李 欣， 朱晶宇

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.大連理工大學，大連 116024)

由于對動力系統(tǒng)的大規(guī)模需求，傳統(tǒng)柴油車很難提高燃油經(jīng)濟性.混合動力車輛在城市道路上行駛時可以充分發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢.引入驅(qū)動電機可回收制動能量，另一方面，發(fā)動機與電機協(xié)同使得發(fā)動機可以在高效率區(qū)域工作，從而適應城市民用車輛的制動頻率和低速行駛工況.在國內(nèi)，混合動力車輛主要采用P2結(jié)構(gòu)，發(fā)動機和永磁同步電機連接在同一軸上，可以相對提高車輛日常運行過程中的可靠性和能量利用率.增加變速箱可以有效換屆發(fā)動機和電機的坡起壓力，并在較大的范圍內(nèi)改變車輛行駛速度和車輪輸出扭矩.例如，GM Allison混合動力客車和Hino混合動力軌道客車采用發(fā)動機、雙電機和多個濕滑槽控制，從而實現(xiàn)多種工作狀態(tài)和模式切換.與P2結(jié)構(gòu)相比，多模開關(guān)可大大改進油耗和優(yōu)化動力系統(tǒng)工況.

混合動力車輛的控制策略在混合動力車輛的設(shè)計過程中起著重要的作用.隨著控制器硬件計算能力的進步，許多基于規(guī)則、優(yōu)化和人工智能的能量管理策略被開發(fā)和應用于工業(yè)上.由于混合系統(tǒng)的復雜性，控制策略的性能取決于參數(shù)優(yōu)化.許多先例討論過增程器與并行混合系統(tǒng)的優(yōu)化方法.然而，關(guān)于多模開關(guān)混合動力系統(tǒng)和傳動比優(yōu)化的例子卻很少.本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)動機工作點在線優(yōu)化控制策略，采用直接搜索算法對齒輪傳動比參數(shù)和多模切換邊界參數(shù)進行優(yōu)化.

1 控制模型設(shè)計

1.1 建模設(shè)計

本研究以某混動車輛增程器為框架進行研究.將飛輪拆下，并將其與電機連接，以建立一個混合多模態(tài)框架結(jié)構(gòu).多模開關(guān)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括柴油機、永磁同步電機、鋰離子電池組和離合器，驅(qū)動電機端增加變速箱.

圖1 多?；旌蟿恿Y(jié)構(gòu)

多模開關(guān)混合動力系統(tǒng)在運行過程中有三種模式：電動模式、混合動力模式和發(fā)動機模式.具體模式可根據(jù)車輛速度、目標驅(qū)動力和SOC可變范圍來選擇.

仿真平臺框架如圖2所示.采用來自駕駛周期的參考車速作為輸入信號，由駕駛員模型根據(jù)參考速度與實際速度之差輸出踏板加減速命令信息.車輛控制器采用規(guī)則型能量管理策略，將不同運行方式下的驅(qū)動力矩分配給發(fā)動機、發(fā)電機和電機.將驅(qū)動扭矩信號輸入到車輛縱向動力學模型中.最后，車輛動力學模型計算車輛在縱向方向的加減速信息，輸出仿真的車輛速度.

圖2 仿真平臺框架圖

發(fā)動機模型的建立是根據(jù)發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)，通過插值和查表讀取數(shù)據(jù)得到燃油消耗率，用一階慣性描述柴油機扭矩的動態(tài)特性.圖3為發(fā)動機特性圖.

圖3 發(fā)動機特性圖

(1)

式中，mfuel(kg/s)為燃油消耗率；TEng(Nm)為發(fā)動機輸出扭矩；Ne(rpm)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動電機模型輸入電池電壓信號，電機反饋速度信號，電機在扭矩指令信號，輸出電機電流信號和電機扭矩信號。電機效率ηmot和扭矩Tmot、轉(zhuǎn)速MotSpd的關(guān)系如下：

ηmot=f(MotSpd，Tmot).

(2)

根據(jù)電機效率圖可以得到電機的電能損耗PLoss，電機轉(zhuǎn)速與扭矩的成績就是電機的機械功率PMech。電機電流如下：

(3)

發(fā)動機、驅(qū)動電機主要參數(shù)見表1：

表1 驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)等效電路原理建立電池模型.輸入信號為電池電流、電池容量和電池溫度，輸出信號為電池電壓和電池SOC.電池模型見圖4：

圖4 電池模型

傳動系統(tǒng)主要包括發(fā)動機側(cè)的單齒輪箱模型、電機側(cè)的三級齒輪箱模型和扭矩聯(lián)軸器。離合器合上時，系統(tǒng)處于ENG模式，傳動軸3處的輸出扭矩Tout為：

Tout=Tin·N+Tmot·MotDriveRatio.

(4)

離合器分開時，系統(tǒng)處于EV或HEV模式，輸出扭矩Tout為：

Tout=Tmot·MotDriveRatio.

