封 進(jìn)，杜常清

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，桂林 541004；2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

0 引言

混合動(dòng)力汽車兩套動(dòng)力裝置在工作過(guò)程中都需要合理冷卻，才能保護(hù)動(dòng)力裝置，同時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，保持動(dòng)力系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)[1～3]。研究表明，冷卻液溫度超過(guò)105℃，發(fā)動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)損壞，低于45℃，發(fā)動(dòng)機(jī)平均啟動(dòng)阻力矩將隨著溫度下降而增大很快[1]。電機(jī)與電機(jī)控制器溫度過(guò)高也將導(dǎo)致功率下降、壽命縮短、直至損壞等問(wèn)題[4]。同時(shí)，過(guò)渡冷卻也將增加燃油消耗。

由于混合動(dòng)力汽車中兩套動(dòng)力裝置的溫度控制目標(biāo)不同，目前常規(guī)方案是采用兩套獨(dú)立的液體冷卻系統(tǒng)[5]，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、節(jié)溫器、散熱器、冷卻風(fēng)扇構(gòu)成，電機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由電機(jī)、電機(jī)控制器、電子水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇構(gòu)成。其中冷卻風(fēng)扇為兩套系統(tǒng)所共有，工作狀態(tài)僅由冷卻液溫度確定，冷卻液溫度低于門限值，冷卻風(fēng)扇不啟動(dòng)，溫度超過(guò)門限值，則冷卻風(fēng)扇工作[6]。這種常規(guī)的其控制方案用在混合動(dòng)力汽車時(shí)呈現(xiàn)如下弊端：1）溫度控制精度較差，冷卻液溫度波動(dòng)較大；2）冷卻風(fēng)扇平均輸出轉(zhuǎn)矩大，燃油經(jīng)濟(jì)性下降；3）車輛轉(zhuǎn)入純電動(dòng)工作模式時(shí)，冷卻風(fēng)扇可能依然工作，使得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度迅速下降，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的再啟動(dòng)工作，同時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性也會(huì)下降，尤其是強(qiáng)混型車輛[7]。

本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力裝置冷卻系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，首先針對(duì)混合動(dòng)力汽車在不同工作模式下的冷卻需求不同，建立基于工作模式識(shí)別的冷卻風(fēng)扇啟閉控制模型。其次，采用模糊邏輯進(jìn)行冷卻需求分析，以輸出轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象建立以最小溫差和最低燃油消耗為目標(biāo)的冷卻風(fēng)扇控制模型。最后與整車模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證該策略的有效性。

1 冷卻系統(tǒng)布置方案及需求轉(zhuǎn)矩

1.1 動(dòng)力裝置冷卻系統(tǒng)布置方案

混合動(dòng)力汽車采用兩套動(dòng)力裝置，其冷卻方案如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力裝置冷卻布置圖

電機(jī)冷卻系統(tǒng)的工作溫度比發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱器的低，通常把其布置在車頭最前面的迎風(fēng)面或者分上下立放。兩套冷卻系統(tǒng)共用一個(gè)冷卻風(fēng)扇，由于電機(jī)及電機(jī)控制器的熱負(fù)荷根據(jù)混合程度的不同，大約只有發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的1/10～1/20[3]，電機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)調(diào)整可以通過(guò)電子水泵的調(diào)速進(jìn)行。冷卻風(fēng)扇輸出轉(zhuǎn)矩以發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)為主進(jìn)行控制。

1.2 冷卻風(fēng)扇需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定兩散熱器的總散熱量：

式(1)中：qe、qm分別為發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)推薦的比散熱量，Pemax和Pmmax分別為發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)最大功率。

散熱風(fēng)扇的散熱風(fēng)量：

式(2)中：γα為空氣重度，Cp為空氣定壓比熱，Δt為散熱器前后空氣的溫度差。

通過(guò)最大散熱風(fēng)量選型確定冷卻風(fēng)扇最大需求功率P。從而得到風(fēng)扇最大需求轉(zhuǎn)矩：

式(3)中：n為冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

2 冷卻風(fēng)扇控制策略分析

冷卻風(fēng)扇控制采用工作模式作為門限值進(jìn)行啟閉控制：當(dāng)車輛處于純電動(dòng)模式，冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)不工作，反之則進(jìn)入冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)。

引入冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)，來(lái)表示分配到冷卻風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)矩的權(quán)值，其定義域?yàn)閇0 1]，當(dāng)前工況下分配到冷卻風(fēng)扇的需求轉(zhuǎn)矩為：

在冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)中，K(t)為變化量，控制策略描述如下：當(dāng)混合動(dòng)力汽車處于純電動(dòng)模式，并且車速不為零時(shí)，輸出K(t)=0，即Tf=0；其他模式包括停車模式，冷卻風(fēng)扇根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度差ΔT和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n調(diào)節(jié)輸出冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)，從而得到冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩Tf(t)，考慮汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，冷卻液溫度高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n越高，K(t)越大[8,9]。

冷卻風(fēng)扇輸出轉(zhuǎn)矩控制流程如圖2所示，車輛通過(guò)車速V、加速踏板θp、制動(dòng)踏板θb和電池SOC作為混合動(dòng)力的工作模式的判別信號(hào)，車輛處于純電動(dòng)模式同時(shí)車速不為零時(shí)，輸出K(t)=0。其余工作模式下，進(jìn)入風(fēng)扇控制系統(tǒng)，采用模糊控制器輸出K(t)值。系統(tǒng)根據(jù)輸出K(t)計(jì)算并最終輸出風(fēng)扇需求轉(zhuǎn)矩Tf(t)。

圖2 基于模糊邏輯的風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩控制流程圖

3 模糊控制策略設(shè)計(jì)

3.1 隸屬度函數(shù)

模糊控制器采用兩輸入、單輸出的mamdani結(jié)構(gòu)，如圖3所示。兩輸入分別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n及冷卻液溫度差ΔT，輸出為冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)。溫度差ΔT是實(shí)際溫度與最優(yōu)溫度之差，可表示為：

式(5)中：TOPT為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液最優(yōu)工作溫度，T(t)為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度。

圖3 模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)輸入量做歸一化處理，確定溫差論域?yàn)閇-2,2]，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)論域確定為[0,1]，將上述輸入、輸出變量分別劃分為5個(gè)模糊子集，以{low, mid low, mid, mid high, high}表示{低，較低，中，較高，高}[8]。

三角型隸屬函數(shù)和梯形函數(shù)對(duì)于采樣過(guò)程中的隨機(jī)噪聲有較好的過(guò)濾作用，也便于計(jì)算及參數(shù)調(diào)整[10,11]，根據(jù)本文研究問(wèn)題的論域及模糊子集，溫差變量采用梯形和三角形隸屬度函數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩系數(shù)采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖4和圖5所示。

圖4 溫差隸屬度函數(shù)

圖5 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩系數(shù)隸屬度函數(shù)

3.2 模糊規(guī)則庫(kù)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是滿足功能需求的前提下提升燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于混合動(dòng)力汽車，冷卻控制系統(tǒng)工作特點(diǎn)可以描述如下：

1）冷卻風(fēng)扇輸出轉(zhuǎn)矩必須要對(duì)溫差變化做出及時(shí)響應(yīng)；

2）要求在保持目標(biāo)溫差最小的條件下，冷卻風(fēng)扇的輸出轉(zhuǎn)矩盡可能?。?/p>

3）混合動(dòng)力汽車具有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n隨車輛負(fù)荷增大而增大的特點(diǎn)，因此冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩可以在冷卻液溫度升高前應(yīng)適當(dāng)增大，避免大的溫度波動(dòng)。

依據(jù)上述混合動(dòng)力汽車工作特點(diǎn)，制定模糊邏輯控制規(guī)則時(shí)遵循以下原則：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫差ΔT小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n低，則冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t) 值減??；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n高，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)應(yīng)適當(dāng)增加，避免發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升后溫度急劇上升；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫差ΔT大，則冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)值增加。

冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K(t)的模糊邏輯控制策略采用IF-THEN規(guī)則，建立了25條規(guī)則庫(kù)，其規(guī)則如表1所示。采用模糊蘊(yùn)涵最小運(yùn)算進(jìn)行模糊推理，結(jié)果如圖6所示。

表1 模糊邏輯控制規(guī)則表

圖6 模糊推理曲面圖

4 控制策略的仿真驗(yàn)證

為評(píng)價(jià)結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制策略在混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s風(fēng)扇上應(yīng)用效果，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下建立冷卻風(fēng)扇控制模型，并導(dǎo)入混合動(dòng)力汽車整車模型的控制策略模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果與AVL公司在同等工況下對(duì)采用常規(guī)控制策略的原型車的冷卻風(fēng)扇測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)控制策略以冷卻液溫度作為冷卻風(fēng)扇開(kāi)關(guān)控制變量，冷卻風(fēng)扇工作過(guò)程輸出轉(zhuǎn)矩恒定?；旌蟿?dòng)力汽車動(dòng)力電池初始SOC設(shè)為0.3，使發(fā)動(dòng)機(jī)在工況開(kāi)始階段便啟動(dòng)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升。

