混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能控制模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

寧大方

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)節(jié)能控制模式計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、速度緩慢等難題，設(shè)計(jì)了新的混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能控制模式。給出控制器的總體結(jié)構(gòu)圖，選擇ATmega2560單片機(jī)組成的控制芯片，通過(guò)模擬采集信號(hào)電路獲取混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，最后采用新型A?ECMS策略通過(guò)提取最優(yōu)等效因子，達(dá)到混合動(dòng)力汽車(chē)等效燃油最小化的目的，并對(duì)電量維持性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能控制模式不僅節(jié)能控制效果顯著，而且具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力； 汽車(chē)節(jié)能； 控制模式； 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN245?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0136?05

Design and implementation of energy?saving control mode for hybrid electric vehicle

NING Dafang

（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150000， China）

Abstract： Since the traditional energy?saving control mode has the problems of complicated calculation process and slow calculation speed， a new energy?saving control mode of hybrid electric vehicle is designed. The overall structure chart of the controller is given. The control chip composed of SCM ATmega2560 is selected. The input signal of the hybrid electric vehicle system is acquired through the analog signal acquisition circuit. The new?type A?ECMS strategy is adopted to extract the optimal equivalent factor to minimize the equivalent fuel oil of the hybrid electric vehicle. The electricity maintenance is analyzed. The results show that the energy?saving control mode of the hybrid electric vehicle has significant energy?saving control effect， and high stability.

Keywords： hybrid power； automobile energy saving； control mode； design and implementation

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，乘坐汽車(chē)已經(jīng)是人們出行的主要方式，汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展使資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此，綜合利用電能、燃?xì)庖约懊翰裼偷幕旌蟿?dòng)力汽車(chē)成為相關(guān)人員研究的熱點(diǎn)。其中混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制模式是研究的核心技術(shù)，當(dāng)前各國(guó)對(duì)節(jié)能控制模式的研究尚不完善，存在控制能力低、穩(wěn)定性差以及節(jié)能效果不明顯等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種穩(wěn)定性強(qiáng)、節(jié)能效果明顯的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制模式。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能控制器設(shè)計(jì)

1.1 控制器電路總體框圖設(shè)計(jì)

控制器電路設(shè)計(jì)主要包括控制芯片選型、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、模擬信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)等。本文混合動(dòng)力汽車(chē)蓄電池的組合電壓是36 V，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路后輸送給單片機(jī)完成對(duì)系統(tǒng)的供電。各個(gè)傳感器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集后，調(diào)整電路使控制芯片接收到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[1]，按照控制程序的引導(dǎo)，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行調(diào)整，使其能夠控制導(dǎo)流葉片傾角以及旁通閥開(kāi)度，控制器硬件電路的總體框圖如圖1所示。

1.2 控制芯片的選擇

控制器中控制芯片的選擇要滿(mǎn)足體積小、能耗低、精度高的要求。設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)應(yīng)盡量選擇性能好、能耗低的電路元器件[2]。選擇模糊控制芯片時(shí)，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和功能劃分都要考慮周全，選型流程如圖2所示。

依據(jù)實(shí)際控制的狀況，從功能、成本以及技術(shù)等方面進(jìn)行綜合評(píng)定，本文選用Atmel公司的一款A(yù)VR系列單片機(jī)。

Atmel公司研發(fā)的ATmega640/1281/2560/2561是在AVR系列的基礎(chǔ)上加強(qiáng)RISC架構(gòu)的低功耗8 B微控制器。其具有強(qiáng)大的執(zhí)行力，運(yùn)行速度高達(dá)1 MIPS/MHz。ATmega640/1281/2560/2561系列有60 KB/120 KB/245 KB同時(shí)讀寫(xiě)、3 KB的E2PROM、6 KB的SRAM等優(yōu)點(diǎn)，比51單片機(jī)的功能要強(qiáng)。ATmega系列部分型號(hào)的對(duì)比見(jiàn)表1。

本文選取的是高配置的ATmega2560單片機(jī)，其配置是6 KB的RAM，74個(gè)片內(nèi)外中斷觸發(fā)，3個(gè)串行USART口，另外，ATmega2560采用的RISC架構(gòu)設(shè)計(jì)在后續(xù)程序中可繼續(xù)使用。

