應(yīng)用饋能懸架的HEV能量管理研究和燃油經(jīng)濟(jì)性分析

夏 秋，潘廣香，盧淑群，馬其江，馮 霞

（滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

HEV(hybrid electric vehicle)兼具傳統(tǒng)燃油汽車和電動汽車優(yōu)點(diǎn)，具有動力強(qiáng)和續(xù)航里程長排放低的特點(diǎn)[1-2]，因此成為近年來的研究熱點(diǎn)。HEV由多個動力源的能量耦合輸出驅(qū)動，必須精確控制其輸出扭矩，避免發(fā)動機(jī)長時間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到降低油耗的目的[3]。此外，HEV中廣泛應(yīng)用制動能量回收系統(tǒng)，進(jìn)一步降低了混合動力汽車的燃油消耗[4-5]。然而，混合動力汽車中燃油能量僅有25%～40%被有效利用。因此，車輛還有很大的節(jié)能潛力。

主動懸架技術(shù)能夠改善車輛乘坐舒適性和行駛安全性等方面的動態(tài)性能[6-8]，其振動能量也具有很大的回收和重復(fù)利用價(jià)值。而主動懸架為耗能部件，會降低車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。為了降低引入主動懸架對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，本文提出在HEV上引入饋能主動懸架技術(shù)，改善乘坐舒適性的同時保持HEV車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。已有學(xué)者對懸架振動能量回收性能做了相關(guān)研究，并提出了多種的能量回收機(jī)制和控制策略以改善懸架動力學(xué)性能和實(shí)現(xiàn)能量回收。張進(jìn)秋[9]等人研究表明利用收集懸架振動能量，最大降低了10%的燃油消耗。使用控制策略不同主動懸架能耗水平差別很大。于長淼[10-11]等人通過優(yōu)化控制參數(shù)，再生振動能量能夠完全滿足懸架主動控制需要，不額外消耗能量。然而，相比于傳統(tǒng)汽車，在混合動力汽車上應(yīng)用主動饋能懸架可以使用車輛本身電源不需要額外增加電池組，因而混合動力汽車能夠充分發(fā)揮主動懸架的能量再生能力，將懸架振動能量轉(zhuǎn)換為電能，降低混合動力汽車的燃油消耗。

對混合動力汽車能量流控制已提出了多種能量管理策略[12-15]，而饋能懸架技術(shù)的引入，打破了車輛能量流的平衡，因此必須重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的能量管理策略。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，較少提及在混合動力汽車中引入饋能主動懸架技術(shù)。Montazeri-Gl[16]等人研究了主動懸架技術(shù)在功率分流式混合動力汽車中應(yīng)用，但缺乏對燃油經(jīng)濟(jì)性的研究。此外，還需要對主動懸架能量回收能力和動力學(xué)性能綜合系統(tǒng)的研究[17]，在保證懸架動力學(xué)性能的同時最大限度的回收懸架振動能量。本文中設(shè)計(jì)了HEV動力系統(tǒng)能量管理策略，充分考慮了懸架再生能量對系統(tǒng)的影響。分別設(shè)計(jì)了監(jiān)督控制器和底層子控制器，其中監(jiān)督控制器用于調(diào)節(jié)底層控制器的控制參數(shù)，而在子控制器中，應(yīng)用等效消耗最小化策略提高了懸架能量回收性能，并且設(shè)計(jì)了基于路況的懸架切換規(guī)則。

2.1.1 對蘇丹草株高的影響 孕穗期蘇丹草的株高由高至低的處理依次為F2>F3>F1>F6>MR>CK>F4>F5>P，其中，F(xiàn)2和F3的株高較高，分別為320 cm和318 cm，而P處理蘇丹草株高最低，為291 cm。各處理蘇丹草的株高較P處理高6.38%～12.68%，各處理(除P，F(xiàn)4和F5)株高較CK提高了1.99%～5.39%，F(xiàn)2和F3的株高均顯著高于P(P<0.05)，其余各處理與CK相比差異不顯著(P>0.05)(圖1-A)。

1 系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)耦合機(jī)理分析

如圖1所示，混合動力汽車的動力系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)存在著一定的相關(guān)性[18]，饋能懸架的引入改變了HEV能量流動方向。HEV中能量的存儲和轉(zhuǎn)換是以三種形式存在（化學(xué)能，電能和機(jī)械能），不同能量間轉(zhuǎn)換由能量轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。通常，HEV中的所有能量最終都由燃料的化學(xué)能提供。

兩種工作模式參數(shù)設(shè)置為：1.舒適導(dǎo)向模式，設(shè)置參數(shù)cs值為2 000Ns/m,n值為-0.32；2.道路保持模式，cs和n值分別為3 000Ns/m和-0.52。

