周偉，熊演峰

（1.仁壽縣龍正鎮(zhèn)人民政府，四川 仁壽 620562；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

引言

雖然國(guó)內(nèi)新能源政策補(bǔ)貼傾向于發(fā)展純電動(dòng)汽車，但是由于電池能量密度、壽命等因素，現(xiàn)階段“里程憂慮”、成本高昂等問(wèn)題普遍存在，因此HEV/PHEV 車輛將存在較長(zhǎng)一段時(shí)期?？紤]HEV 車輛按照現(xiàn)有政策定位于節(jié)能車，不享受財(cái)政補(bǔ)貼，商用車領(lǐng)域近期基本沒(méi)有產(chǎn)品，本文主要集中于PHEV 商用車整車控制上。國(guó)內(nèi)PHEV 商用車主要集中在城市公交領(lǐng)域，整車控制的目標(biāo)是在節(jié)能基礎(chǔ)上兼顧駕駛性。其中從駕駛員意圖識(shí)別角度著手，主要通過(guò)加速踏板、制動(dòng)踏板體現(xiàn)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)實(shí)現(xiàn)扭矩協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)駕駛性；其中從全局優(yōu)化角度，實(shí)現(xiàn)電池-發(fā)動(dòng)機(jī)的能量協(xié)調(diào)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制是在全工況下的控制優(yōu)化，是對(duì)瞬時(shí)工況下各個(gè)動(dòng)力源的積分效應(yīng)。本文主要基于工程可實(shí)現(xiàn)化最高的多參數(shù)邏輯門限值控制，結(jié)合瞬時(shí)優(yōu)化控制開展自適應(yīng)控制研究。

HEV/PHEV 作為一種雙能源車輛，通過(guò)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作狀況，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳效率區(qū)域。近年來(lái)常用控制策略基本上可以分為下述幾種：

1 基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略

基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略以“基于規(guī)則的功率管理策略”為代表，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)特性以及循環(huán)工況一定的情況下能獲得較為理想的效果，目前被普遍采用。但其門限值事先設(shè)定并且是固定值，因此對(duì)工況及參數(shù)漂移的適應(yīng)能力差，無(wú)法獲得整車系統(tǒng)的最大效率。

2 基于模糊控制的智能型控制策略

基于模糊控制的智能型控制策略比較符合人的邏輯思維，在混合動(dòng)力汽車中應(yīng)用比較合適，以 Sugeno-Takagi 模糊控制模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制器，具有魯棒性好的特點(diǎn)，但缺乏自適應(yīng)或自學(xué)習(xí)的能力。

3 基于優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)控制策略

基于優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)控制策略較多采用貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論進(jìn)行全局優(yōu)化，該算法考慮循環(huán)工況的動(dòng)態(tài)變化，具有實(shí)時(shí)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)工作狀態(tài)最優(yōu)點(diǎn)的功能，能綜合實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。但是，這種方法優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜，需要大量運(yùn)算，導(dǎo)致其實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的困難。

上述算法實(shí)際工程使用中需考慮現(xiàn)有產(chǎn)品整車控制器計(jì)算能力，因?yàn)橛?jì)算量緣故，方案一現(xiàn)運(yùn)用普遍，方案二也有體現(xiàn)，方案三實(shí)際產(chǎn)品中基本很少應(yīng)用。依托12 米混合動(dòng)力客車雙電機(jī)方案產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目開展相關(guān)研究，其中動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型具體如下：

圖1 混合動(dòng)力客車雙電機(jī)方案

整車參數(shù)詳見表1。

表1 整車參數(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)詳見表2。

混合動(dòng)力客車雙電機(jī)方案整車控制器 HCU 通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)總成、控制器進(jìn)行通訊，接收各總成上報(bào)的狀態(tài)和故障信息，并通過(guò)采集整車鑰匙門、加速踏板和制動(dòng)踏板開度等信息，綜合分析當(dāng)前整車狀態(tài)以及駕駛員的需求對(duì)各總成發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)整車的各項(xiàng)功能，HCU 的控制接口如圖2 所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

圖2 HCU 控制接口

根據(jù)整車配置及HCU 接口定義，確定HCU 具備以下6 項(xiàng)基本功能：高低壓電源管理、行駛控制、熱管理、附件控制、人機(jī)接口和充電功能，詳見圖3。

