基于轉(zhuǎn)矩分配的混合動(dòng)力汽車控制策略的優(yōu)化研究

孫家文 劉勝永 王建超 黃俊華

摘 要：針對(duì)汽車仿真軟件ADVISOR2002中并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的默認(rèn)電力輔助控制策略（EACS）未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行良好的分配以及未限制電池運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率較低及電池可能出現(xiàn)過(guò)沖與過(guò)放現(xiàn)象等問(wèn)題，通過(guò)基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的思想制定了一系列規(guī)則，提出一種新的基于轉(zhuǎn)矩分配的改進(jìn)控制策略（TDCS），將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩限制在高效區(qū)域，并同時(shí)控制電池的開(kāi)關(guān)狀態(tài).仿真結(jié)果表明，在特定工況下，改進(jìn)的控制策略不僅能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，而且對(duì)蓄電池也有一定保護(hù)作用.

關(guān)鍵詞：并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車；電力輔助控制；轉(zhuǎn)矩分配；控制策略

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略已逐漸趨于成熟，基于規(guī)則的控制[1]、基于功率的控制、模糊控制[2-4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[5]、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制、電力輔助控制等被廣泛應(yīng)用于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略.基于規(guī)則的控制與基于功率的控制都比較簡(jiǎn)單，不能保證各部件得到最佳匹配，無(wú)法有效地提高整車效率；模糊控制不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，具有較好的魯棒性與實(shí)時(shí)性，但過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)，容易陷入局部最優(yōu)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以通過(guò)訓(xùn)練在理論上達(dá)到最優(yōu)，但在硬件實(shí)現(xiàn)方面較為困難[6]；實(shí)時(shí)優(yōu)化控制計(jì)算量太大，根本無(wú)法在實(shí)際車輛中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[7].電力輔助控制策略（EACS）利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為輔助驅(qū)動(dòng)源，根據(jù)工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率進(jìn)行“削峰填谷”，從而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，應(yīng)用較為廣泛，已在現(xiàn)實(shí)的混合動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，如本田Insight和雪鐵龍XSARA，在ADVISOR軟件中，將其設(shè)置為并聯(lián)混合動(dòng)力車型的默認(rèn)控制策略.本文詳細(xì)介紹分析了電力輔助控制策略，指出其存在的不足，并利用基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的思想對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得出新的基于轉(zhuǎn)矩分配的控制策略，改進(jìn)的控制策略對(duì)汽車需求功率以及電池的荷電狀態(tài)（State of Charge）（即SOC值）都設(shè)定了一定的門(mén)限值，當(dāng)它們?nèi)〉貌煌膮^(qū)域內(nèi)的值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，如此，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作于高效區(qū)域，而電池也能避免過(guò)沖過(guò)放帶來(lái)的損害.

1 電力輔助控制策略分析

ADVISOR中默認(rèn)的并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略為電力輔助控制策略.該策略的主要思路是：以發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的主驅(qū)動(dòng)源，電機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)源，在車輛行駛過(guò)程中，根據(jù)蓄電池SOC值大小的不同，電機(jī)或處于電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車，或處于發(fā)電狀態(tài)，利用一部分發(fā)動(dòng)機(jī)能量為蓄電池充電，將蓄電池SOC值保持在一中限制附近[8].在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的情況下，T=[Tr+Tchg，Tmin]max，其中，T為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，Tr為汽車的需求轉(zhuǎn)矩，Tchg為給電池的補(bǔ)充轉(zhuǎn)矩，Tmin為當(dāng)前車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下限.默認(rèn)的控制策略思想是：大多數(shù)情況下，將電池的SOC維持在一個(gè)中線值附近，即給電機(jī)施加一個(gè)補(bǔ)充轉(zhuǎn)矩Tchg，當(dāng)Tchg>0時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，給電池充電；當(dāng)Tchg<0時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，提供輔助能源.Tchg的計(jì)算公式如下：

其中，Tc表示發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)的充電轉(zhuǎn)矩，SOChi，SOClo，SOCm分別表示電池SOC高限值、SOC低限值以及SOC的中限值.由此公式可以看出，電力輔助控制策略的目的是使電池SOC盡量平衡在中線附近.

