基于傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)的混合動力汽車控制策略研究

連 靜， 韓 虎， 李琳輝＊， 周雅夫， 馮 劍

（1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧大連 116024；2.大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧大連 116024；3.空軍駐沈陽地區(qū)軍事代表室，遼寧沈陽 110016）

0 引 言

混合動力汽車具有兩種車載能量源［1］：一種是具有高能量密度的能量源——發(fā)動機，一種是具有高功率密度的能量源——電機，它們與作為能量存儲裝置的蓄電池組合在一起，通過良好的匹配和優(yōu)化控制［2］，可以充分發(fā)揮傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的優(yōu)點，并規(guī)避各自的不足，是當(dāng)今解決能源和排放問題最具現(xiàn)實意義的車輛之一［3］.

在現(xiàn)有混合動力汽車控制方法上，較少考慮整個傳動系統(tǒng)的效率，導(dǎo)致功率損失大，較高的功率損失會使傳動裝置效率下降，使?jié)櫥瓦^早變質(zhì)，惡化潤滑條件，還會縮短傳動部件的使用壽命［4－5］.由于混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機、電機、蓄電池和變速器等的最優(yōu)效率工作區(qū)各不相同，只有使混合動力傳動系統(tǒng)工作時的總體效率達到最大，才能使整車功率損失最小，整車的燃油消耗和排放理想，潤滑條件和傳動部件壽命良好［6－7］.因此，本文以大連市示范運行的并聯(lián)式混合動力公交車為研究對象，提出一種基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的混合動力汽車控制方法.該方法根據(jù)需求扭矩的大小和蓄電池荷電狀態(tài)SOC范圍確定所有可能的工作模式，分別計算出不同工作模式下的系統(tǒng)效率，通過比較不同工作模式下混合動力系統(tǒng)的效率，得出系統(tǒng)最高效率下對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩分配值，控制發(fā)動機和電機輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并建立整車模型進行仿真實驗.

1 整車結(jié)構(gòu)

本文選擇雙軸并聯(lián)式混合動力公交車為研究對象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.該公交車為后置后驅(qū)，其參數(shù)如表1所示.發(fā)動機通過離合器與扭矩合成器的一個輸入軸連接，電機與扭矩合成器的另一個輸入軸連接，扭矩合成器的輸出軸與機械式自動變速器連接，然后通過主減速器連接到驅(qū)動輪，上述連接均為機械連接；蓄電池通過逆變器與電機連接，三者之間的連接為電氣連接.

圖1 混合動力汽車結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the HEV

表1 混合動力汽車參數(shù)Tab.1 The parameters of HEV

2 整車模型構(gòu)建

2.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)［8］，由于建立發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放性能的理論模型涉及大量的微分方程，計算工作量大、時間長，難以在發(fā)動機的實時控制中實現(xiàn)［9］.因此，在混合動力電動汽車中，主要通過發(fā)動機性能試驗數(shù)據(jù)建立發(fā)動機數(shù)值計算模型.本文發(fā)動機模型亦采用試驗方法建立，所測得的發(fā)動機模型MAP圖如圖2所示.

圖2 發(fā)動機模型MAP圖Fig.2 The MAP graph of engine model

2.2 電機模型

電機模型的建立基于臺架試驗數(shù)據(jù)，通過查表法得到.在驅(qū)動電機試驗平臺上，基于標(biāo)定試驗形成的MAP圖進行電機工作效率試驗，通過測量n－T圖上各電機工作點處電機的輸入電壓、輸入電流，電機輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，求得各工作點的電機工作效率，在試驗臺架上測得的電機轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩－效率MAP圖如圖3所示.

圖3 電機模型MAP圖Fig.3 The MAP graph of motor model

2.3 蓄電池模型

本文采用內(nèi)阻模型，將電池看作一個理想電壓源和一個內(nèi)阻串聯(lián)的等效電路.電池SOC是描述電池狀態(tài)的重要參數(shù)，計算采用安時積分法.計算公式為

式中：SOC0為蓄電池SOC初始值；Qn為蓄電池額定容量，C；I為蓄電池發(fā)電電流，A.當(dāng)I為正值時，電池放電，SOC將減??；I為負(fù)值時，電池充電，SOC將增大.模型中把I作為開路電壓E和內(nèi)阻R的函數(shù)，而E和R又都是SOC和溫度T的函數(shù).因此，根據(jù)裝配于PHEV上的40 Ah鎳氫電池的試驗數(shù)據(jù)，得到不同溫度下的開路電壓E和內(nèi)阻R隨電池SOC變化的曲線簇，通過擬合公式可求出E和R，從而計算SOC和電流I.

