混聯(lián)式混合電動(dòng)車輛最佳動(dòng)力配置策略

J－Y Park Y－K Park J－H Park

1 前言

把混合電動(dòng)車輛（HEV）作為能最有效地解決全球變暖和油價(jià)飛漲的手段之一，它可降低燃油消耗和減少CO2排放。一種HEV采用電動(dòng)機(jī)（EM）可提高其系統(tǒng)的效率，可封閉內(nèi)燃機(jī)（ICE）無效的工作范圍。

構(gòu)建一個(gè)HEV有很多結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)都具有各自固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在這些結(jié)構(gòu)中有一個(gè)混聯(lián)式HEV，它采用行星齒輪傳動(dòng)組合了一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)（ICE）和兩臺(tái)電機(jī)（EMS），導(dǎo)致兩混聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的很多特性［1］。例如，這種混聯(lián)式HEV系統(tǒng)在選擇ICE工作點(diǎn)，控制充/放電功率和實(shí)踐電動(dòng)車輛模式作為一串聯(lián)HEV方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這種混聯(lián)式HEV還繼承了并聯(lián)HEV的優(yōu)點(diǎn)，在功率傳遞方面它具有高的效率，相對(duì)電機(jī)（EM1）較小。為了使混聯(lián)式HEV產(chǎn)生這些優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)要建立一個(gè)有效的控制策略，提供給駕駛員要求的ICE和EMS高效的功率。

目前已經(jīng)提出了許多HEV控制策略，其中大多數(shù)可粗略歸類于規(guī)則基礎(chǔ)，普遍的和瞬時(shí)優(yōu)化的策略。該規(guī)則基礎(chǔ)策略［2］根據(jù)專門知識(shí)；采用模糊邏輯選取控制規(guī)則，但在判別過程中不能定量。所以在該策略中，為制訂各構(gòu)件功能的最佳形式，要求一個(gè)附加的處理工序。該普遍的優(yōu)化策略［3］采用一個(gè)優(yōu)化工序如動(dòng)力原程序，它在各時(shí)間段可制訂最佳的控制動(dòng)作。然而它用于實(shí)際時(shí)間控制器上是不合適的，因此要求預(yù)先了解詳細(xì)的全行程資料。該瞬時(shí)優(yōu)化策略是選擇系統(tǒng)考慮兩ICE和功率傳遞在各個(gè)控制時(shí)間效率最大的工作點(diǎn)［4－7］。但在不同的HEV結(jié)構(gòu)形式，如混聯(lián)式HEV，在實(shí)際時(shí)間內(nèi)不容易完成。因?yàn)閷?duì)于給定驅(qū)動(dòng)條件的最有效的工作點(diǎn)必須經(jīng)過大量計(jì)算工作才能找到，其中還包括要參照ICE和EMS的效率圖數(shù)據(jù)。

本研究基于瞬時(shí)優(yōu)化和確保實(shí)際時(shí)間性能的控制圖導(dǎo)出一功率配置策略。該控制圖是用優(yōu)化處理輸出ICE的工作點(diǎn)求得的，它對(duì)于給定的車輛速度，駕駛員要求的轉(zhuǎn)矩和蓄電池充/放電功率考慮兩者ICE和功率傳遞效率系統(tǒng)的效率最大。此外該圖可有助于對(duì)一目標(biāo)驅(qū)動(dòng)路線建立一能量策略，具有很容易控制充/放功率的能力。

2 混聯(lián)式HEV

2.1 混聯(lián)式HEV的功率配置

本文所述混聯(lián)式HEV的構(gòu)造是ICE，第1EM和第2EM分別和行星齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)臂、太陽輪和齒圈相連接（圖1）。在該HEV系統(tǒng)中，ICE的功率一部分傳到齒圈，它與驅(qū)動(dòng)軸機(jī)械連接。ICE的另一部分功率變換成第一電機(jī)的電能，它與太陽輪聯(lián)接。而后這部分功率再在第二電機(jī)中變換成機(jī)械能，它與驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接。前者稱為并聯(lián)功率分支，后者稱為串聯(lián)功率分支（圖2）。提高并聯(lián)功率對(duì)串聯(lián)功率的比值，可使功率傳遞的效率較高，因?yàn)辇X輪的傳遞效率大大高于通過EMS的機(jī)械和電功率之間轉(zhuǎn)換的效率。