綜上分析得知，電力輔助控制策略比較簡(jiǎn)單，但也比較有效地完成了混合動(dòng)力汽車中的能量分配.該控制策略也有不少缺陷，在ADVISOR2002的默認(rèn)參數(shù)中，ess_on始終為“1”，即代表電池是始終處于工作狀態(tài)，沒(méi)有將需求功率與電池SOC值進(jìn)行動(dòng)態(tài)的結(jié)合考慮，只是單純地將SOC值分為高于中限制與低于中限制兩種情況. HEV在實(shí)際工況中，需求功率不停變的，當(dāng)需求功率較小，而SOC值屬于大時(shí)，電機(jī)仍向發(fā)動(dòng)機(jī)提供輔助能量，造成了能量浪費(fèi).當(dāng)需求功率很大，發(fā)動(dòng)機(jī)不能單獨(dú)提供足夠動(dòng)力時(shí)，需要電機(jī)提供輔助能量，若此時(shí)SOC值低于電池安全放電范圍，如20%，電池仍放電，就會(huì)對(duì)蓄電池的性能、壽命都有很大損害，另外，當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)默認(rèn)輸出需求轉(zhuǎn)矩而非效率最高的最大轉(zhuǎn)矩.針對(duì)這些情況，本文在默認(rèn)控制策略的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合車輛需求轉(zhuǎn)矩與電池SOC值制定了一套轉(zhuǎn)矩分配策略.

2 基于轉(zhuǎn)矩分配的控制策略

根據(jù)車速進(jìn)行查表，可得到當(dāng)前車速下發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax，再用最大轉(zhuǎn)矩乘以最小轉(zhuǎn)矩系數(shù)可以得到該車速下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下限Tmin.發(fā)動(dòng)機(jī)只有工作在兩轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，才能保持較高的效率，而工作在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)效率最高[9-10].

改進(jìn)的控制策略結(jié)合車輛需求轉(zhuǎn)矩與電池SOC值制定一系列規(guī)則，目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)能持續(xù)工作在高效狀態(tài)，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行一定的保護(hù).分別將SOCmin與SOCmax設(shè)定為電池的SOC低限值與高限值.TDCS的基本方案如表1所示，體現(xiàn)了不同需求轉(zhuǎn)矩以及SOC的取值下發(fā)動(dòng)機(jī)的取值以及電池開(kāi)關(guān)狀態(tài)，ess_on=0表示關(guān)閉電池開(kāi)關(guān).

當(dāng)前車速下的需求轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩下限時(shí)，如果SOCSOCmax，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍輸出最小轉(zhuǎn)矩，但為避免蓄電池過(guò)充，需關(guān)閉電池開(kāi)關(guān)。

當(dāng)前車速下的需求轉(zhuǎn)矩處于最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩下限之間時(shí)，如果SOC≤SOCmax，則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電機(jī)工作處于發(fā)電狀態(tài)；如果SOC>SOCmax，則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出需求轉(zhuǎn)矩，同時(shí)關(guān)閉電池開(kāi)關(guān).

當(dāng)前車速下的需求轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需輸出最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，電機(jī)應(yīng)工作于電動(dòng)狀態(tài)，提供輔助動(dòng)力，但如果SOC

當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，即需求功率為負(fù)，若此時(shí)SOC3 基于ADVISOR的建模與二次開(kāi)發(fā)

本控制策略中，如何控制好電池的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是非常關(guān)鍵的一步，本文對(duì)電池開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)原則為當(dāng)出現(xiàn)以下兩種情況時(shí)，關(guān)閉電池開(kāi)關(guān)：當(dāng)電池SOC低于低限值SOCmin而電機(jī)仍處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)；當(dāng)電池SOC高于高限值SOCmax而電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí).如圖1所示為電池開(kāi)關(guān)控制模型，其中輸入1為電池SOC，輸入2為電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩.cs_dl_lo_soc與cs_dl_hi_soc分別表示SOCmin與SOCmax，分別設(shè)定為0.2與0.9.

為使改進(jìn)的控制策略能夠成功地嵌入ADVISOR中并仿真，需要對(duì)ADVISOR中的模型及部分文件進(jìn)行修改添加.具體步驟如下：

首先打開(kāi)ADVISOR＼models＼library目錄下的控制策略庫(kù)文件lib_controls.mdl，通過(guò)點(diǎn)擊EDIT菜單下的UNLOCK LIBRARY解除鎖定，選擇該文件下的并聯(lián)電輔助控制策略模塊electric assist control strategy

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Abstract：Since the default electric assisted control strategy（EACS） of parallel hybrid electric vehicle in the vehicle simulation software ADVISOR2002 can not distribute the engine torque for good and does not limit the battery working state， resulting in low engine efficiency and the battery overcharging or discharging and other issues， this paper proposed a new improved control strategy based on torque distribution （TDCS） through a series of rules based on the idea of engine torque distribution. It will limit the output torque of the engine in the high efficiency area， and control the battery switch state at the same time. The simulation results show that the improved control strategy can not only improve the efficiency of the engine， but also have a certain protective effect on the battery under certain conditions.

Key words：parallel hybrid electric vehicle； electric assisted control strategy； torque distribution； control strategy

（學(xué)科編輯：張玉鳳）