混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)多能源綜合控制策略

王偉達，項昌樂，劉 輝，馬 越，韓立金

(北京理工大學機械與車輛學院車輛傳動國家重點實驗室，100081北京，wangwd0430@163.com)

近十多年來，科研人員非常關(guān)注新型節(jié)能環(huán)保汽車的研究與開發(fā)，在電池技術(shù)沒有取得重大突破的情況下，以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的油電混合動力汽車得到日益廣泛的研究與應(yīng)用[1－2].混合動力系統(tǒng)包括串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等多種型式.混聯(lián)式綜合了串聯(lián)式與并聯(lián)式，發(fā)動機功率通過機械功率流與電功率流共同傳遞，兼具這兩類系統(tǒng)的優(yōu)點.雖然結(jié)構(gòu)與控制復雜，成本較高，但隨著控制技術(shù)與制造技術(shù)的發(fā)展，一些現(xiàn)代混合動力電動汽車更傾向于選擇這種結(jié)構(gòu)[3].對于整備質(zhì)量大、驅(qū)動需求功率與轉(zhuǎn)矩要求高的重型車輛，混聯(lián)式方案更是實現(xiàn)電驅(qū)動的首選.多能源綜合控制策略作為混合動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，成為研究的熱點領(lǐng)域[4－9].深入研究混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題，促進其實用化與產(chǎn)業(yè)化，對縮小我國與世界先進汽車工業(yè)水平差距具有重要意義.

本文在研究混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對混合動力系統(tǒng)能量管理與控制及動態(tài)過程協(xié)調(diào)控制與控制品質(zhì)要求，設(shè)計基于分層結(jié)構(gòu)的多能源綜合控制策略，開發(fā)綜合控制器ECU軟硬件并進行典型工況下的硬件在環(huán)仿真測試.

1 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的混合動力系統(tǒng)是一種混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由發(fā)動機、電動機、發(fā)電機、功率耦合裝置、自動變速器和減速器等部件組成，以滿足重型車輛驅(qū)動大功率與大轉(zhuǎn)矩等需求.系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 混聯(lián)混合動力系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動機功率經(jīng)過功率耦合裝置進行分流，一路傳遞給發(fā)電機進行發(fā)電，一路向后傳遞經(jīng)過主離合器后和電動機輸出功率匯合;經(jīng)過自動變速器和減速器后驅(qū)動車輪運轉(zhuǎn).功率耦合裝置實現(xiàn)功率的分流與匯流.由于牽引車、越野車等重型車輛需求扭矩較大，所以系統(tǒng)還包括一個三擋機械式自動變速器.主離合器不結(jié)合時，可由電動機實現(xiàn)車輛的純電驅(qū)動.發(fā)電機可作為啟動電機使用，用來啟動發(fā)動機.

混合動力控制系統(tǒng)包括多能源綜合控制器、發(fā)動機控制器、發(fā)電機控制器、電動機控制器、電池管理單元等.綜合控制器通過CAN總線和其他ECU通信實現(xiàn)信息采集與控制信號傳遞.功率耦合裝置的操作元件(離合器與制動器等)由綜合控制器的驅(qū)動電路進行控制.

2 多能源綜合控制策略

2.1 綜合控制策略結(jié)構(gòu)

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括多個控制子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作，才能實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)功能與經(jīng)濟性、動力性等指標.如何實現(xiàn)多能源的能量管理與各子系統(tǒng)控制是綜合控制器的主要任務(wù)，在控制模式切換與換擋過程中控制各相關(guān)部件協(xié)調(diào)工作對系統(tǒng)控制品質(zhì)有重大影響，也是能量管理邏輯實現(xiàn)的前提，這個功能也由綜合控制器實現(xiàn).

鑒于綜合控制器功能的復雜性與多樣性，為保證綜合控制策略邏輯明晰、運行高效，本文采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計了綜合控制策略，如圖2所示.

圖2 綜合控制策略分層結(jié)構(gòu)圖

決策層也可稱為系統(tǒng)層，根據(jù)油門(或制動)踏板位置、換擋手柄信號及其他相關(guān)信息判斷駕駛員意圖，確定驅(qū)動(或制動)功率總需求，按照控制模式設(shè)定與切換策略決定駕駛員需求的混合動力系統(tǒng)控制模式.

中間層根據(jù)相關(guān)信息將總需求功率在各功率部件間進行功率分配，確定各部件預期的工作狀態(tài).此工作狀態(tài)指在當前總功率需求下預期的穩(wěn)定狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)控制目標.

伺服層也可稱為部件層，根據(jù)各部件(或操作元件)的穩(wěn)態(tài)控制目標和系統(tǒng)控制品質(zhì)要求，按照一定邏輯設(shè)計到達穩(wěn)態(tài)目標的動態(tài)過程，計算當前采樣時刻的瞬時控制目標.然后將控制指令通過CAN總線或驅(qū)動電路發(fā)送給相應(yīng)部件.