本文中選擇鋰離子電池組給HEV提供動力并存儲電能，電池組 SOC（battery charge state）變換遵循以下規(guī)律：

仿真中對比分析了主動饋能懸架和被動懸架在工況Ⅱ下的時域響應(yīng)，使用車身加速度和車輪與路面間的動載荷指標(biāo)評價(jià)車輛平順性和行駛安全性，如圖7。饋能懸架工作模式在1 110 s附近切換，動載荷增加了31.98%，而車身加速度降低了27.9%，結(jié)果表明模式切換前，主動饋能懸架工作在舒適模式時，車輛的乘坐舒適性明顯改善；切換后，主動饋能懸架工作在饋能模式，其動態(tài)性能與被動懸架相近，且車身加速度指標(biāo)略有降低。

隨著時代的發(fā)展，河北省特色農(nóng)產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系越來越緊密，相應(yīng)的特色農(nóng)產(chǎn)品在全國知名度不斷提高，同時結(jié)合河北省農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)狀，選擇適合的營銷策略，在拓寬農(nóng)產(chǎn)品市場、拉動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極作用。但是，河北省農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)營銷還存在發(fā)展階段，在農(nóng)戶觀念、售后、技術(shù)等方面還存在問題。

圖1 系統(tǒng)能量流

1.2 動力系統(tǒng)建模

本文中應(yīng)用中國汽車技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)的新型雙行星齒輪功率分流混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[19]，如圖 2 所示。

3.2.2 同時在上人梯搭設(shè)高度超過20m時，開始采用增加設(shè)斜向拉繩（雙股8號鋼絲繩+花籃螺栓）的方式，增強(qiáng)上人梯的穩(wěn)定性。在預(yù)埋鋼板上焊接φ20拉環(huán)用以固定斜拉繩。斜拉繩水平間距L1=1.2m，每層3個，豎向間距為 H1=6m。

圖2 HEV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中緩沖鎖止機(jī)構(gòu)是HEV的功率分流裝置，通過控制緩沖鎖止機(jī)構(gòu)與發(fā)動機(jī)、電機(jī)1、電機(jī)2的結(jié)合與斷開，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在多種工作模式間相互切換，工作模式包括：電機(jī)MG2單獨(dú)驅(qū)動、電機(jī)MG1和電機(jī)MG2復(fù)合驅(qū)動、混合驅(qū)動、制動和停車。其中緩沖鎖止機(jī)構(gòu)為雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)，基于杠桿原理[20]，得到功率分流動態(tài)模型，如圖3所示。忽略行星架上行星齒輪的轉(zhuǎn)動慣量和各元件的阻尼，假設(shè)各元件均為剛體。

圖3 功率分流動態(tài)示意圖

1.3 主動懸架動力學(xué)建模

主動懸架的控制策略和作動器的類型直接決定了懸架能耗的高低。為了在研究中突出懸架能量消耗和動態(tài)控制性能之間關(guān)系，基于混合控制策略[22]，確定懸架的主動控制力Fi為：

圖4 整車七自由度模型

根據(jù)整車模型，簧上質(zhì)量的動力學(xué)方程如下：

其中：cs為簧載質(zhì)量速度反饋增益；cg為非簧載質(zhì)量速度反饋增益。通過調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)，可以調(diào)節(jié)車輛乘坐舒適性和安全性。為使懸架系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，參數(shù)滿足cs＞0，cg≤0。令cg=-n·cs(n＞0)。該控制策略能直觀和定量地揭示懸架控制參數(shù)和不同評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)間的耦合關(guān)系。

四個車輪主動力控制方程為:

2 控制器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)HEV動力系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的協(xié)同控制，如圖5所示設(shè)計(jì)HEV能量管理策略。其中，應(yīng)用等效消費(fèi)最小化策略ECMS(equivalent consumption minimization control strategy)設(shè)計(jì)能量管理控制器[21]，由車速和主減速器輸入端所需的扭矩Treq計(jì)算確定發(fā)動機(jī)的參考扭矩和轉(zhuǎn)速再通過扭矩分配模塊中的PI控制器使發(fā)動機(jī)在高效率區(qū)域工作，根據(jù)發(fā)動機(jī)的參考扭矩和穩(wěn)定狀態(tài)下的約束條件進(jìn)一步計(jì)算得到電機(jī)MG1、電機(jī) MG2和機(jī)械制動系統(tǒng)的扭矩值TGTMTbrk。通過懸架控制器控制四個直線電機(jī)的推力Fi(i∈{1,2,3,4})?？紤]到懸架與動力傳動系統(tǒng)之間的相互作用，根據(jù)懸架再生能量值來調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)控制參數(shù)。監(jiān)督控制器會根據(jù)路況調(diào)整懸架控制參數(shù)cs和cg切換主動懸架的工作模式。