圖3 HCU 基本功能

在動(dòng)力系統(tǒng)的匹配與控制中，TM 電機(jī)功率略大于BSG 電機(jī)，混合動(dòng)力系統(tǒng)的助力、純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收主要依靠TM 電機(jī)，把BSG 電機(jī)解放出來(lái)主要用于起/停發(fā)動(dòng)機(jī)和怠速充電。因此，通過(guò)協(xié)調(diào)控制各動(dòng)力總成工作狀態(tài)，可充分發(fā)揮BSG、發(fā)動(dòng)機(jī)和TM 電機(jī)特性，提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。因此對(duì)混合動(dòng)力客車雙電機(jī)方案工作模式進(jìn)行劃分，主要包括停車模式、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停模式、怠速暖機(jī)模式、怠速充電模式、純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、行車發(fā)電模式、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式、滑行能量回收模式、制動(dòng)能量回收模式等，在各種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)、BSG 電機(jī)和TM 電機(jī)的工作情況，詳見圖4。

圖4 各模式總成工作狀態(tài)

混合動(dòng)力客車雙電機(jī)方案整車控制技術(shù)按照整車功能及內(nèi)容可以分為以下四大類：整車功能模式集成化管理、整車功能模塊化、基于效率最優(yōu)的能量管理和基于底層向量的故障診斷，本文主要集中在基于效率最優(yōu)的能量管理上。

基于效率最優(yōu)的能量管理主要是指提高動(dòng)力系統(tǒng)在實(shí)際工況中的工作效率問(wèn)題，這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，需要綜合論證分析混合動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型，研究混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化匹配與控制，使開發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)各種道路工況和不同駕駛員的駕駛習(xí)慣，無(wú)論在怎樣的道路工況與駕駛員需求功率下，動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源都能工作在高效區(qū)。同時(shí)該方案作為產(chǎn)品開發(fā)必須基于現(xiàn)有產(chǎn)品HCU 資源，現(xiàn)有產(chǎn)品HCU 主要參數(shù)具體如下：

圖5 產(chǎn)品HCU 三維

表3 HCU 性能參數(shù)

因此基于現(xiàn)有產(chǎn)品HCU 能力，在達(dá)成節(jié)油目標(biāo)前提下，盡可能減少計(jì)算需求是很有必要。而基于多參數(shù)邏輯門限值的瞬時(shí)優(yōu)化控制策略的基本思想是：將易于用門限值確定工作模式的區(qū)域提取出來(lái)，避免復(fù)雜的瞬時(shí)優(yōu)化算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，關(guān)鍵是各個(gè)門限值的確定。其他區(qū)域內(nèi)則通過(guò)瞬時(shí)優(yōu)化算法自適應(yīng)尋優(yōu)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)各自的扭矩輸出，決定發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式是由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)還是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并充電。將邏輯門限值方法的簡(jiǎn)單高效性與瞬時(shí)優(yōu)化算法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。

由混合動(dòng)力客車的雙電機(jī)構(gòu)型特征可知，該車具備混合動(dòng)力汽車的所有功能，整車的基本控制策略是汽車在原地起步加速階段采用純電動(dòng)運(yùn)行，避免采用發(fā)動(dòng)機(jī)起步加速帶來(lái)的動(dòng)態(tài)油耗和排放；在中等需求功率階段，切換到純發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式；當(dāng)需求功率增大到一定程度時(shí)加上電動(dòng)機(jī)進(jìn)行助力；在低負(fù)荷工況當(dāng)電池 SOC 不夠時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)串聯(lián)發(fā)電向蓄電池充電；在低制動(dòng)強(qiáng)度減速階段，采用發(fā)電機(jī)再生制動(dòng)回收制動(dòng)能量。

在各種驅(qū)動(dòng)模式選擇及切換過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)整車系統(tǒng)效率最優(yōu)的目標(biāo)，我們采用工程可實(shí)現(xiàn)化最高的多參數(shù)邏輯門限值控制方法，同時(shí)結(jié)合瞬時(shí)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)整車性能的最優(yōu)，具體工作分為純電動(dòng)工作算法、混合動(dòng)力工作算法、基于系統(tǒng)效率的扭矩分配。