圖1 混聯(lián)式HEVFig.1 Series－parallel HEV

圖2 混聯(lián)式功率配置Fig.2 Series－parallel power distribution

當(dāng)蓄電池中沒有功率流時(shí)，可根據(jù)行星傳動(dòng)各齒輪間的穩(wěn)態(tài)速度關(guān)系式（方程式（1））和轉(zhuǎn)矩關(guān)系（方程式（2）和（3））算出串聯(lián)和并聯(lián)功率的大小。如式（4）所示，當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速與車輛已知車速一致時(shí)，串聯(lián)功率對(duì)并聯(lián)功率的比值依據(jù)于ICE的轉(zhuǎn)速變化。這意味著串聯(lián)和并聯(lián)功率的配置可以用ICE的工作點(diǎn)控制。此外，ICE根據(jù)其工作點(diǎn)可以有一個(gè)最佳的效率，如圖3所示。因此，ICE的工作點(diǎn)不僅影響了ICE的效率，同時(shí)還影響了功率傳遞的效率。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)效率圖Fig.3 Engine efficiency map

2.2 效率再循環(huán)

當(dāng)ICE速度與齒圈速度之比小于R/（1＋R）時(shí)，見方程式（4），那么串聯(lián)功率與并聯(lián)功率之比有一個(gè)負(fù)值。在這種狀況，太陽輪速度有一個(gè)負(fù)值（方程式（11），而與太陽輪聯(lián)接第一電機(jī)消耗電能。如果蓄電池沒有功率流，要求驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)的功率產(chǎn)生于第二電機(jī)部分并聯(lián)機(jī)械能。結(jié)果功率發(fā)生再循環(huán)，如圖4所示。這種功率再循環(huán)降低了功率傳遞的效率，因?yàn)楣β视蒊CE循環(huán)。然而當(dāng)車速很高時(shí)，該功率再循環(huán)必須控制ICE在高效工作區(qū)。該功率再循環(huán)一個(gè)很好的實(shí)例表明，為了兼顧ICE和功率轉(zhuǎn)變的效率，必須選擇好工作點(diǎn)。

圖4 功率再循環(huán)Fig.4 Power recirculation

3 推薦的方法

3.1 控制圖

由ICE傳送到驅(qū)動(dòng)軸功率的大小是根據(jù)串聯(lián)功率和并聯(lián)功率的比值以及第一和第二EM在該時(shí)間的效率變化的。因此，尋找最有效的工作點(diǎn)，它滿足駕駛員要求的功率，當(dāng)涉及到各組成的效率數(shù)據(jù)時(shí)，要求一個(gè)反復(fù)過程。采用其中含有最有效工作點(diǎn)的控制圖，可減小該計(jì)算工作量。對(duì)于不同的驅(qū)動(dòng)條件預(yù)先計(jì)算工作點(diǎn)，輸入該圖中的驅(qū)動(dòng)工況是駕駛員要求的轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)有車輛速度和目標(biāo)充/放電功率。該圖采用輸出ICE的目標(biāo)速度和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)功率配置。

一種驅(qū)動(dòng)工況，該要求的轉(zhuǎn)矩可以用ICE和第二電機(jī)EM的轉(zhuǎn)矩來滿足，如方程式（5）所示。根據(jù)另一驅(qū)動(dòng)工況，該車速可以求得第二電機(jī)EM的速度，因?yàn)榈诙姍C(jī)EM和驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)接。ICE和EM的速度之間關(guān)系（見式（6））也可以由方程式（1）求得。另一種工況是蓄電池功率可滿足于第一和第二EM的消耗或產(chǎn)生的功率之和，如以后方程式（7）之和，該消耗或產(chǎn)生的功率可以由EM的效率圖數(shù)據(jù)求得，它根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度變化。第一EM的轉(zhuǎn)矩可以由行星傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系式導(dǎo)出，如以下方程式（8）所示。因?yàn)榈谝籈M在穩(wěn)態(tài)對(duì)ICE轉(zhuǎn)矩提供反作用轉(zhuǎn)矩。