2.2 系統(tǒng)控制模式確定

一般混合動力控制策略中，將系統(tǒng)工作模式劃分為純電動、發(fā)動機單獨驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電、發(fā)動機電動機混合驅(qū)動、制動等，實際混合動力系統(tǒng)也確實工作在這些模式下.但考慮到使確定邏輯更加清晰簡明，在本文中的系統(tǒng)決策層將系統(tǒng)控制模式進行了簡化.在決策層，系統(tǒng)控制模式劃分為純電動、發(fā)動機啟動、混合驅(qū)動、制動、倒車、停車充電等幾種簡單模式，不對發(fā)動機工作時電動機、發(fā)電機的具體工作狀態(tài)進行區(qū)分.在中間層確定部件穩(wěn)態(tài)控制目標時，才根據(jù)計算結(jié)果對部件模式進行準確的界定，例如電動機需求轉(zhuǎn)矩目標值的正、負、零，決定了系統(tǒng)是工作在發(fā)動機電動機混合驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電還是發(fā)動機單獨驅(qū)動模式.本文中系統(tǒng)控制模式相當于是由綜合控制策略的決策層與中間層共同完成的，這樣做簡化了系統(tǒng)控制模式確定規(guī)則與綜合控制邏輯.系統(tǒng)控制模式確定邏輯為:

1)根據(jù)換擋手柄信號，確定系統(tǒng)需要工作在制動、倒車還是正常驅(qū)動模式.如果為制動或倒車，下一步即進入相關(guān)的控制邏輯模塊.

2)如果為正常驅(qū)動模式，則首先根據(jù)油門踏板信號確定驅(qū)動功率總需求.然后根據(jù)需求功率值、車速、電池荷電狀態(tài)(SOC)值等確定系統(tǒng)需要工作在純電動模式還是需要發(fā)動機參與.如果需要發(fā)動機參與，再根據(jù)發(fā)動機的起停狀態(tài)確定系統(tǒng)是發(fā)動機啟動模式還是混合驅(qū)動模式.

3)如果發(fā)動機未啟動，通過發(fā)電機將之啟動，然后進入混合驅(qū)動模式.

4)如果驅(qū)動需求功率為零，且駕駛員按下了停車充電按鈕，則根據(jù)SOC狀態(tài)進入停車充電模式.

系統(tǒng)總功率需求由駕駛員踩下油門或制動踏板的程度決定.為了避免混合動力系統(tǒng)對踏板行程的功率響應(yīng)過于敏感，本文采用“拋物線模型”描述需求功率與踏板行程的關(guān)系:

其中:Pn為需求功率;A為混合動力系統(tǒng)額定功率(或最大制動功率);x為踏板行程，以占總行程的百分比表示.

2.3 能量分配算法

在制動工況，綜合控制策略根據(jù)制動功率需求，將功率在電機功率與機械功率之間分配，一般原則為:在低制動強度下，優(yōu)先采用電機制動，進行制動能量回收;在中高制動強度時，采用機電并聯(lián)制動，電機進行制動助力.

在驅(qū)動工況，以提高燃油經(jīng)濟性為主要目標的能量分配算法流程如圖3所示.

圖3 能量分配算法流程圖

能量分配算法首先根據(jù)電池狀態(tài)確定電池需求功率.如果電池SOC偏低，則需要發(fā)動機對其進行充電;如果電池SOC較高，則電池功率用來調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作點.根據(jù)發(fā)動機工作點的優(yōu)劣確定車輛由發(fā)動機單獨驅(qū)動還是需要利用電池功率.由驅(qū)動需求功率和電池功率共同決定發(fā)動機需求功率.

確定發(fā)動機需求功率后發(fā)動機工作點根據(jù)發(fā)動機最優(yōu)工作曲線進行查表得到，發(fā)動機最優(yōu)工作曲線根據(jù)發(fā)動機萬有特性中的最低燃油消耗區(qū)域確定.

確定發(fā)動機工作點后，根據(jù)功率耦合機構(gòu)約束關(guān)系與驅(qū)動功率需求，即可確定發(fā)電機與電動機的工作點.

2.4 動態(tài)過程協(xié)調(diào)控制

本文研究的動態(tài)過程包括兩種:一種為控制模式或擋位切換過程;另一種為總需求功率變化、控制模式或擋位切換等導致的部件目標轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的較大幅度變化過程.通過按照一定邏輯設(shè)計到達穩(wěn)態(tài)目標的動態(tài)過程，在保證調(diào)節(jié)速度的前提下，減小轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩突變，從而減小變化過程沖擊，保護系統(tǒng)部件.動態(tài)過程協(xié)調(diào)控制算法包括:主離合器接合調(diào)速算法、換擋調(diào)速算法及各部件轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩變化速率限制算法.主要算法分述如下.

