葉心， 張騰， 盧金濤， 馬凱， 盛劉振

(重慶理工大學(xué)車(chē)輛工程學(xué)院汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

全球范圍內(nèi)對(duì)汽車(chē)能源的使用和排放要求日益嚴(yán)格，《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》不僅是對(duì)《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》的政策延續(xù)，也是未來(lái)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性方針指引。純電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池的能量密度低且短期內(nèi)難以提升、使用年限較短、充電后續(xù)航里程短、價(jià)格高昂以及維修更換成本高等方面的原因，限制了純電動(dòng)汽車(chē)的推廣和發(fā)展，而混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)綜合了節(jié)能環(huán)保、續(xù)航里程和動(dòng)力性的優(yōu)勢(shì)，從而應(yīng)用十分廣泛[1]。

由于混合動(dòng)力汽車(chē)同時(shí)配備發(fā)動(dòng)機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整車(chē)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制技術(shù)要求較高。能量管理系統(tǒng)是新能源汽車(chē)整車(chē)控制的核心部分，能量管理策略是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)研究的關(guān)鍵問(wèn)題[2]，能量管理策略可以通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)間，從而可以達(dá)到降低油耗的效果。曾繁琦等[3]針對(duì)軍用混和動(dòng)力汽車(chē)采用有限狀態(tài)機(jī)(Stateflow)在控制策略中建立各個(gè)工作模式間的邏輯關(guān)系及狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程改善了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，邏輯閾值依賴于經(jīng)驗(yàn)。嚴(yán)正峰等[4]、黃康等[5]、李萍等[6]針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)構(gòu)建基于規(guī)則的能量管理策略，并通過(guò)遺傳算法、二次規(guī)劃等方法對(duì)邏輯門(mén)限的閾值進(jìn)行了優(yōu)化，提高了車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性，但只針對(duì)部分模式切換條件下的閾值進(jìn)行了優(yōu)化。

現(xiàn)從車(chē)輛動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的初始狀態(tài)出發(fā)，針對(duì)P2構(gòu)型的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)提出一種多目標(biāo)優(yōu)化的雙層能量管理策略。上層策略根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力電池初始SOC狀態(tài)不同，設(shè)定不同的優(yōu)化目標(biāo)。其中低電量狀態(tài)和高電量狀態(tài)以SOC平衡為主要目標(biāo)；中電量狀態(tài)以整車(chē)綜合燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性為綜合優(yōu)化目標(biāo)。下層策略再根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建邏輯門(mén)限控制策略，并基于多目標(biāo)遺傳算法對(duì)雙層能量管理策略中的閾值進(jìn)行選擇與優(yōu)化。最后通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證在全球輕型汽車(chē)測(cè)試循環(huán)(world wide light-duty test，WLTC)駕駛工況下，SOC能維持在最佳工作區(qū)間，且整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性得到明顯提升。

1 整車(chē)參數(shù)匹配及模型搭建

混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)對(duì)車(chē)輛的性能有著重要影響，對(duì)整車(chē)參數(shù)進(jìn)行合理匹配和選型，是整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵性步驟[7]。

1.1 整車(chē)基本參數(shù)

從整車(chē)具體的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，通過(guò)理論技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)整車(chē)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體參數(shù)值如表1所示。

表1 整車(chē)基本參數(shù)Table 1 Basic vehicle parameters

1.2 動(dòng)力源最大功率確定

混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力源包括發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，其最大綜合功率Pmax要滿足汽車(chē)的動(dòng)力性要求，因此主要通過(guò)最高車(chē)速以及最大爬坡度來(lái)確定動(dòng)力源的最大綜合功率。

1.2.1 根據(jù)最高車(chē)速確定總功率

為了保證整車(chē)具有良好的動(dòng)力性，因此在整車(chē)半載質(zhì)量mh=1 750 kg時(shí)，預(yù)期最高車(chē)速Vmax能達(dá)到200 km/h，根據(jù)式(1)可確定以車(chē)速為目標(biāo)總功率Pvmax的值。

(1)

式(1)中：ηT為傳動(dòng)系總效率，取值為0.9；g為重力系數(shù)，N/kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為整車(chē)迎風(fēng)面積，m2?？捎?jì)算得到Pvmax=115.3 kW。