具有4個(gè)穩(wěn)態(tài)方程式表示混聯(lián)式HEV的特性，這些方程式有3個(gè)給定的常數(shù)（τdem，ωm2和Pbat）和5個(gè)未確定的變數(shù)（τe，ωe，ωm1，τm1和τm2）。因?yàn)樵搯栴}有一個(gè)自由度，故有無限多的解。用以下式（9）和（10）求出效率，在這些解中找到最有效的工作點(diǎn)。系統(tǒng)效率為定值，因?yàn)樵搯栴}工況僅給定τdem，ωm2和Pbat可變，故燃油的化學(xué)功率隨工作點(diǎn)改變。在方程式中，Kchg和Kdch是分別估算電池功率的當(dāng)量齒輪和燃油功率的常系數(shù)［8］。因?yàn)楫?dāng)Pfuel有一個(gè)最小值時(shí)，系統(tǒng)效率有一個(gè)最大值，Pfuel取作為該優(yōu)化問題的一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。所述4種穩(wěn)態(tài)方程作為約束條件，目標(biāo)函數(shù)和約束條件包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如制動(dòng)燃油馬力消耗比（BSFC）圖和EMS的效率圖，這種解用直接搜索法可以求得。因優(yōu)化過程中，對(duì)于所有有效的工作點(diǎn)都可進(jìn)行估算，如式（11）所示。因此，該優(yōu)化過程的結(jié)果，可以當(dāng)作一個(gè)普遍的優(yōu)化點(diǎn)［9］。圖5示由優(yōu)化處理繪制的控制圖。

3.2 控制結(jié)構(gòu)

圖6示采用控制圖的控制結(jié)構(gòu)，該圖為通用的驅(qū)動(dòng)工況輸出ICE的目標(biāo)速度和轉(zhuǎn)矩。該目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是用發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）實(shí)現(xiàn)的，而目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)速度是用第一EM速度控制實(shí)現(xiàn)的。該實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可由第一EM和第二EM的反作用轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到的，達(dá)到要求轉(zhuǎn)矩和加于驅(qū)動(dòng)軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的差值。

圖5 最佳功率配置控制圖Fig.5 Control maps for optimal power distribution

圖6 控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Control structure

3.3 能量策略

因控制圖控制了所有功率的目標(biāo)速度和轉(zhuǎn)矩值，用該圖可以分析系統(tǒng)的特性。圖7示根據(jù)驅(qū)動(dòng)工況和電池功率如何改變串聯(lián)功率和并聯(lián)功率的比值。在該圖中，負(fù)值意味著發(fā)生功率再循環(huán)，并依據(jù)蓄電池的充/放電功率而發(fā)生或不發(fā)生功率再循環(huán)。例如，當(dāng)車輛在A點(diǎn)被驅(qū)動(dòng)，如果蓄電池釋放9kW，大約有14%功率再循環(huán)。但是，如果蓄電池充9kW，那么將不發(fā)生功率再循環(huán)。因此，可以推斷，采用在低負(fù)載區(qū)增加充電功率，可以避免不必要的功率循環(huán)損失。在另一方面，對(duì)于驅(qū)動(dòng)工況B，釋放9kW，具有更有效的功率傳遞優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇?lián)功率比有一個(gè)比充9kW值小的情況。圖8示HEV系統(tǒng)效率根據(jù)驅(qū)動(dòng)工況A和B蓄池功率的變化狀況，該圖還表示分別對(duì)于驅(qū)動(dòng)狀況A和B充/放電功率9kW為最佳。在這方面，對(duì)所有驅(qū)動(dòng)狀況有可能指定最佳蓄電池功率，如圖9所示。根據(jù)最佳電池功率圖作為HEV的能量策略的一個(gè)條件實(shí)現(xiàn)蓄電池功率，從而由儲(chǔ)存或消耗電池功率來改進(jìn)系統(tǒng)效率。