2.4 整車動力學(xué)模型

假設(shè)路面坡度為α，可得到車輛行駛時的驅(qū)動力平衡方程：

式中：m為整車質(zhì)量，kg；g為重力加速度，為9.81 m／s2；f為滾動阻力系數(shù)，與輪胎壓力成正比；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；C為常數(shù)21.15 N·m－2；A為迎風(fēng)面積，m2；v為車速，km／h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為車輛加速度，m／s2.

3 控制策略設(shè)計

3.1 工作模式劃分

根據(jù)并聯(lián)混合動力汽車傳動部件布置形式，將該車的工作模式劃分為5種，分別是純電機模式，純發(fā)動機模式，發(fā)動機、電機聯(lián)合驅(qū)動模式，發(fā)動機驅(qū)動、電機發(fā)電模式，怠速／停車模式.

3.2 各工作模式的效率評估

在各工作模式中，每個傳動部件的效率隨著路況及使用條件的不同而不同，這就決定了不同工作模式下的傳動系統(tǒng)效率評估公式不同.本文構(gòu)建的不同模式下混合動力傳動系統(tǒng)總體效率公式如下：

純電機模式下的效率評估公式為

發(fā)動機、電機聯(lián)合驅(qū)動模式下的效率評估公式為

發(fā)動機驅(qū)動、電機發(fā)電模式下的效率評估公式為

式中：Pr、Pb分別為需求功率、蓄電池放電功率，k W；P′b為發(fā)動機驅(qū)動、電機發(fā)電模式下蓄電池充電功率，k W；P″b為怠速／停車模式下蓄電池充電功率，k W；Pm、Po分別為電機驅(qū)動功率、燃油箱功率，k W；ηt、η′t分別為傳動系統(tǒng)的效率、發(fā)動機到電機的傳動效率，取平均值，為常數(shù)；ηe、ηm、ηdis、ηchg分別為發(fā)動機、電機、蓄電池放電、蓄電池充電的效率；η′m為電動機發(fā)電時的效率；k為發(fā)動機驅(qū)動、電機發(fā)電模式下發(fā)動機分配到電機的分配比；ic為扭矩合成器傳動比，為常數(shù)；Te、Temin、Temax分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機高效區(qū)最小轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機高效區(qū)最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Tm、Tmmax、T′m、T′mmax分別為電機驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩、電機的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、電機發(fā)電時的轉(zhuǎn)矩、電機的最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩，N·m；Tr為需求轉(zhuǎn)矩，N·m；ne、nm分別為發(fā)動機、電機的轉(zhuǎn)速，r／min.

3.3 轉(zhuǎn)矩分配

圖4 混合動力汽車控制邏輯Fig.4 Control logic of HEV

根據(jù)需求扭矩的大小和蓄電池荷電狀態(tài)SOC范圍確定可能的工作模式，分別計算出不同工作模式下的系統(tǒng)效率，通過比較不同工作模式下混合動力系統(tǒng)的效率，得出系統(tǒng)最高效率下對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩的分配值，其控制邏輯如圖4所示.這里可以看作是一個數(shù)學(xué)優(yōu)化問題，通過需求扭矩和蓄電池SOC范圍確定可能的工作區(qū)域，這些可能的工作區(qū)域就位于若干個工作模式下的約束范圍內(nèi)，目標(biāo)函數(shù)為不同工作模式下傳動系統(tǒng)效率計算公式，通過線性約束優(yōu)化方法獲得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值，從而得到最優(yōu)效率下對應(yīng)的發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩.

4 仿真與結(jié)果

4.1 整車仿真模型

本文基于Simulink和Cruise按照圖1結(jié)構(gòu)建立并聯(lián)式混合動力公交車的仿真模型（如圖5所示）.圖中，A為蓄電池模塊，B為電機模塊，C為變速器模塊，D為離合器模塊，E為發(fā)動機模塊，F(xiàn)為控制策略模塊，G為方向盤模塊，H為主減速器模塊，I為制動器模塊，J為車輪模塊，K為監(jiān)測模塊，各模塊按照前文所述的連接關(guān)系進行連接.仿真過程中所用的循環(huán)工況為根據(jù)自主研發(fā)的電動汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對大連市試驗運行的混合動力公交車進行3年的數(shù)據(jù)采集，所構(gòu)建的大連市循環(huán)工況（如圖6所示），該工況更符合大連地區(qū)實際路況特征，因此以該工況進行試驗更符合車輛實際運行狀況，使試驗結(jié)果更準(zhǔn)確.