圖5 PS-HEV能量管理策略

2.1 能量管理策略

為了保持電池組充電的可持續(xù)性，電池組當(dāng)前時刻的放電量必須在下一時刻由燃料化學(xué)能補(bǔ)償。因此，電池組能量變化可以等效為瞬時燃油消耗量。瞬時總油耗為：

在不同等級道路上，采用NEDC循環(huán)作為HEV仿真工況，其由4個相同城市行駛周期和一個郊區(qū)行駛周期組成。按照表1所列四種輸入情況進(jìn)行仿真對比分析，研究懸架能量再生對HEV能量管理的影響。其中工況中，采用被動懸架，仿真時無能量再生。

2.2 扭矩分配

扭矩分配模塊由功率分流架構(gòu)內(nèi)扭矩間的關(guān)系設(shè)計(jì)，如圖6所示。MG1所需的扭矩由發(fā)動機(jī)額定扭矩計(jì)算的靜轉(zhuǎn)矩和用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤的動態(tài)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩組成。電機(jī)MG2扭矩計(jì)算在驅(qū)動和制動兩種情況下不同：驅(qū)動時，電機(jī)MG2的扭矩由發(fā)動機(jī)參考扭矩和負(fù)載扭矩按照式（11）計(jì)算得到。

圖6 扭矩分配模塊示意圖

2.3 監(jiān)督控制器設(shè)計(jì)

在動力系統(tǒng)能量管理策略中，估計(jì)懸架振動能量來校正等效燃料消耗。根據(jù)工況不同，提前給定不同工況下的最優(yōu)等效因子，在監(jiān)督控制器中估計(jì)一段時間內(nèi)的懸架能量平均再生功率Psus_ave。

2.4 懸架控制器設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確描述HEV整車動力學(xué)行為，建立了七自由度整車模型，其中直線電機(jī)的不同部件分別安裝在車身和輪胎上，如圖4所示。lf和lr分別表示車輛質(zhì)心位置到前軸和后軸中心的距離，Bf和Br表示前軸距和后軸距。

式中：lp和lr分別為簧上質(zhì)量的俯仰和側(cè)傾方向上的轉(zhuǎn)動慣性；tf=Bf/2，tr=Br/2；zb為簧上質(zhì)量質(zhì)心處的垂直位移，θ為俯仰角，φ為橫擺角，zwi為簧下質(zhì)量的垂直位移(i?{A,B,C,D}分別代表圖中左前，右前，左后和右后四個方向）；zbi為懸架安裝位置處的簧上質(zhì)量垂直位移；mb、mwi分別表示簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量；輪胎被簡化為彈性系數(shù)為kti的彈簧；zgi為每個輪胎的輸入；ksi為懸架彈簧彈性系數(shù)；Fi直線電機(jī)的主動力。

實(shí)驗(yàn)組是在常規(guī)治療的基礎(chǔ)上加用還原型谷朧甘肽(上海復(fù)旦復(fù)華藥業(yè)有限公司,國藥準(zhǔn)字H20031265),1.2g還原型谷朧甘肽溶于250 ml濃度為5%的葡萄糖溶液中,靜脈滴注,1次/d[3]。以上用藥均持續(xù)2w。

1)手機(jī)應(yīng)用增加探測、收集以及上傳用戶感知數(shù)據(jù)的能力。由于手機(jī)應(yīng)用是上行用戶流量的起始點(diǎn)與下行用戶流量終止點(diǎn),其收集的用戶感知數(shù)據(jù)是最準(zhǔn)確的。一般來說,探測手段包括手機(jī)應(yīng)用采用UDP PING或者ICMP PING,根據(jù)每條發(fā)送報(bào)文以及收到回應(yīng)報(bào)文的時間點(diǎn)來計(jì)算延時、抖動和丟包。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述分析建立功率分流HEV動力系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的統(tǒng)一模型。

由公式(1)得到電池組SOC的實(shí)際值。

表1 仿真工況

3.1 懸架的動態(tài)性能分析

式中，Voc為開路電壓，Qbat為電池組容量，Rint為電池組的內(nèi)阻。另外，車輛速度會同時影響HEV動力系統(tǒng)和主動懸架性能，動力系統(tǒng)所需能量主要由車速決定，而主動饋能懸架能量回收效率由車速和路面不平度共同決定。因此，為了準(zhǔn)確評價(jià)HEV燃油經(jīng)濟(jì)性，將車速和路面不平度作為影響因素，引入了典型行駛工況（NEDC循環(huán)工況等），路面不平度參照GB7031《車輛振動輸入-路面平度表示》標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 懸架動態(tài)響應(yīng)（a）車身加速度；（b）動載荷