1)主離合器接合調(diào)速算法[10]:在純電動向混合驅(qū)動模式切換過程中，最重要的動作即為主離合器接合調(diào)速算法.由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，發(fā)動機與發(fā)電機位于主離合器輸入端，電動機位于主離合器輸出端.電動機此時正單獨驅(qū)動車輛，轉(zhuǎn)速與當前車速成比例.所以，接合前必須先調(diào)節(jié)發(fā)動機與發(fā)電機轉(zhuǎn)速，它們的轉(zhuǎn)速在主離合器輸入端耦合后轉(zhuǎn)速與電動機小于門限值，才能發(fā)出主離合器供油控制電磁閥的操作指令.發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速即為能量分配算法給出的工作轉(zhuǎn)速，發(fā)電機轉(zhuǎn)速根據(jù)功率耦合機構(gòu)的轉(zhuǎn)速約束關(guān)系計算得出.

2)換擋調(diào)速算法[11]:本文研究的混合動力系統(tǒng)換擋通過操作離合器或制動器等元件實現(xiàn).操作元件接合前需要調(diào)節(jié)主、被動端的轉(zhuǎn)速以減小沖擊.對于制動器，被動端轉(zhuǎn)速為零，對于離合器，被動端轉(zhuǎn)速是車速的函數(shù).操作元件主動端的轉(zhuǎn)速由電動機決定，調(diào)速的目標值為使主、被動端轉(zhuǎn)速差小于門限值.

3)各部件轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩變化速率限制算法:為避免部件轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩變化過快對部件本身或系統(tǒng)其他部分的損害，設(shè)計了變化速率限制算法.根據(jù)沖擊度計算結(jié)果與相關(guān)因素影響出發(fā)，標定各部件轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩變化速率系數(shù).實際過程根據(jù)變化速率系數(shù)設(shè)定瞬時目標值，直至達到功率分配算法給定的穩(wěn)態(tài)目標值.

2.5 控制器設(shè)計

針對基于電池SOC保持的能量管理策略，設(shè)計開發(fā)了混合動力系統(tǒng)綜合控制器ECU軟硬件.綜合控制器硬件功能包括:模擬信號、車速脈沖信號、開關(guān)信號采集與處理，控制軟件存儲與運行，系統(tǒng)換擋與模式切換操作元件液壓電磁閥驅(qū)動，與系統(tǒng)其他ECU的CAN總線通訊，以及與上位機通訊等.硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 綜合控制器硬件結(jié)構(gòu)

ECU軟件主要包括:系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊，上電過程控制模塊，信息讀入與處理模塊，在線故障診斷模塊，故障處理模塊，參考車速計算模塊，冷卻風扇電機控制模塊，控制決策模塊，控制指令輸出模塊等.控制軟件程序總體流程如圖5所示.

圖5 軟件程序總體流程圖

3 ECU硬件在環(huán)仿真

HILS系統(tǒng)由綜合控制器 ECU、dSPACE系統(tǒng)、信號接口電路、車輛系統(tǒng)數(shù)字模型、加速與制動踏板組成[7]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 HILS系統(tǒng)原理圖

圖6中，實際的控制器ECU被嵌入HILS系統(tǒng)中，車輛系統(tǒng)與試驗環(huán)境等Simulink模型被轉(zhuǎn)換成C語言代碼后下到dSPACE板卡中運行.dSPACE系統(tǒng)通過它具有的實時仿真接口(RTI)模塊與ECU進行信息傳遞，信息形式為車速脈沖信號與CAN信號.

在設(shè)計的混合動力HILS平臺上對開發(fā)的整車綜合控制器ECU進行了典型工況的在線測試.測試工況包括駕駛循環(huán)工況與某極限工況(反復急加速急減速)，測試結(jié)果如圖7～8所示.其中，油門/制動踏板位置進行了歸一化處理，范圍為[－100%，+100%];正值表示油門踏板位置，負值代表制動踏板位置.系統(tǒng)工作模式編號:0表示停車模式;2表示純電動模式;3表示發(fā)動機啟動模式;4表示混合驅(qū)動模式;7表示制動模式.擋位編號:0表示空擋;1表示Ⅰ擋;2表示Ⅱ擋:3表示Ⅲ擋.

