智能混合動(dòng)力汽車跟車能耗優(yōu)化控制研究

韓永林

摘要：近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)汽車的需求不斷增加，汽車節(jié)能工作也越來越受到重視。本文提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的油耗優(yōu)化算法對(duì)智能混合動(dòng)力汽車進(jìn)行多目標(biāo)自適應(yīng)跟車控制。通過客車仿真分析表明，此能耗優(yōu)化算法性能優(yōu)異，在保證車輛跟車性能的同時(shí)能夠降低油耗。

關(guān)鍵詞：智能混合動(dòng)力汽車;模型預(yù)測(cè)控制;能耗優(yōu)化;自適應(yīng)跟車

1跟車巡航系統(tǒng)的工作原理

整個(gè)控制是由傳感器控制單元SCU來提供。SCU的主要功能是控制跟車巡航系統(tǒng)的傳感器和目標(biāo)識(shí)別，其控制參數(shù)計(jì)算和相關(guān)系統(tǒng)啟動(dòng)則是由跟車巡航系統(tǒng)的電子控制單元（ECU）負(fù)責(zé)執(zhí)行。跟車巡航系統(tǒng)傳感器的接收信號(hào)需要進(jìn)一步處理。在目標(biāo)識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信號(hào)所含的信息來計(jì)算出潛在對(duì)象的距離和相對(duì)速度。車距控制需要從跟車巡航系統(tǒng)所探測(cè)的所有目標(biāo)中，精確地鎖定其中一個(gè);鎖定目標(biāo)時(shí)會(huì)用上車輛移動(dòng)方面的信息。根據(jù)駕駛本身的車速和所要求的反應(yīng)時(shí)間，跟車巡航系統(tǒng)可算出所需的最小車距。

2結(jié)構(gòu)共用方法及應(yīng)用概述

采用結(jié)構(gòu)共用方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以提高資源利用率，另一方面可以在不增加成本的前提下提高系統(tǒng)綜合性能。將該方法引用到智能混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域，可以歸納出智能混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)共用方法的定義：在混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，充分利用系統(tǒng)某硬件蘊(yùn)含的物理特性（包括信息流、能量流和機(jī)械本體），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多個(gè)功能或拓展其功能在不同子系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)而提高系統(tǒng)綜合性能的一種優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)共用方法適用于智能混合動(dòng)力汽車等復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化集成。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，采用自上而下“功能定義—功能分解—組合優(yōu)化—結(jié)構(gòu)合并”的技術(shù)途徑，在滿足系統(tǒng)總體功能需求的前提下，通過優(yōu)化組合各功能模塊對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，合并功能重疊的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與簡(jiǎn)化。在系統(tǒng)集成階段，采用由前往后“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解—結(jié)構(gòu)體物理特性定義—新環(huán)境下功能拓展”的技術(shù)途徑，在不增加硬件結(jié)構(gòu)的前提下，通過原有硬件的功能拓展來提升系統(tǒng)集成后的綜合性能?；谠摲椒ǎ卣怪悄芑旌蟿?dòng)力汽車中原來主要用于主動(dòng)安全控制的前向雷達(dá)信息流，復(fù)用于混合動(dòng)力汽車的能量管理和節(jié)能控制，提出了雷達(dá)共用型智能混合動(dòng)力汽車節(jié)能控制系統(tǒng)。將雷達(dá)感知的前車運(yùn)動(dòng)信息同時(shí)應(yīng)用于車輛的主動(dòng)安全和能量管理，通過提前優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)等動(dòng)力部件工作狀態(tài)，在保證行車安全和不增加硬件成本的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

3基于MPC的優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

為優(yōu)化控制跟車過程性能指標(biāo)即車輛行駛距離sveh、速度Vveh、能耗SOC，因此定義系統(tǒng)狀態(tài)包括車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和電池狀態(tài)，為X=[Sveh，Vveh，SOC]T，定義控制矢量為u=[Teng，Tem，Tbrk，ig]T?？紤]路面坡度和前車狀態(tài)，定義外部輸入為d=[θ，sref-sveh，vref]T，其中，sref，vref和aref是前車的行駛距離，速度，加速度。因此，系統(tǒng)狀態(tài)方程可為：

4 IEC系統(tǒng)開啟與退出控制策略

節(jié)能控制要遵循的原則是：符合駕駛員意圖，不干擾駕駛員的操作，保證行車的安全。因此IEC是否開啟取決于駕駛意圖和自車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，前者主要通過IEC開關(guān)位置、加速踏板行程、制動(dòng)踏板行程、轉(zhuǎn)向指示燈開關(guān)位置進(jìn)行識(shí)別，后者包括當(dāng)前檔位、車速、橫擺角速度、系統(tǒng)故障信息等。為了符合駕駛員意圖，當(dāng)IEC開關(guān)關(guān)閉、變速器擋置于非前進(jìn)檔、加速踏板行程大于設(shè)定閾值時(shí)，IEC關(guān)閉;為了不干擾駕駛員操作并保證行車安全，轉(zhuǎn)向燈開啟、正在轉(zhuǎn)彎或換道、或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，IEC關(guān)閉。

5總成控制器硬件設(shè)計(jì)總體方案

總成控制系統(tǒng)是整個(gè)汽車的控制核心，其性能將直接決定整個(gè)汽車能否達(dá)到設(shè)計(jì)者的期望目標(biāo)。同時(shí)混合動(dòng)力汽車試驗(yàn)臺(tái)架環(huán)境十分惡劣，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)功機(jī)的噪聲，電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)，試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械振動(dòng)等所造成的干擾非常嚴(yán)重，總成控制系統(tǒng)在這種環(huán)境下能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)也是一個(gè)關(guān)鍵問題?？偝煽刂破饔布O(shè)計(jì)主要以實(shí)現(xiàn)控制器高性能、高可靠性為目標(biāo)。它采用NXP（原Philip）公司推出的LPC2000系列的32位微控制器LPC2129作為CPU?？偝煽刂破鞯闹饕斎胄盘?hào)包括脈沖量、模擬量和開關(guān)量，其輸出信號(hào)包括PWM（OC門）輸出、數(shù)字（0C門）輸出以及模擬量輸出。因此總成控制器主要包括A/D模塊、D/A模塊、I/O接口模塊、RS232串行口通信模塊以及CAN總線通信模塊，其中I/O接口模塊又可分為脈沖量輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、PWM輸出驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)模塊以及并行I/O輸入輸出模塊。在試驗(yàn)臺(tái)架上總成控制器通過模擬量實(shí)現(xiàn)對(duì)其他各個(gè)ECU的控制，而在整車上總成控制器與其他各個(gè)ECU之間的控制信號(hào)通信則通過CAN總線來實(shí)現(xiàn)。在建立了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案之后，還要對(duì)硬件系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的油耗優(yōu)化算法對(duì)智能混合動(dòng)力客車進(jìn)行多目標(biāo)自適應(yīng)跟車控制，其融合ACC和EMS，通過雙環(huán)枚舉法減少M(fèi)PC運(yùn)算量。通過MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，該算法能在保證跟車性能的同時(shí)有更低的能耗。未來的研究將集中在跟車過程中有關(guān)換擋過程、模式轉(zhuǎn)換和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停車以及算法的臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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