圖8為工況II和III下主動饋能懸架的能量再生功率分布情況.可以看出，通過設(shè)置合適控制參數(shù)，饋能懸架能量再生功率在整個仿真過程中都為負(fù)值；懸架能量再生功率受到路面狀況和行駛工況的共同影響。

圖8 能量再生功率

3.2 HEV燃油經(jīng)濟(jì)性分析

圖9對基于規(guī)則的能量管理策略與ECMS控制策略進(jìn)行對比，分析了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ工況下電池SOC變換趨勢。表2列出了四種工況下兩種控制策略的燃油消耗量和電池最終SOC值。

如圖9（a）所示，使用基于規(guī)則的控制策略，再生能量會優(yōu)先對電池組進(jìn)行充電；如圖9（b）所示，使用基于ECMS控制策略會優(yōu)先保持電池組SOC在一定范圍內(nèi)波動。應(yīng)用不同控制策略，電池組SOC表現(xiàn)不同。表3中所示，使用ECMS控制策略時電池組最終SOC表現(xiàn)優(yōu)于使用基于規(guī)則的控制策略。

本題共有四個基本點(diǎn)，由條件可知C、D是可以先確定的，滿足條件CD=4，由于BD的長度未知，點(diǎn)B不易確定，點(diǎn)A同時滿足兩個條件，即∠CAD=45°，AB=3，即滿足雙軌跡的基本條件，因此可以明確構(gòu)造點(diǎn)A是關(guān)鍵，作AB⊥CD，垂足為B.

HAIMER位于德國Igenhausen市，是一家中型家族企業(yè)，研發(fā)和生產(chǎn)革命性的超高精度工具。其產(chǎn)品主要有高精度動平衡刀柄、刀具專用動平衡機(jī)、刀柄熱縮機(jī)、3D尋邊器及對中儀等。2009年，HAIMER于上海成立中國總部，全面負(fù)責(zé)中國大陸的市場推廣、產(chǎn)品應(yīng)用以及售后服務(wù)。

比較表2中各工況下燃油消耗量可知，使用ECMS控制策略時，HEV的燃油經(jīng)濟(jì)性更好。對比電池組最終SOC值，發(fā)現(xiàn)其全部大于初始值，

表2 不用工況燃油消耗量

圖9 SOC變換情況（a）基于規(guī)則控制策略；(b)ECMS

而基于規(guī)則控制策略下最終SOC與初始值的差值更大。這是因?yàn)镠EV中所有的能量都由化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來，電池組最終SOC值變化會造成額外的燃油消耗。另外，ECMS控制策略中是將燃油消耗做為控制目標(biāo)，通過實(shí)時調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)和兩臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，一方面提高了能量轉(zhuǎn)換效率，另一方面還保持了電池組充放電的平衡。因此，采用ECMS能量控制策略能更好的維持電池充放電效率。

我們可以把復(fù)原力[11]理解成個體的保護(hù)性因素，包括個體自身的特質(zhì)和個體外部的因素，前者包括自我效能感、氣質(zhì)、社會技能等個體內(nèi)部具備的特質(zhì)，后者包括家庭或社區(qū)的支持等外部因素；也可以理解成個體的保護(hù)性因素與外界相互作用的過程。

4 小結(jié)

本文根據(jù)控制參數(shù)對懸架動態(tài)性能和燃油消耗量的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了監(jiān)督控制器，用于實(shí)時調(diào)整子控制器控制參數(shù)，通過定量比較對不同等級道路和速度情況下懸架動態(tài)性能，推導(dǎo)出懸架模式切換規(guī)則?？刂破髟O(shè)計(jì)中，綜合考慮了懸架舒適性與行駛安全性的統(tǒng)一，在不同行駛條件，側(cè)重不同控制目標(biāo)。仿真結(jié)果證明，引入主動饋能懸架，對HEV燃油經(jīng)濟(jì)性的提高具有積極影響。懸架振動能量再生效率由路面不平度和車速共同決定，道路不平度越大，速度越快，再生能量越多。另外，與基于規(guī)則的策略相比，采用基于ECMS控制策略能更好的保持電池SOC性能。饋能懸架技術(shù)的應(yīng)用也為進(jìn)一步提高HEV燃油經(jīng)濟(jì)性提供了一種新方案。