1.2.2 根據(jù)最大爬坡度確定總功率

汽車(chē)的爬坡能力是指滿載時(shí)汽車(chē)在良好路面所能爬上的最大坡度[8]。整車(chē)滿載質(zhì)量mf=2 000 kg，令其在車(chē)速為Vα=30 km/h的條件下，最大爬坡度能達(dá)到imax=35%，根據(jù)式(2)確定以坡度為目標(biāo)總功率Pαmax的值。

(2)

根據(jù)式(2)可計(jì)算得到以坡度為目標(biāo)總功率Pαmax=67 kW。

根據(jù)以上計(jì)算，動(dòng)力源最大功率必須滿足各項(xiàng)動(dòng)力性指標(biāo)，即

Pmax>max(Pvmax，Pαmax)

(3)

由式(3)可知，動(dòng)力源的最大總功率要大于115.3 kW，考慮到汽車(chē)行駛過(guò)程中附件消耗的功率，最終選取的動(dòng)力源最大功率要留有10%～30%的功率余量[9]。所以動(dòng)力源目標(biāo)功率在126～150 kW。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

根據(jù)動(dòng)力源最大功率的設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步確定發(fā)動(dòng)機(jī)模型，因而選擇現(xiàn)有的最大功率為101 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，剩余部分功率由電機(jī)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表Table 2 Engine parameter table

采用MATLAB對(duì)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行建?？梢缘玫桨l(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率曲線、外特性曲線以及發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性曲線。如圖1所示。

1.4 電機(jī)模型

根據(jù)動(dòng)力源最大功率的設(shè)計(jì)要求以及已經(jīng)確定的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，可以得知所選用的電機(jī)峰值功率在25～49 kW，并且與發(fā)動(dòng)機(jī)疊加后的峰值功率要滿足動(dòng)力源的設(shè)計(jì)要求。因此選用現(xiàn)有功率為46 kW的永磁同步電機(jī)作為動(dòng)力源的一部分，電機(jī)參數(shù)如表3所示。

根據(jù)電機(jī)的數(shù)據(jù)可以得到電機(jī)的效率特性圖，如圖2所示。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為正時(shí)，消耗電池的電量，處于耗電狀態(tài)；當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行充電，處于發(fā)電狀態(tài)[10]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖Fig.1 Engine universal characteristic diagram

表3 電機(jī)參數(shù)表Table 3 Motor parameter table

1.5 電池模型

經(jīng)綜合考慮，選用鋰電池作為電源系統(tǒng)，動(dòng)力電池的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括電壓等級(jí)和電池容量的設(shè)計(jì)。

1.5.1 電壓等級(jí)的確定

參照《電動(dòng)車(chē)輛高壓系統(tǒng)等級(jí)》(GB/T 31466—2005)考慮安全、電網(wǎng)電壓、經(jīng)濟(jì)性等因素，高速電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力電池系統(tǒng)推薦額定電壓等級(jí)可選144、288、320、346、400、576 V 等。

電壓等級(jí)越高，電機(jī)系統(tǒng)效率越高，但同時(shí)過(guò)高的電壓平臺(tái)使耐壓元件的成本提高，結(jié)合所選電機(jī)的電壓等級(jí)，設(shè)定電池組的電壓等級(jí)為 320 V[11]。

1.5.2 電池容量的確定

采用等速法對(duì)動(dòng)力電池容量進(jìn)行計(jì)算。在純電動(dòng)模式下以車(chē)速為Ve=60 km/h等速巡航，預(yù)期行駛里程D能達(dá)到60 km，在此過(guò)程中汽車(chē)行駛所需功率均由電機(jī)提供，根據(jù)式(4)可以得出該條件下電池所需的總?cè)萘俊?/p>

電池具體參數(shù)如表4所示。

表4 電池參數(shù)表Table 4 Battery parameter table

(4)

式(4)中：ηb為電池放電效率，取值為0.9；T為行駛時(shí)間，h；Pm為電機(jī)工作功率，kW；Eb為電池所需的總能量，kW·h；C為電池容量，A·h；U為電壓等級(jí)，V，可計(jì)算得出C=25.26 A·h。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將整車(chē)電池模型的容量設(shè)置為30 A·h。