1.3 單片機(jī)外圍電路和電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ATmega2560單片機(jī)的復(fù)位電路如圖3所示，為了使ATmega2560芯片能夠準(zhǔn)確地接收到Arduino IDE編寫(xiě)的節(jié)能控制程序[3]，創(chuàng)建二者的映射關(guān)系是十分必要的，從而使ATmega2560單片機(jī)的I/O和Arduino的bootloader里的I/O產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。endprint

MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)存在一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，其作用是當(dāng)單5 V電源供電時(shí)可提供EIA/TIA?232?E1電平。單片機(jī)和RS 232需要進(jìn)行通信時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)電平標(biāo)準(zhǔn)不同必須采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[4]?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)蓄電池的組合電壓是36 V，而有些傳感器、元器件以及單片機(jī)等正常的工作電壓是5 V，變送器的工作電壓是13.5 V。因此，要先設(shè)計(jì)出電源轉(zhuǎn)換電路，使工作電壓與元器件所需電壓相匹配。本文運(yùn)用7805和LM317T模塊獲取13.5 V以及5 V的工作電壓。

1.4 模擬采集信號(hào)電路設(shè)計(jì)

由于未搭建廢棄能量回收平臺(tái)，無(wú)法回收混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，在Proteus仿真電路中，不能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[5]，所以，運(yùn)用模擬信號(hào)采集電路完成混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)四個(gè)輸入變量的信號(hào)采集任務(wù)。4個(gè)滑動(dòng)變阻器調(diào)劑渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速[n、]發(fā)電機(jī)電流[I、]排氣背壓[P]以及蓄電池SOC值，該電路是模擬采集變送器傳輸?shù)?～5 V電壓值，模擬信號(hào)采集電路如圖4所示。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能控制模式的實(shí)現(xiàn)

完成控制器的設(shè)計(jì)后，節(jié)能控制模式采用新型A? ECMS 策略實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能控制。首先應(yīng)考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)瞬間最優(yōu)解控制策略（ECMS策略）的限制性，說(shuō)明等效燃油最小控制策略的成因和等效因子的定義及類(lèi)別；再設(shè)計(jì)一種方案獲取最優(yōu)等效因子并分析其變化規(guī)律。

2.1 等效燃油最小控制策略

混合動(dòng)力汽車(chē)在某一行駛工況下的最佳耗油值可用式（1）表示為：

[Jmin=mint=0N-1meTet，wt?Δt+mequalTmt，wt?Δt] （1）

由于式（1）獲取最優(yōu)解的條件必須是熟悉的行駛工況，且求解過(guò)程復(fù)雜、速度緩慢，所以很難在實(shí)際中運(yùn)用，因此研究人員提出了瞬間最優(yōu)解控制策略，即ECMS策略。ECMS引入等效因子[s，]將消耗的電能轉(zhuǎn)換成等效燃油量[6]，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃油，得出瞬時(shí)的代價(jià)函數(shù)為：

[minJt，u=met，u+st?Pbt，uQl] （2）

式中：[Pbt]表示電池的功率；[Ql]表示燃油低熱值；[st]表示等效因子。完成瞬時(shí)最優(yōu)控制的方法是在各個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，選擇使代價(jià)函數(shù)[Jt，u]最小的[u]為控制量，按需分配轉(zhuǎn)矩。

等效因子是ECMS策略的重要參數(shù)，其數(shù)值的大小直接影響控制效果。等效因子分為恒定值等效因子SOC和自適應(yīng)等效因子。恒定值等效因子策略是指在ECMS策略中的等效因子在汽車(chē)行駛過(guò)程中保持恒定不變。為了證明ECMS策略的最優(yōu)特性，采用哈密頓函數(shù)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)全局最優(yōu)控制問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為瞬時(shí)最小化問(wèn)題，等效因子的變化方程為：