圖7 優(yōu)化混聯(lián)式功率配置Fig.7 Optimized series－parrallel power distribution

圖8 HEV系統(tǒng)效率與蓄電池功率和驅(qū)動(dòng)工況關(guān)系Fig.8 HEV system efficiency dependent on battery power and driving conditions

圖9 最佳蓄電池充/放電功率圖Fig.9 Optimal battery charge/discharge power map

4 仿真

為了證實(shí)所推薦的控制策略的效率進(jìn)行仿真，采用了Mathwork simulink開發(fā)了一個(gè)混聯(lián)式HEV模型，如圖10所示。該模型包含了ICE，EMS，蓄電池和車輛模型。開發(fā)ICE模型著重于計(jì)算轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和燃油消耗。轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性可接近于一個(gè)線性系統(tǒng)，基于試驗(yàn)結(jié)果和采用BSFC圖可增加計(jì)算精度。采用效率數(shù)據(jù)開發(fā)了EM模型，包含了一個(gè)變換器，當(dāng)EM工作時(shí)，它計(jì)算消耗和產(chǎn)生的電功率。蓄電池模型用EM上電功率消耗和產(chǎn)生計(jì)算充電狀態(tài)（SOC）。在本研究中，采用簡(jiǎn)單通用的積分法估算SOC。車輛模型由行星齒輪傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)和車輛阻力組成。模型中采用的典型的阻力有車輪滾動(dòng)阻力，空氣動(dòng)力阻力，爬坡阻力和液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩［10］。在本研究中考慮的基礎(chǔ)車輛是一臺(tái)中等尺寸客車，其發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.4L，總重為1760kg。該基礎(chǔ)車輛混合驅(qū)動(dòng)采用一50kW電機(jī)和30kW蓄電池。在該仿真中，采用保持一個(gè)固定的SOC值。同時(shí)確定一目標(biāo)電池功率調(diào)整該SOC。功率配置在FTP75方式中對(duì)改善每哩油耗的影響示于表1。采用一系列仿真估算不同HEV特性的影響，其中HEV特性依次不中斷，HEV特性如EV驅(qū)動(dòng)，復(fù)原等，功率配置策略結(jié)果全面改進(jìn)30%。全面改進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性用HEV達(dá)到76%，而這種改進(jìn)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能毫無損害。圖11示按FTP75驅(qū)動(dòng)循環(huán)動(dòng)力源速度和轉(zhuǎn)矩，混聯(lián)式功率比和發(fā)動(dòng)機(jī)效率的仿真結(jié)果。圖12表示驅(qū)動(dòng)循環(huán)一小段區(qū)間的仿真結(jié)果，并表示出雖然車輛（第二EM）速度和總要求轉(zhuǎn)矩是變化的（見圖12（a）和（b）），ICE速度和轉(zhuǎn)矩仍保持在確定范圍之內(nèi)。在該區(qū)段，ICE是工作在一個(gè)十分高效的范圍（圖12（d））。但混聯(lián)方式的功率比變化很快以實(shí)現(xiàn)ICE的高效工作。如上所述，增加混聯(lián)功率比，意味著減少HEV的功率傳遞效率。該實(shí)例說明了ICE效率和功率傳遞效率之間的變換過程。圖13表明驅(qū)動(dòng)循環(huán)時(shí)ICE的工作點(diǎn)在速度和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，對(duì)于大多數(shù)仿真時(shí)間，ICE是工作在一高效區(qū)，但在初始工作區(qū)和ICE的最佳工作線有一確定的偏差，這是由于應(yīng)用于本仿真能量策略。因該策略僅試圖保持特定的SOC值，它不能利用蓄電池改進(jìn)總HEV系統(tǒng)效率。結(jié)果使ICE不能在更有效的工作區(qū)工作。