圖5 混合動力整車仿真模型Fig.5 Simulation model of HEV

圖6 大連市循環(huán)工況Fig.6 Driving cycle of Dalian City

在仿真過程中，整車按照大連市循環(huán)工況行駛，由循環(huán)工況獲得需求轉(zhuǎn)矩，根據(jù)本文設(shè)計的控制策略確定動力系統(tǒng)各部件應(yīng)提供的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等，以此作為車輛最終工作性能分析的依據(jù).

4.2 仿真結(jié)果分析

圖7為混合動力公交車上發(fā)動機在大連市循環(huán)工況運行過程中的工作點.從圖中可以看出，發(fā)動機始終工作在效率較高的區(qū)域，該區(qū)域具有較好的燃油經(jīng)濟性和排放性.圖8為混合動力公交車上電機在大連市循環(huán)工況運行過程中的工作點.從圖中可以看出，電機無論是出于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，始終工作在效率較高的區(qū)域，能量利用率高.將本文提出的基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的方法（記為方法1）與實際運行的混合動力公交車所采用的基于邏輯門限值的控制方法（記為方法2）所統(tǒng)計的最小燃油消耗值（百公里油耗為27.5 L）進行比較，采用方法1所得的燃油消耗比方法2所得的燃油消耗降低6.9%.

圖7 基于大連循環(huán)工況的發(fā)動機工作點Fig.7 Engine operating points for Dalian driving cycle

圖8 基于大連循環(huán)工況的電機工作點Fig.8 Motor operating points for Dalian driving cycle

5 結(jié) 語

本文對混合動力汽車控制方法進行了深入研究.針對現(xiàn)有混合動力汽車控制方法存在功率損失大、系統(tǒng)效率低、潤滑條件惡化等問題，提出一種基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的混合動力汽車控制方法.該方法通過分析傳動系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)和效率特性，在此基礎(chǔ)上確定各部件運行的最優(yōu)效率區(qū)，根據(jù)汽車的運行狀態(tài)控制它們運行在高效率點，實現(xiàn)整個混合動力傳動系統(tǒng)總體效率最優(yōu)，能量利用率高；該方法功率損失減小，散熱量減小，在保證良好燃油經(jīng)濟性的同時改善了潤滑條件，延長了傳動部件使用壽命.

［1］ 張 然，趙志軍.淺析混合動力汽車總成結(jié)構(gòu)與能量控制策略［J］.節(jié)能與環(huán)保，2011（3）：48－50.ZHANG Ran，ZHAO Zhi－jun.Analysis of power－train structure and energy control strategy for hybrid electric vehicle［J］.Energy Conservation and Environmental Protection，2011（3）：48－50.（in Chinese）

［2］Kermani S，Delprat S，Guerra T M，etal.Predictive energy management for hybrid vehicle［J］.Control Engineering Practice，2012，20（4）：408－420.

［3］Pierluigi P，Giorgio R.A comparative study of supervisory control strategies for hybrid electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2007，15（3）：506－518.

［4］Sciarretta A，Guzzella L.Control of hybrid electric vehicles［J］.IEEE Control Systems Magazine，2007，27（2）：60－70.

［5］Oh K，Min J，Choi D.Optimization of control strategy for a single－shaft parallel hybrid electric vehicle［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2007，221（5）：555－565.

［6］Kim N，Cha S，Peng H.Optimal control of hybrid electric vehicles based on Pontryagin′s minimum principle［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2011，19（5）：1279－1287.

［7］Mashadi B，Emadi S A.Dual－mode power－split transmission for hybrid electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（7）：3223－3232.

［8］Ito Y，Iwase M，Sadahiro T，etal.A model－based torque estimation for combustion engines and experimental verification［C］／／Proceedings of the IEEE International Conference on Control Applications.Piscataway：IEEE，2010：707－712.

［9］Koprubasi K，Pezzini A，Bezaire B，etal.Application of model－based design techniques for the control development and optimization of a hybrid electric vehicle［C］／／SAE Technical Paper.Warrendale：SAE International，2009：10.4271／2009－01－0143.