[st=-st??Pbx，u，t?x] （3）

式（3）的計(jì)算過(guò)程必須滿(mǎn)足知悉的循環(huán)工況，且龐大的計(jì)算量并不適合汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用。自適應(yīng)等效因子策略是指在汽車(chē)行駛過(guò)程中能自動(dòng)調(diào)節(jié)的ECMS策略（即A?ECMS策略）。依據(jù)策略中等效因子校正方式的不同，可將A?ECMS自適應(yīng)等效因子分為三類(lèi)：

（1） 基于工況預(yù)測(cè)的等效因子調(diào)節(jié)方法。

（2） 基于工況識(shí)別的等效因子調(diào)節(jié)方法。

（3） 基于SOC值（SOC描述了汽車(chē)蓄電池的電荷狀態(tài)）反饋的等效因子調(diào)節(jié)方法。

通過(guò)調(diào)節(jié)等效因子的狀態(tài)來(lái)減弱SOC的偏移，使SOC值保持在[SOCref]左右。該種等效因子調(diào)控方法的魯棒性較高，可得到近似最佳的控制效果，避免SOC值過(guò)度偏離。

2.2 最優(yōu)等效因子的提取

最優(yōu)等效因子的提取是在其有效變化區(qū)間內(nèi)完成的，因此需要先明確等效因子的有效變化區(qū)間[7]。本文以恒定值等效因子的ECMS策略為仿真對(duì)象，在限定的循環(huán)工況上監(jiān)測(cè)不同數(shù)值的等效因子對(duì)應(yīng)的[ΔSOC]的變化規(guī)律，得出等效因子的有效變化區(qū)間。

觀(guān)察圖5可知，[ΔSOC]并不是單純地隨著[s0]的增大而增大，當(dāng)恒定值等效因子[s0<2]或[s0>6]時(shí)，不同工況下[ΔSOC]的值都不存在顯著變化；當(dāng)[s0]的值在2～6這個(gè)區(qū)間時(shí)，不同工況下[ΔSOC]的值都變化顯著。所以，本文確定等效因子的有效變化區(qū)間是[2，6]。

2.3 新型A?ECMS策略的設(shè)計(jì)

新型A?ECMS策略的設(shè)計(jì)主要從電量維持性進(jìn)行分析，使其達(dá)到最低的能耗效果[8]。首先確定電池SOC最佳維持區(qū)間，限定SOC的工作區(qū)間是為了保證電池達(dá)到最佳的使用效果。本文把防止電池過(guò)充或過(guò)放電的工作區(qū)間稱(chēng)為電池SOC的基本工作區(qū)間；把能保證電池最佳使用效果的區(qū)間稱(chēng)為電池SOC的最佳維持區(qū)間，SOC最佳維持區(qū)間在SOC的基本工作區(qū)間范圍內(nèi)。在混合動(dòng)力能量控制策略中一般選擇電池充放電內(nèi)阻小的區(qū)間為SOC的基本區(qū)間，本文通過(guò)不同循環(huán)工況上的仿真計(jì)算，得出SOC的最優(yōu)工作區(qū)間是[0.6，0.8]。

為了使電池在混合動(dòng)力系統(tǒng)中節(jié)能效果最大化，本文將SOC值控制在最佳維持區(qū)間[0.6，0.8]。等效因子的調(diào)節(jié)建立在最優(yōu)等效因子的均值和SOC維持水平的關(guān)系上，依據(jù)SOC最佳維持區(qū)間的程度來(lái)調(diào)節(jié)[9]，即：

[s0=-0.017 8?SOC-1.833+2.554] （4）

當(dāng)[SOC≤0.7]時(shí)，有：

[s=s0+0.6-SOC0.2?5-s0] （5）

當(dāng)[SOC>0.7]時(shí)，有：

[s=s0+0.6-SOC0.2?s0-3] （6）

綜上所述，設(shè)定SOC最佳維持區(qū)間的中間值0.7是臨界點(diǎn)，當(dāng)SOC<0.7時(shí)，則SOC可能接近最佳維持區(qū)間[0.6，0.8]的下限，依據(jù)SOC距離下限0.6的程度，等效因子的值向自身最大值方向靠近[9]。根據(jù)上文獲取等效因子的有效區(qū)間是[2，6]，所以，如果SOC=0.6，等效因子的值在式（6）作用下會(huì)得到最大值6，以最大程度地控制電能的消耗，達(dá)到節(jié)能目的。endprint

