium.

那么電動機輸出扭矩等于請求扭矩：Tm=Treq。

2.3 發(fā)動機驅(qū)動且電機發(fā)電的工作模式

發(fā)動機驅(qū)動且電機發(fā)電的工作模式是指發(fā)動機為車輛提供驅(qū)動動力的同時，富余的動力用來帶動電機發(fā)電，為蓄電池充電。

1)如果請求扭矩Treq小于發(fā)動機運行的最佳工作區(qū)域的最小扭矩，并且電池的電量不是過高：

0

那么發(fā)動機的輸出扭矩等于電機的請求扭矩與電機的發(fā)電扭矩之和：Te=|Tm|+Treq。電機發(fā)電產(chǎn)生電能，Tm的值為負值，絕對值的最大值應(yīng)小于下列3個值中的最小值：①電機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下允許的最大發(fā)電扭矩Tm_gen_max；②發(fā)動機的最佳工作點扭矩與請求扭矩的差值Te_opt_best-Treq； ③電池功率限制的最大扭矩Tbat_max。

發(fā)動機的輸出扭矩Te=Treq-Tm。如果電池的電量很高SOC>SOC_too_high，則切換到發(fā)動機單獨運行的工作模式。

2)如果請求扭矩Treq處于發(fā)動機當(dāng)前的最佳工作區(qū)域內(nèi)，并且電池的電量較低時：

Te_opt_min

同樣，發(fā)動機的輸出扭矩等于請求扭矩與電機發(fā)電扭矩之和：Te=|Tm|+Treq。電機發(fā)電產(chǎn)生的電能，Tm的值為負值，絕對值的最大值選取小于下列3個值中最小值：①電機當(dāng)前最大的發(fā)電扭矩Tm_gen_max； ②發(fā)動機最佳工作區(qū)的最大扭矩與請求扭矩的差值Te_opt_max-Treq；③電池功率限制的最大扭矩Tbat_max。

如果Tm+Treq

2.4 發(fā)動機和電機共同驅(qū)動的工作模式

發(fā)動機和電機并聯(lián)驅(qū)動的工作模式屬于請求扭矩較大情況下的車輛運行模式，通常為車輛急加速、上坡和高速行駛等需要較大扭矩運行的工況，電機利用蓄電池中儲存的電能為發(fā)動機進行助力，使得車輛獲得較大的扭矩輸出：

1)如果請求扭矩Treq大于發(fā)動機當(dāng)前的最大扭矩輸出時，那么發(fā)動機輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大扭矩值，電機輸出最大扭矩或不足部分的扭矩值：

Te=Te_max，

Tm=min(Treq-Te_max，Tm_max，Tbat_max).

2)如果請求扭矩Treq大于發(fā)動機最佳工作區(qū)域的最大扭矩，并且小于發(fā)動機當(dāng)前的最大扭矩值Te_max，同時電池電量不低。若電機當(dāng)前提供的最大扭矩與發(fā)動機最佳工作區(qū)域的最大扭矩之和能夠滿足請求扭矩的需求，那么發(fā)動機以最佳工作區(qū)域的最大扭矩輸出，電機彌補不足部分的扭矩：

Te=Te_opt_max，Tm=Treq-Te_opt_max.

若電機當(dāng)前提供的最大扭矩與發(fā)動機最佳工作區(qū)域的最大扭矩之和不能滿足請求扭矩的需求，那么電機則以當(dāng)前能夠提供的最大扭矩輸出，發(fā)動機彌補不足部分的扭矩：

Tm=min(Tm_max，Tbat_max)，Te=Treq-Tm.

3 模糊控制器設(shè)計

基于ADVISOR軟件利用MATLAB/SIMULINK二次開發(fā)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)控制器[8]，模糊控制系統(tǒng)由4個控制器組成，分別為駕駛員意圖預(yù)測器、功率平衡控制器1、功率平衡控制器2和制動能量回收控制器，詳見文獻[1]。

按照電池SOC值確定充、放電，基本原則是保障電池有充足的電能，達到上限值不再進行充電，避免電池SOC長時間處于下限值；當(dāng)電池SOC值處在上限時，為避免過度充電，制動控制調(diào)整到只有摩擦制動，無制動能量回收。

模糊控制規(guī)則方面，駕駛員意圖預(yù)測器控制規(guī)則庫由21條規(guī)則組成，反映駕駛員意圖，預(yù)測車輛工況需求的扭矩；功率平衡控制器1和功率平衡控制器2規(guī)則庫均由33條控制規(guī)則組成；制動能量回收控制器規(guī)則庫由12條控制規(guī)則組成，整個模糊混合動力控制系統(tǒng)由99條控制規(guī)則組成，詳見文獻[1]。

按照模糊控制器的設(shè)計和控制策略，利用MATLAB/SIMULINK開發(fā)模糊控制器，包括隸屬函數(shù)的繪制、模糊規(guī)則的編寫以及反模糊化的過程，創(chuàng)建模糊控制器模塊見圖2。

該模糊控制器植入ADVISOR軟件平臺下的混聯(lián)式混合動力控制系統(tǒng)中進行混聯(lián)式混合動力汽車仿真試驗。根據(jù)美國城市工況UDDS、日本10-15和歐洲EUDS等國際測試循環(huán)進行仿真試驗，分析該混聯(lián)式混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性以及排放性。結(jié)果表明，混聯(lián)式混合動力汽車安裝原控制器與新開發(fā)的模糊邏輯器相比，上述3種國際測試循環(huán)的百公里油耗分別降低了2.2%、19.7%和6.4%，排放總量降低了4.3%、0.4%和11.3%。

圖2 模糊控制器模塊

4 結(jié)束語

本文通過對混合動力汽車實車的道路試驗數(shù)據(jù)進行分析，逆向出混合動力系統(tǒng)控制器的控制策略和方法，從而基于該控制策略和方法構(gòu)建全新的混合動力系統(tǒng)控制器，并與同一仿真平臺的原車進行仿真實驗對比。結(jié)果表明，新開發(fā)的混合動力系統(tǒng)控制器在燃油經(jīng)濟性和排放性等方面均優(yōu)于原車。

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Research on reverse mode control strategy of the hybrid electric system

WANG Yunlong, ZHANG Hongtian,SUN Yuantao,ZHANG Jinzhu

(College of Automobile and Traffic Engineering,Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

The brain is controller of the hybrid electric system for the vechicle, bear important task of coordinating and controlling efficient work of the hybrid electric system, and the control strategy is meridian of protecting the normal work of the brain which is also the core part of the vehicle controller. This paper tests the various driving cycle for hybrid electric vehicle, reversely researches control strategy of the hybrid electric system, and analyzes control strategy in the various driving cycle, in order to develop the controller of hybrid power system. The result indicates that the new controller can efficiently work with each part of the hybrid electric system, and the fuel and emission of the vehicle are all improved.

hybrid electric system；controller；driving cycle；control strategy

[責(zé)任編輯：郝麗英]

U467.1

A

1671-4679(2017)05-0001-05

2017-04-11

黑龍江省自然科學(xué)基金面上項目(E201327);哈爾濱市杰出青年科學(xué)基金項目(2016RQYXJ019);黑龍江省高校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃(1252G051)

王云龍(1978-)，男，副教授，博士,研究方向：混合動力系統(tǒng)控制技術(shù).

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.001