表1 在HEV系統(tǒng)中單位里程燃油改進(jìn)Table1 Improvement of fuel mileage in HEV system

圖10 仿真的外部條件Fig.10 Simulation environment

圖11 FTP75循環(huán)仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results for FTP75cycle

圖12 FTP75循環(huán)（驅(qū)動(dòng)循環(huán)A段）仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results for FTP75cycle（A section of the drive cycle）

5 實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用功率配置策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證實(shí)其有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果十分近似，如圖14和15所示。圖14示在時(shí)間0－300s中有不同的差值，這種差值是由于ICE的溫升因數(shù)，而它在仿真模型中不能實(shí)現(xiàn)。在圖15中，還可找到與仿真結(jié)果有一小的偏差，這是由于非模擬動(dòng)力學(xué)。優(yōu)化能量策略用充/放電池應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)HEV系統(tǒng)效率。由于對(duì)于能量策略，ICE最佳點(diǎn)可以在最佳工作線上給定，如圖16所示。在實(shí)驗(yàn)中FTP75模擬哩油耗為18.3km/l。

圖13 仿真中發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)Fig.13 Engine operating area in the simulation

圖14 FTP75循環(huán)車輛試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Vehicle test results for FTP75cycle

6 結(jié)論

本文對(duì)混聯(lián)式HEV功率分布策略推薦了使系統(tǒng)效率最大的ICE工作點(diǎn)，通過各種不同的仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所述策略的有效性。該策略采用控制圖確保實(shí)際時(shí)間特性，它縮短了控制單元的計(jì)算工作量。該策略的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是按圖充放電功率作為一個(gè)輸入數(shù)據(jù)來控制電池功率。此外，優(yōu)化能量策略由優(yōu)化控制圖選取出電池的充放電功率值來改進(jìn)HEV系統(tǒng)的效率。（劉青澤自Proc.IMechE Vol.222Part D：J.Automobile Engineering）

圖15 FTP循環(huán)（驅(qū)動(dòng)循環(huán)A段）車輛試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Vehicle test results for FTP75cycle（A section of the drive cycle）

圖16 車輛試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)Fig.16 Engine operating area in the vehicle test

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第一馬達(dá)電功率消耗或產(chǎn)生P electrical power consumed or generated m1 by the first motor第二馬達(dá)電功率消耗或產(chǎn)生Pm2electrical power consumed or generated by the second motor沿并聯(lián)路線傳遞機(jī)械功率Pparallelmechanical power transferred along the parallel path沿串聯(lián)路線傳遞的機(jī)械功率Pseriesmechanical power transferred along the series path R速比（齒圈－太陽輪）gear ratio（ring－sun gear）η第一馬達(dá)效率mlefficiency of the first motor η第二馬達(dá)效率m2efficiency of the second motor η充電狀況系統(tǒng)效率sys＿chargesystem efficiency at charge state η放電狀況系統(tǒng)效率sys＿dischargesystem efficiency at discharge state電池功率當(dāng)量齒輪功率的估算系數(shù)κchgfactor to estimate equivalent wheel power of the battery power電池功率的當(dāng)量燃油功率估算系數(shù)κdchfactor to estimate equivalent fuel power of the battery power駕駛員要求的齒圈轉(zhuǎn)矩τdemdriver’s demand torque on the ring gear engine torque發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩τeengine torque第一馬達(dá)轉(zhuǎn)矩τm1first motor torque τ第二馬達(dá)轉(zhuǎn)矩m2second motor torque加于齒圈的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩τrengine torque exerted on ring gear加于太陽輪的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩τsengine torque exerted on sun gear ω發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速e engine rotation speed ω第一馬達(dá)轉(zhuǎn)速m1first motor rotation speed ω第二馬達(dá)轉(zhuǎn)速m2second motor rotation speed ω齒圈轉(zhuǎn)速r ring gear rotation speed太陽輪轉(zhuǎn)速ωssun gear rotation speed