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)能控制模式的有效性，實(shí)驗(yàn)采用高級(jí)汽車(chē)防撞軟件ADV ISOR2002，將某種類(lèi)型的雙軸混合動(dòng)力公交客車(chē)動(dòng)力模型當(dāng)成整車(chē)仿真模型，電機(jī)使用40 kW三相交流感應(yīng)異步電機(jī)模型，使用北京公交循環(huán)工況。設(shè)置實(shí)驗(yàn)中的自變量是發(fā)動(dòng)機(jī)的總扭矩與轉(zhuǎn)速，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的總能耗是通過(guò)總扭矩反映的，在汽車(chē)行駛中，電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，耗能量也隨之增大。所以，為了達(dá)到好的節(jié)能控制效果，必須縮減發(fā)動(dòng)機(jī)總扭矩與轉(zhuǎn)速。而且，可通過(guò)節(jié)能控制后的兩者曲線(xiàn)波動(dòng)判斷混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制模式的穩(wěn)定性，即波動(dòng)越小穩(wěn)定性越高。未采用本文節(jié)能控制模式的混合動(dòng)力汽車(chē)在不同條件下，分別以2檔和4檔行駛2 000 m，并完成急停、起步、加速等同步操作，所得的發(fā)動(dòng)機(jī)總扭矩與轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖如圖6，圖7所示。

分析圖6和圖7可得，在同等條件下，未采用本文節(jié)能控制模式的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的4檔位總扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最高值分別是70[N?m]與2 000 r/min；2檔位總扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最高值分別是68[N?m]與1 980 r/min。在200～2 000 m內(nèi)，4檔位總扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平均值分別是48[N?m]與1 355 r/min；2檔位總扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平均值分別是40[N?m]與1 402 r/min。

采用本文節(jié)能控制模式的發(fā)動(dòng)機(jī)總扭矩以及轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖如圖8，圖9所示。與圖6和圖7進(jìn)行對(duì)比可得，本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制模式不僅能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制而且效果顯著。觀(guān)察圖8和圖9的曲線(xiàn)，波動(dòng)明顯比圖6和圖7平緩很多，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制模式穩(wěn)定性高。

實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)效率和高效區(qū)實(shí)施調(diào)控，進(jìn)而定量檢測(cè)未采用本文節(jié)能控制模式以及采用本文節(jié)能控制模式下，電機(jī)效率對(duì)實(shí)驗(yàn)混合動(dòng)力汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放以及電池SOC均衡的干擾，檢測(cè)結(jié)果如圖10，圖11以及表2所示。

因?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求較高，需求得電機(jī)的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)全速區(qū)域以及轉(zhuǎn)速區(qū)域，確保各工作點(diǎn)的效率較大。分析圖10可得，未采用本文節(jié)能控制模式的電機(jī)在中高轉(zhuǎn)速以及大轉(zhuǎn)矩情況下具備較大的電動(dòng)效率，在低轉(zhuǎn)速以及小轉(zhuǎn)矩情況下具備較小的電動(dòng)效率，使得混合動(dòng)力汽車(chē)在純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并發(fā)電運(yùn)行模式下的效率較小，對(duì)于平均車(chē)速較小的市區(qū)行駛的混合動(dòng)力汽車(chē)特別不利。

采用本文節(jié)能控制模式對(duì)圖10中混合動(dòng)力汽車(chē)實(shí)施節(jié)能控制，分析本文控制模式對(duì)該混合動(dòng)力汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)化效果，結(jié)果如圖11所示。

分析圖11和表2能夠看出，本文節(jié)能控制模式提高了電機(jī)總體效率，并且擴(kuò)大了電機(jī)高效區(qū)的區(qū)間，優(yōu)化了電機(jī)效率和汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，取得了令人滿(mǎn)意的節(jié)能效果。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器解決了行駛工況的局限性以及計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，達(dá)到了節(jié)能效果明顯的目的，且具有較高的穩(wěn)定性，適合未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的需求。

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