1.6 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

1.6.1 最小傳動(dòng)比的確定

根據(jù)圖2可知，最大功率點(diǎn)也對(duì)應(yīng)著最高轉(zhuǎn)速，因此，在預(yù)期最高車(chē)速Vmax=200 km/h處，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n為6 000 r/min。

圖2 電機(jī)效率特性圖Fig.2 Motor efficiency characteristic diagram

(5)

式(5)中：r為車(chē)輪的滾動(dòng)半徑，m；ig為變速器速比；i0為主減速器速比。根據(jù)式(5)可以得出，傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比應(yīng)該小于3.57。

1.6.2 最大傳動(dòng)比的確定

傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比的確定主要是由最大爬坡度來(lái)決定的，根據(jù)圖2可換算得出動(dòng)力源的峰值扭矩Tmax=319 N·m，目標(biāo)的最大爬坡度能達(dá)到imax=35%。

(6)

式(6)中：α=19.3°為對(duì)應(yīng)的坡度角。

因此根據(jù)式(6)可以得出傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比應(yīng)大于7.48。

根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果，最終選的傳動(dòng)系統(tǒng)模型具體參數(shù)如表5所示。

表5 傳動(dòng)系參數(shù)表Table 5 Transmission parameter table

1.7 整車(chē)模型搭建

Cruise軟件是一款車(chē)輛動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性仿真軟件，界面友好、可視化強(qiáng)[12]，因此基于已匹配完成的整車(chē)部件的參數(shù)，通過(guò)Cruise軟件對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行搭建，并對(duì)各部件的機(jī)械信號(hào)和電氣信號(hào)進(jìn)行連接，搭建好的整車(chē)模型如圖3所示。

1.8 整車(chē)模式分析

該混合動(dòng)力汽車(chē)共有7種工作模式，分別為停車(chē)充電模式、純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式、行車(chē)充電模式、純發(fā)動(dòng)機(jī)模式、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式以及制動(dòng)能量回收模式，各個(gè)模式下部件的工作狀態(tài)如表6所示。

圖3 整車(chē)模型Fig.3 Vehicle model

表6 不同模式下各個(gè)部件的工作狀態(tài)Table 6 Working statue of components in different modes

2 基于規(guī)則的能量管理策略

基于規(guī)則的能量管理策略的基本思想是以動(dòng)力部件的穩(wěn)態(tài)特性為基礎(chǔ)，根據(jù)駕駛員、車(chē)輛的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性，對(duì)混合系統(tǒng)工作模式進(jìn)行切換，完成發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)工作點(diǎn)劃分和轉(zhuǎn)矩分配等[13]。

2.1 整車(chē)需求扭矩求解

根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力整車(chē)行駛平衡方程，對(duì)整車(chē)的需求扭矩進(jìn)行求解，如式(7)所示，以此作為能量管理策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件。

(7)

式(7)中：Ttq為整車(chē)需求扭矩，N·m；ig為變速器速比；i0為主減速器速比；ηT為傳動(dòng)系效率；G為整車(chē)重力，N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為整車(chē)迎風(fēng)面積，m2；u為車(chē)速，m/s；i為坡度；δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為整車(chē)質(zhì)量，kg。

2.2 整車(chē)工作模式分析

根據(jù)整車(chē)動(dòng)力部件靜態(tài)特性，分析車(chē)輛主要行駛模式的特點(diǎn)，將整車(chē)分為高、中、低3種電量狀態(tài)針，為了維持整車(chē)行駛過(guò)程中SOC平衡，針對(duì)整車(chē)不同電量狀態(tài)對(duì)行駛模式進(jìn)行劃分，主要考慮以下因素。

(1)在高電量狀態(tài)下，整車(chē)盡可能以電池放電的模式進(jìn)行工作，避免對(duì)電池進(jìn)行充電。

(2)在中電量狀態(tài)下，整車(chē)各個(gè)工作模式進(jìn)行合理分配，對(duì)電池的充放電情況不加以過(guò)多的限制，保證整車(chē)對(duì)能量進(jìn)行高效利用。