(5)

Tin為離合器后的輸出扭矩，N單齒輪箱傳動比，MotDriveRatio為電機側(cè)的傳動比。換擋策略見圖5：

圖5 換擋策略

車輛瞬態(tài)動力學模型包含三個自由度，分別為X、Z方向上的運動和Y方向上的旋轉(zhuǎn)運動.模型輸入為整車驅(qū)動力信號，輸出為整車在不同方向上的加速度和速度信號.車輛運動模型示意圖見圖6：

圖6 車輛運動模型

車輛動力進程可由下列式子表達：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

表2 混合動力車輛參數(shù)

表3 混合動力車輛參數(shù)

1.2 控制策略設(shè)計

為了達到實際應用的目的，控制器采用了基于確定規(guī)則的控制策略.系統(tǒng)控制框圖分為控制器部分和設(shè)備部分.控制器部分處理輸入信號，輸出電機扭矩、發(fā)動機扭矩、發(fā)電機扭矩和其他命令.輸入命令信號以驅(qū)動車輛.傳動系統(tǒng)和車輛運動模型將車輛速度、電機速度、發(fā)電機速度反饋給控制器，從而形成閉環(huán)控制.

發(fā)動機工況點的選擇是決定純發(fā)動機模式(ENG)和串聯(lián)模式(HEV)下燃油經(jīng)濟型水品的關(guān)鍵因素，發(fā)動機的候選工況點位于最小油耗線上(紅線)，如圖3所示.

當SOC>55時，HEV模式執(zhí)行放電策略：HEV模式執(zhí)行充電策略，充放電模塊控制策略如下：

(1)放電模塊

當電機Pmot所需電力功率滿足式(12)時，發(fā)動機應在最大功率點。

Pmot>max(eng.pwr)+Pbattdischarg_lmt.

(12)

當電機所需電力滿足式(13)時，發(fā)動機應為最小功率點。此特殊情況下電池充電。

Pmot≤min(eng.pwr)

(13)

當電機所需電力滿足式(14)時，候選發(fā)動機工作點eng.pwr應滿足式(15).

min(eng.pwr)

(14)

(15)

式中，Pbattdischarg_lmt為當前SOC對響應下的放電能量。

發(fā)動機工作點、電機動力需求和電池放電極限功率都在圖7中體現(xiàn)，其中區(qū)域①②③代表了式(12)，(13)，(14)。

圖7 放電模式下發(fā)動機工作點

(2)充電模式

當電機所需電力符合式(16)時，發(fā)動機將在最小功率點工作。

(16)

當電機所需動力符合式(17)時，發(fā)動機將在最大功率點工作。此特殊情況下電池放電。

Pmot>max(eng.pwr).

(17)

當電機所需電力滿足式(18)時，候選發(fā)動機工作點eng.pwr應滿足式(19)。

min(eng.pwr)-|Pbattcharg_lmt|

(18)

(19)

Pbattdischarg_lmt為當前SOC對響應下的放電能量。

發(fā)動機工作點、電機動力需求和電池放電極限功率都在圖8中體現(xiàn)，其中區(qū)域①②③代表了式(16)，(17)，(18)。

圖8 充電模式下發(fā)動機工作點

2 參數(shù)優(yōu)化

對于基于規(guī)則型的能量管理策略，其模式切換參數(shù)對燃油經(jīng)濟性的提高有重要影響。傳統(tǒng)的基于工程經(jīng)驗確定的模式切換參數(shù)不能實現(xiàn)全局優(yōu)化，且在校準時依賴于周期條件。因此，本研究采用基于全局情況的模式搜索方法，對參數(shù)選擇進行了廣泛的討論。直接搜索算法在當前點周圍搜索一組點并計算其目標函數(shù)值，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡搜索或非先行搜索相比，模式搜索具有方向性。通過比較目標函數(shù)在不同方向上的極值，可以找到局部或全局最優(yōu)點。模式搜索方法的基本過程如下：

(1)參數(shù)初始化，選擇xk作為初始點進行優(yōu)化；

(2)選擇搜索模式，在初始點周圍生成新的基點。

有兩種常見的模式：最大正基模式(2N)和最小正基模式(NP1)。如果自變量的數(shù)量為n，最大的正基模由有2n個向量，最小的正基模有2n+1個向量。本研究采用最大正基模式，每個方向上的向量稱為圖案的向量集vi，以f表示。圖9為當前點時生成的圖案的方向獨立變量n=3。從最大正基模式出發(fā)，搜索6個方向。

圖9 最大正基模式圖像研究

(20)

(3)在當前模式下生成所述的點，同時網(wǎng)格尺寸(步長)為Δk，表示當前初始點xk到2n個方向點的距離。

(4)計算當前初始點xk和xk+{di}的目標函數(shù)值，找出目標函數(shù)最小值對應的點。

如果f(xk+{di})

(5)根據(jù)每步的結(jié)果判斷Δk進行放大或縮小。如果符合下列條件則迭代結(jié)束。

Δk

(21)

本研究以NEDC循環(huán)為試驗周期，以每百公里最小當量消耗為優(yōu)化目標。式(22)～(25)確定每100公里的等效油耗。

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：Vfueleng為發(fā)動機油耗；Vfuel_equ為電力等效油耗；Ebat為耗電量；Qfuel為柴油熱值；ρfuel為柴油；Vb和Ib為電池電壓和電流；Vveh為車速。

如圖10所示，對8個變量進行優(yōu)化。

圖10 模式對應區(qū)域和邊界條件

邊界參數(shù)包括p1，q1，r2，s1，和s2.s1表示車輛在EV區(qū)域的最大速度，s2為ENG區(qū)所需最大扭矩，p1，q1和r2為HEV區(qū)切換所需的邊界參數(shù).