4 純電動(dòng)工作算法

整車純電動(dòng)工作區(qū)間計(jì)算模塊中，選取了駕駛員需求扭矩、車速和電池SOC 三個(gè)主要參數(shù)作為邏輯門限值，計(jì)算出整車純電動(dòng)工作區(qū)域，見圖5 所示?；谝陨险嚰冸妱?dòng)區(qū)間控制策略，可以在滿足駕駛員需求及電池電量平衡的前提下，盡可能擴(kuò)大整車純電動(dòng)工作區(qū)間，提高整車系統(tǒng)效率，改善整車經(jīng)濟(jì)性。

圖5 純電動(dòng)工作區(qū)劃分

另外，整車控制策略中還特別設(shè)置了當(dāng)整車急加速或電機(jī)純電動(dòng)可用扭矩不足（如高壓系統(tǒng)故障）時(shí)，整車提前退出純電動(dòng)工作模式的策略，從而提高整車各種環(huán)境及使用工況下的適應(yīng)性。

5 混合動(dòng)力工作算法

當(dāng)整車駕駛員需求扭矩超過(guò)電機(jī)最大純電動(dòng)扭矩上限且整車車速超過(guò)純電動(dòng)車速門時(shí)，需要整車控制器首先控制BSG 電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，然后整車退出純電動(dòng)工作區(qū)間并進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間；當(dāng)駕駛員需求扭矩超出發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)上限時(shí)，整車進(jìn)入聯(lián)合助力區(qū)，由TM 電機(jī)助力，補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不足；同時(shí)當(dāng)滑行或制動(dòng)減速時(shí)，進(jìn)入制動(dòng)能量回收區(qū)，由TM 電機(jī)發(fā)電并將整車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到高壓電池中，整車各工作區(qū)間劃分見圖6 所示。

圖6 整車工作區(qū)間劃分及發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化控制

混合動(dòng)力控制策略具體如下：當(dāng)外界負(fù)荷落在發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗、電機(jī)等效燃油消耗和發(fā)動(dòng)機(jī)排放組成的目標(biāo)函數(shù)決定動(dòng)力源，進(jìn)行瞬時(shí)優(yōu)化自適應(yīng)控制。由發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)自提供驅(qū)動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電池充電取決于SOC 和電機(jī)、電池的充電效率，進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu)。當(dāng)外界負(fù)荷落在聯(lián)合助力區(qū)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出最大扭矩，電機(jī)提供剩余扭矩，進(jìn)行聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。

6 基于系統(tǒng)效率的扭矩分配

混合動(dòng)力客車雙電機(jī)方案基于系統(tǒng)效率的扭矩分配策略見圖7 所示，首先HCU 根據(jù)車速及踏板開度查表計(jì)算出駕駛員需求扭矩，然后綜合考慮電池SOC 和整車各項(xiàng)性能選取動(dòng)力總成工作模式，并最終計(jì)算出各工作模式下整車控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的控制扭矩需求，從而完成整車行駛過(guò)程中的扭矩分配。

圖7 基于系統(tǒng)效率的扭矩分配

由于整車扭矩分配控制策略中涉及多個(gè)模塊，各模塊通常包含多個(gè)控制參數(shù)，且各個(gè)參數(shù)間又有著一定的耦合關(guān)系，因此整車各工況下基于系統(tǒng)效率的參數(shù)優(yōu)化便顯得尤為重要。通過(guò)仿真軟件的離線仿真可以快速優(yōu)化整車性能，給出控制參數(shù)的優(yōu)化組合及區(qū)間，而實(shí)車轉(zhuǎn)轂及道路標(biāo)定試驗(yàn)，則是優(yōu)化整車性能，確定整車控制參數(shù)最為直接且有效的手段，通常也需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

7 結(jié)論

基于MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立了控制策略仿真模 型，并在后續(xù)產(chǎn)品實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證，依據(jù)中國(guó)城市綜合工況實(shí)際油耗數(shù)據(jù)為19.64L/100km，達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。與基于優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)控制策略相比，較大程度上減少計(jì)算量，更易于工程實(shí)現(xiàn)；與傳統(tǒng)邏輯門限值控制策略相比，計(jì)算量有一定增加，但是具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。所以下一步工作可以考慮在產(chǎn)品HCU 計(jì)算能力滿足前提下，保證算法實(shí)用性的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步完善，同時(shí)適當(dāng)引入現(xiàn)代智能控制方法，進(jìn)一步地提高燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放。