采用歐洲駕駛循環(huán)NEDC這一典型工況進(jìn)行仿真分析，其工況如圖7所示。

圖7 NEDC循環(huán)工況

循環(huán)工況過(guò)程，結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制策略中發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖8所示，由于初始SOC較低，循環(huán)工況初始發(fā)動(dòng)機(jī)便開(kāi)始工作。兩種控制策略下冷卻風(fēng)扇輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比和冷卻液溫度變化對(duì)比分別如圖9和圖10所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

圖9 冷卻風(fēng)扇輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖10 冷卻液溫度變化對(duì)比

由圖9和圖10可以看到，520s附近，冷卻液溫度達(dá)到最優(yōu)值，此時(shí)常規(guī)控制方案中的冷卻風(fēng)扇開(kāi)啟，輸出10Nm的轉(zhuǎn)矩，545s左右進(jìn)入制動(dòng)工況，溫度下降至最優(yōu)值以下，風(fēng)扇停止；與此同時(shí)，結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略中冷卻風(fēng)扇在最優(yōu)溫度前已經(jīng)開(kāi)啟，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸增加，直至維持在穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。圖8顯示在900s左右時(shí)，汽車轉(zhuǎn)入純電動(dòng)機(jī)工作模式，此時(shí)圖9可見(jiàn)常規(guī)控制策略中的冷卻風(fēng)扇繼續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩直至溫度低于最優(yōu)溫度，冷卻液溫度下降明顯，而結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略中冷卻風(fēng)扇馬上停止，冷卻液溫度下降相對(duì)平緩。

另外，從圖10還可以看出，520s首次進(jìn)入最優(yōu)溫度開(kāi)始至工況最后結(jié)束，汽車在各種工作模式下，兩種策略基本上都能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)保持在較為高效運(yùn)行的最優(yōu)溫度區(qū)間內(nèi)。但是常規(guī)控制策略中，溫度曲線變化較結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略更為明顯，溫度波動(dòng)稍大，從數(shù)值上看，常規(guī)控制策略的平均溫度為95.59℃，而在結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略下的平均溫度為95.46℃，更接近95℃的最優(yōu)溫度值。說(shuō)明混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)采用結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略時(shí)溫度控制更精確。

而兩種控制策略下，混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表2所示，采用常規(guī)控制的汽車百公里油耗為，采用結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略的混合動(dòng)力汽車百公里油耗為2.65L/100km，比常規(guī)控制結(jié)果的2.68L/100km節(jié)省燃油0.03L/100km，節(jié)油率達(dá)1.13%。

表2 燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表

5 結(jié)論

1）混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)采用結(jié)合工作模式設(shè)計(jì)的模糊控制策略，使得純電動(dòng)工作模式時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度下降更慢，這有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的再次啟動(dòng)；

2）冷卻風(fēng)扇需求轉(zhuǎn)矩采用模糊控制器之后，冷卻液溫度控制更加精確，燃油經(jīng)濟(jì)性也有一定提升。因此，混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s風(fēng)扇采用結(jié)合工作模式的模糊邏輯控制策略優(yōu)于常規(guī)基于冷卻液溫度的控制策略。

[1]李理光,李獻(xiàn)菁,陸海峰,等.混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)拖動(dòng)策略和起動(dòng)性能的研究[J].汽車工程.2016,38(2):133-140.

[2]江曼.插電式混合動(dòng)力汽車用電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2016.

[3]紀(jì)光霽.發(fā)動(dòng)機(jī)溫度精確控制的研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2007.

[4]董赫倫.高壓變頻器的散熱器選擇與性能研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

[5]張博榕,余才光,賀文江.某深度混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].汽車科技,2012,(4): 62-66.

[6]郭新民,邢娟,王會(huì)明,等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自控電動(dòng)冷卻風(fēng)扇的發(fā)展與研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程.1999,(3):12-15.

[7]何成立.并聯(lián)式混合動(dòng)力公交車及其冷卻系統(tǒng)性能仿真研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,2012.

[8]董冰,田彥濤,周長(zhǎng)久.基于模糊邏輯的純電動(dòng)汽車能量管理優(yōu)化控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版).2015,45(2):516-525.

[9]Ziyou Song, Heath Hofmann, Jiangqiu Li, et al. Energy Management Strategies Comparison for Electric Vehicles with Hybrid Energy Storage System[J].Applied Energy,2014,134:321-331.

[10]譚光興,陳贊,林聰,等.純電動(dòng)汽車并聯(lián)式雙電池能量分配雙模糊控制策略[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(6):77-81.

[11]吳曉剛,王旭東,孫金磊,等.ISG型混合動(dòng)力汽車粒子群優(yōu)化模糊控制研究[J].公路交通科技,2011,28(6):146-152.