3.1 駕駛循環(huán)工況仿真

如圖7所示，采用平均車速較高、頻繁加速減速且加速度較大的UDDS(美國市區(qū)駕駛循環(huán))工況對設(shè)計的綜合控制策略進行了更全面、更高要求的測試.從車速曲線看(圖7a)，除車輛由加速轉(zhuǎn)換為減速等轉(zhuǎn)折點因為駕駛員操作踏板響應(yīng)的滯后導致實際車速出現(xiàn)超調(diào)或滯后外，大部分時刻實際車速都和目標車速吻合很好.這表明，研究的混合動力系統(tǒng)實現(xiàn)了動力性指標，滿足車輛驅(qū)動與制動的需要.發(fā)動機主要工作在轉(zhuǎn)速為1 100～1 700 r/min、轉(zhuǎn)矩為700～1 100 N·m的經(jīng)濟工作區(qū)域，提高了系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性，如圖7(c)、(f)所示.在循環(huán)工況的前期，電池SOC基本保持平衡，由于后期車輛加速度很大，有較多的大油門開度工況(如圖7(b)所示)，所以SOC出現(xiàn)較大幅度下降，如圖7(d)所示.系統(tǒng)控制模式反復在純電動、混合驅(qū)動、制動及短時停車等模式間切換，驗證了綜合控制策略控制功能的有效性，如圖7(e)所示.

3.2 極限工況仿真

圖8所示為某種假想的極限行駛工況，車輛反復進行急加速和緊急制動.車速、SOC和工作模式變化曲線表明綜合控制器較好地實現(xiàn)了在此極限工況下的控制作用.在實際車輛系統(tǒng)中，這樣的操作可能會對車輛部件造成嚴重的損壞或嚴重影響使用壽命;特定條件下，還可能發(fā)生危險.但此種工況下，需要混合動力綜合控制器頻繁在啟動、純電動、混合驅(qū)動、制動、停車等工作模式之間切換，這對于考核控制功能具有重要參考意義.此工況仿真充分體現(xiàn)了HILS的優(yōu)勢，即可以方便地在室內(nèi)模擬各種控制系統(tǒng)測試工況，尤其是某些具有危險性、或非常難以實現(xiàn)甚至不可能實現(xiàn)但卻具有特殊參考價值的試驗工況.

圖7 某種極限工況測試結(jié)果

圖8 某種極限工況測試結(jié)果

4 結(jié)論

1)設(shè)計的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)多能源綜合控制策略實現(xiàn)了混合動力車輛的能量管理與控制，發(fā)動機工作點得到優(yōu)化配置，提高了燃油經(jīng)濟性.控制策略的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，使控制邏輯更為簡明、清晰，同時兼顧了功率流的優(yōu)化配置與動態(tài)過程的品質(zhì)控制.

2)混合動力系統(tǒng)典型工況測試體現(xiàn)了硬件在環(huán)仿真方法進行ECU調(diào)整與驗證的優(yōu)勢.極限工況測試使ECU中的控制策略得到更為充分、全面的測試，驗證了控制策略在復雜工況下的控制性能.

3)由于道路試驗工況更為復雜多變，硬件在環(huán)仿真所用車輛模型是實際系統(tǒng)典型性質(zhì)的抽象與簡化，所以針對具體車型的實車標定與驗證是應(yīng)用所設(shè)計的ECU必不可少的步驟.

[1]MILLER J M.Hybrid electric vehicle propulsion system architectures of the e-CVT type[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21(3):756－767.

[2]TATE E D，HARPSTER M O，SAVAGIAN P J.The electrification of the automobile:from conventional hybrid，to plug-in hybrid，to extended-range electric vehicles[C]//SAE World Congress ＆ Exhibition.[S.l.]:SAE Technical Paper，2008:2008 －01 －0458.

[3]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學出版社，2002.

[4]LIU Jinming，PENG H.Modeling and control of a power-split hybrid vehicle[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology，2008，16(6):1242－1251.

[5]DELPRAT S，LAUBER J，GUERRA T，et al.Control of parallel hybrid powertrain:optimal control[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2003，53(3):872－881.

[6]羅禹貢，楊殿閣，李孟海，等.并聯(lián)式混合動力汽車(PHEV)動態(tài)協(xié)調(diào)控制方法硬件在環(huán)仿真[J].機械工程學報，2008，44(5):80－85.

[7]HU Jibin，YUAN Shihua，GUO Xiaolin.Dynamic characters on the dual-power state of flow in hydro-mechanical transmission[C]//Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechanics and Automation.Harbin:IEEE，2007:890－894.

[8]GAO Y，EHSAN M.A torque and speed coupling hybrid drivetrain:architecture，control and simulation[J].IEEE Transaction on Power Electronic，2006，21(3):741－748.

[9]FILIPI Z，LOUCA L，DARAN B，et al.Combined optimization of design and power management of the hydraulic hybrid propulsion system for the 6×6 medium truck[J].International Journal of Heavy Vehicle Systems，2004，11(3/4):372－402.

[10]席軍強，劉富慶，余建華，等.氣壓驅(qū)動式自動離合器控制技術(shù)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2009，41(1):122－125.

[11]王偉達，李宏才，項昌樂，等.重型混合驅(qū)動車輛換擋過程主動調(diào)速控制技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41(8):1－6.