(3)在低電量狀態(tài)下，整車(chē)盡可能以電池充電的模式進(jìn)行工作，盡量避免對(duì)電池進(jìn)行放電。

根據(jù)以上要求，合理的設(shè)計(jì)整車(chē)能量管理策略，整車(chē)在高電量狀態(tài)下電量富余，從而沒(méi)有停車(chē)充電模式和行車(chē)充電模式；在中間電量狀態(tài)下由于有足夠的電量驅(qū)動(dòng)整車(chē)，從而沒(méi)有停車(chē)充電模式；在低電量狀態(tài)下電量不足，從而沒(méi)有純電動(dòng)和并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。其具體的劃分方式如表7所示。

表7 不同電量狀態(tài)下工作模式的劃分Table 7 Working mode division of different power states

2.3 驅(qū)動(dòng)模式需求扭矩分配

在整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式下，需求扭矩根據(jù)不同的工作模式分配到發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)這兩個(gè)動(dòng)力源上，以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。相比于純電動(dòng)模式，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式下，需求扭矩增加了啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的扭矩。整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式具體的扭矩分配情況如表8所示。

表8 驅(qū)動(dòng)模式整車(chē)需求扭矩分配Table 8 Vehicle demand torque distribution in driving mode

2.4 制動(dòng)能量回收策略設(shè)計(jì)

在制動(dòng)模式下，整車(chē)制動(dòng)扭矩一部分作用于制動(dòng)器上，另一部分作用于電機(jī)進(jìn)行能量回收。制動(dòng)扭矩的分配情況由式(8)和式(9)計(jì)算得出。

TM=TtqKvKa

(8)

TB=TW-TMW

(9)

式中：TM為電機(jī)制動(dòng)扭矩，N·m；Ttq為動(dòng)力源需求制動(dòng)扭矩，N·m；Kv為制動(dòng)車(chē)速系數(shù)；Ka為制動(dòng)減速度系數(shù)；TB為制動(dòng)器制動(dòng)扭矩，N·m；TW為輪邊需求制動(dòng)扭矩，N·m；TMW為電機(jī)等效到輪邊制動(dòng)扭矩，N·m。其中圖4(a)為制動(dòng)車(chē)速系數(shù)Kv隨著制動(dòng)車(chē)速的變化曲線圖；圖4(b)為制動(dòng)減速度系數(shù)Ka隨著整車(chē)加速度變化曲線圖。

輪邊需求制動(dòng)扭矩的計(jì)算如式(10)所示。

(10)

圖4 制動(dòng)系數(shù)變化曲線圖Fig.4 Braking coefficient curve

式(10)中：TW為輪邊需求制動(dòng)扭矩，Nm；nW為輪速，r/min；Pe為動(dòng)力源功率，kW；ηT為傳動(dòng)系效率。

2.5 仿真結(jié)果分析

2.5.1 動(dòng)力性能仿真結(jié)果分析

根據(jù)所建立的整車(chē)以及能量管理策略模型，基于全球輕型汽車(chē)測(cè)試循環(huán)(WLTC)對(duì)上述模型進(jìn)行仿真分析[14]。圖 5為Cruise軟件中實(shí)際車(chē)速與期望車(chē)速對(duì)比圖，仿真結(jié)果顯示實(shí)際車(chē)速與期望車(chē)速幾乎重合，滿足整車(chē)對(duì)動(dòng)力性能需求。

圖5 車(chē)速跟隨曲線Fig.5 Speed following curve

2.5.2 不同電量狀態(tài)仿真結(jié)果分析

在高電量狀態(tài)，為了使SOC達(dá)到一個(gè)合理的區(qū)間，電池應(yīng)該盡可能放電，將電池SOC初始值設(shè)定在75%，在仿真過(guò)程中其SOC變化情況如圖6所示，可以看出SOC曲線整體是處于下降的趨勢(shì)，直到SOC下降到50%電量狀態(tài)從高電量狀態(tài)跳到中電量狀態(tài)。