電機側(cè)三級換擋點動參數(shù)包括MotDriveRatio1，MotDriveRatio2，和MotDriveRatio3.它表示選擇不同檔位時車輛所需扭矩的峰值.

三種模式區(qū)和車輛工作點的分布如圖11～圖13所示.單齒輪比的工作點主要分布在電機最大轉(zhuǎn)速對應的車輛需求扭矩極限值上.電機轉(zhuǎn)速超過了選擇大傳動比時的極限，而小傳動比時扭矩不足，因此單個傳動比的覆蓋面積并不理想.對三檔傳動比參數(shù)進行優(yōu)化后，電動面積增大，混合動力面積減小，換擋到高檔比時，最低檔所對應的車輛所需扭矩限值增大，電機最大轉(zhuǎn)速限值不會超值.因為實際的工作模式也會收到電池SOC影響.它可能在實際操作中處于其他模式，即使它位于電流區(qū)域.

圖11 單傳動比工作點

圖12 優(yōu)化前三級傳動比工作點

圖13 優(yōu)化后三級傳動比工作點

3 仿真結(jié)果與分析

NEDC循環(huán)測試中速度跟隨曲線如圖14所示.紅線為反饋速度，藍線為目標間距.全過程中，模擬速度與目標速度一致.

圖14 NEDC循環(huán)中速度跟隨線

電池SOC和運行模式變化如圖15所示.模式值1為EV模式，2為HEV模式，3為ENG模式.在仿真的前200秒，系統(tǒng)主要運行在HEV模式.由于電機的電力需求低，比發(fā)動機最小功率點要小，因此處于充電狀態(tài).200～800秒時，系統(tǒng)運行模式在EV模式和HEV模式下頻繁切換，SOC在50～60之間變化.800秒后，在ENG模式下的SOC下降，因為發(fā)動機提供的扭矩不滿足車輛需求，使得電機消耗電池電量來提供不足的扭矩.經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，最終的SOC可以達到較高的水平.

圖15 電池SOC和運行模式的變化

電機工作點分布如圖16所示.為了提高車輛的最大速度性能，要求低傳動比；為了提高車輛在恒定轉(zhuǎn)速區(qū)域的加速性能，需要高傳動比.單傳動比的確定是電機工作點集中在外曲線和高速區(qū)域，對應效率低.對三種傳動比進行優(yōu)化后，電機的工作點與最有工作點匹配.電機工作點位于高效區(qū)間，提高了車輛在恒定轉(zhuǎn)速區(qū)域和恒定功率區(qū)域的性能.

圖16 電機工作點分布

在圖17中，發(fā)動機工作點很好的集中在BSFC最佳效率曲線上.各候選工作點的燃油消耗隨功率的變化先減小后增大.功率等級為65 kW時，油耗最低.發(fā)動機主要工作在20 kW左右的最小功率下.這是因為在試驗周期NEDC中存在較多的減速(功率回收)工況，電機工作在制動回收模式和低電力需求模式.在快速加速階段，電機需要大量電能，發(fā)動機工作在100 kW左右.可以看出，在65 kW工況下，優(yōu)化后的工作點數(shù)量較優(yōu)化前的單齒比和三齒比工況有所增加.結(jié)果表明，采用參數(shù)優(yōu)化后的三級傳動比傳動，每百公里等效油耗降低5.0%.

圖17 發(fā)動機工作點分布

3 結(jié) 論

以一種具有多模開關(guān)的混合動力車輛為例，研究了NEDC工況下的能量管理策略和參數(shù)優(yōu)化問題.可以得出以下結(jié)論：

1)設(shè)計了一種多模式混合動力車輛的整車模型，包括三自由度整車動力學模型、電機/發(fā)動機/發(fā)電機/電池模型和動力傳動模型；

2)根據(jù)電機的電力需求、電池狀態(tài)、電池充放電極限功率，設(shè)計了規(guī)則型控制策略，在線優(yōu)化了發(fā)動機工作點；

3)通過基于全局情況的模式搜索方法對參數(shù)選擇進行了優(yōu)化，包括切換模式參數(shù)和傳動比；

4)本研究以NEDC循環(huán)為試驗循環(huán)，以最低每百公里等效油耗為優(yōu)化目標，結(jié)果表明，電機側(cè)的三級傳動可以有效改善電機工作性能和發(fā)動機燃油經(jīng)濟性.采用參數(shù)優(yōu)化后的三級傳動比傳動，百公里等效油耗可以降低5%.