在中電量狀態(tài)，盡可能合理分配整車(chē)的工作模式，高效地對(duì)能量進(jìn)行回收以及利用，將電池SOC初始值設(shè)置在55%，在仿真過(guò)程中其SOC變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，在WLTC工況下，該SOC變化曲線整體上比較平緩，中電量狀態(tài)下的控制策略對(duì)整車(chē)工作模式的劃分合理。

在低電量狀態(tài)，為了使SOC達(dá)到一個(gè)合理的區(qū)間，電池應(yīng)盡量減少放電并且盡可能進(jìn)行充電，將電池SOC初始值設(shè)定在25%，在仿真過(guò)程中，其SOC變化情況如圖8所示，可以看出，SOC曲線整體

圖6 高電量狀態(tài)SOC曲線圖Fig.6 SOC curve of high power state

圖7 中電量狀態(tài)SOC曲線圖Fig.7 SOC curve of medium power state

圖8 低電量狀態(tài)SOC曲線圖Fig.8 SOC curve of low power state

處于上升的趨勢(shì)，直到SOC上升到50%，電量狀態(tài)從低電量狀態(tài)跳到中電量狀態(tài)。

2.5.3 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

為了方便對(duì)整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要對(duì)整車(chē)的燃油消耗和電量消耗進(jìn)行合理的等效轉(zhuǎn)換，以綜合油耗來(lái)評(píng)價(jià)整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

v=m/ρ

(11)

式(11)中：v為體積，L；m為質(zhì)量，kg；ρ為密度，kg/L。

已知燃油的熱值q=4.40×104kJ/kg；燃油的密度ρ=0.76 kg/L。根據(jù)式(11)可以將上述燃油熱值轉(zhuǎn)化為單位體積所釋放出來(lái)的熱量qE=3.34×104kJ/L。

又已知每千瓦時(shí)電量所包含的能量qM=3.6×103kJ/(kW·h)；發(fā)動(dòng)機(jī)綜合熱效率ηE=35%，電機(jī)平均效率ηM=80%，根據(jù)式(12)可計(jì)算出等效的油量T=0.246 L/(kW·h)。

(12)

在不同電量狀態(tài)下，基于WLTC工況對(duì)整車(chē)進(jìn)行動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性仿真，整車(chē)在高、中、低電量狀態(tài)下的仿真結(jié)果如表9所示。

表9 各電量狀態(tài)仿真結(jié)果Table 9 Simulation result of each power state

低電量狀態(tài)和高電量狀態(tài)主要目的是使SOC能夠快速恢復(fù)到合理范圍內(nèi)，而中電量模式是整車(chē)在行駛過(guò)程中占比最大的模式，合理設(shè)計(jì)中電量模式下的整車(chē)工作模式的切換對(duì)整車(chē)行駛過(guò)程中的SOC變化以及百公里綜合油耗有著很大的影響，因此主要對(duì)中間電量模式的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 Isight參數(shù)優(yōu)化及仿真分析

Isight是一款計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化平臺(tái)，具備開(kāi)放的架構(gòu)和接口，其中包含多種優(yōu)化策略，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域，在整車(chē)開(kāi)發(fā)方面已獲得了全球大部分企業(yè)的認(rèn)可，其靈活高效的建模和計(jì)算方法，使設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期大大縮短，開(kāi)發(fā)成本也有所降低[15]。

3.1 Isight-Cruise聯(lián)合優(yōu)化模型的建立

將Cruise整車(chē)模型集成在Isight中進(jìn)行優(yōu)化，其聯(lián)合優(yōu)化的主要分為以下步驟。

步驟1Bat文件的生成。

由于在Isight軟件中沒(méi)有直接與Cruise軟件連接的接口，因此必須先將Cruise整車(chē)模型生成Bat文件后再集成到Isight文件中。

步驟2Simcode接口對(duì)接。

將Cruise模型文件中.dbf文件作為Simcode的輸入，其中包含整車(chē)中的所有數(shù)據(jù)，以便選擇優(yōu)化參數(shù)；將仿真生成的結(jié)果文件summary.log作為Simcode的輸出以便選擇優(yōu)化目標(biāo)，將生成的Bat文件集成在Simcode的Command中，Cruise整車(chē)模型與Isight軟件對(duì)接完成。

步驟3優(yōu)化算法的選擇。

優(yōu)化問(wèn)題求最優(yōu)解的過(guò)程，需要對(duì)多個(gè)相互制約、相互影響的變量進(jìn)行統(tǒng)一的研究，使各個(gè)子目標(biāo)相互配合，共同達(dá)到平衡，這種涉及兩個(gè)及以上的目標(biāo)函數(shù)求最優(yōu)解的問(wèn)題稱(chēng)為多目標(biāo)優(yōu)化[16]。多目標(biāo)遺傳算法目前廣泛應(yīng)用于解決多目標(biāo)問(wèn)題，是一種基于非梯度算法的優(yōu)化方法，具有計(jì)算能力能、適應(yīng)范圍廣、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)[17]，由于對(duì)能量管理策略優(yōu)化過(guò)程中在提升整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)要保證SOC波動(dòng)不要太大，因此選用該算法來(lái)對(duì)能量管理策略中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

步驟4約束條件及優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)定。

約束條件的設(shè)定要符合整車(chē)工作模式切換的邏輯，待優(yōu)化參數(shù)的選擇及其約束條件的設(shè)定如表10所示。

表10 待優(yōu)化參數(shù)表Table 10 Table of parameters to be optimized

3.2 優(yōu)化過(guò)程分析

將多目標(biāo)遺傳算法的種群數(shù)量設(shè)為40，遺傳迭代次數(shù)設(shè)為100，從而經(jīng)過(guò)4 000次迭代計(jì)算后完成優(yōu)化仿真，并得出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果。圖9(a)是以整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，得到的百公里綜合油耗優(yōu)化過(guò)程，可以看出整車(chē)的百公里油耗優(yōu)化到了4.81 L/100 km附近；圖9(b)是以電平衡為目標(biāo)的整車(chē)百公里耗電量?jī)?yōu)化過(guò)程，在對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化過(guò)程中將整車(chē)電量限制在±1 kW·h/100 km以內(nèi)波動(dòng)。

圖9 優(yōu)化目標(biāo)收斂圖Fig.9 Optimization objective convergence graph

3.3 仿真結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表11對(duì)比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果可以得出百公里綜合油耗同比下降了3.2%，與此同時(shí)保證了整車(chē)百公里電耗在±1 kW·h的范圍內(nèi)波動(dòng)，完全符合預(yù)期目標(biāo)，優(yōu)化取得了良好的效果，解決了基于規(guī)則的能量管理策略經(jīng)驗(yàn)設(shè)定門(mén)限值的不準(zhǔn)確性與不合理性等問(wèn)題，提升了門(mén)限值設(shè)定的可靠性。

表11 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Table 11 Comparison of optimization results

4 結(jié)論

考慮到能量管理策略在整車(chē)上實(shí)用性等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)P2混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)參數(shù)的匹配以及對(duì)整車(chē)特性的分析，設(shè)計(jì)出了一種基于規(guī)則的電量平衡能量管理策略，在此基礎(chǔ)上以WLTC道路循環(huán)工況，對(duì)該混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真，證明基于電量平衡的能量管理策略的有效性，為了進(jìn)一步提高能量管理策略中各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定的合理性，采用Isight優(yōu)化軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)分析優(yōu)化后的仿真結(jié)果可知，對(duì)策略中的各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化取得了良好的效果，有效提升了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，符合預(yù)期結(jié)果。

在混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，影響整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的因素有很多，能量管理策略的設(shè)計(jì)只是其中的一部分，它主要是通過(guò)對(duì)動(dòng)力源扭矩的分配來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作區(qū)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化，顯然合適的換擋時(shí)機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作區(qū)間也有著很大的影響，因而可以通過(guò)換擋控制策略對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行控制，進(jìn)一步降低整車(chē)油耗。在能量管理策略的有效性和可靠性被驗(yàn)證之后，在此基礎(chǔ)上對(duì)該整車(chē)模型進(jìn)行換擋策略的一個(gè)優(yōu)化研究，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步優(yōu)化，它將作為下一個(gè)階段所要進(jìn)行的工作內(nèi)容。