效率最優(yōu)的混合動力客車控制策略研究

譚 偉，任 萍

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

混合動力汽車具有節(jié)能減排的顯著特點，在動力性和續(xù)駛里程方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)車輛和純電動汽車。使用雙行星排式動力耦合系統(tǒng)的混合動力車輛，輸出動力通過兩排行星機構將發(fā)動機輸出功率分流成兩部分傳遞，一部分通過機械路徑傳遞至車輪，另一部分由電路徑轉化為機械能輸出。由于兩排行星機構具有分流匯流功能，可以使發(fā)動機與車輪處轉矩和轉速雙重解耦，使發(fā)動機處于低油耗、高效率的工作區(qū)間，因此，車輛的燃油經(jīng)濟性較好。

由于雙行星排式混合動力汽車在行駛過程中存在多種動力源耦合輸入，在動力傳動系統(tǒng)控制方面，需要綜合考慮發(fā)動機和電機部件效率特性、耦合機構工作特性，因此，控制策略的設計變得非常復雜。針對行星排式混合動力汽車，許多研究學者進行了基于等效燃油消耗、模糊控制、線性二次規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等優(yōu)化算法的研究[1-4]。模糊控制具有非線性、魯棒性和實時性等顯著特點，在混合動力汽車控制中應用較多[5-8]。王偉等[9]針對雙排行星式混合動力系統(tǒng)，以整車燃油經(jīng)濟性為目標，基于模糊智能控制提出發(fā)動機OOL控制策略；Leach S等[10]根據(jù)雙模式電機復合無極傳動系統(tǒng)功率分流特性建立功率損失模型，并進行仿真計算，但沒有使用優(yōu)化算法；王慶年等[11]對功率分流式混合動力系統(tǒng)提出基于瞬時效率最優(yōu)的最佳分離因子算法，提升了其燃油經(jīng)濟性。綜上，針對行星排式混合動力系統(tǒng)控制策略主要以發(fā)動機燃油消耗量為優(yōu)化目標，國內(nèi)外研究學者較少考慮到整個系統(tǒng)效率特性來設計能量管理策略。

本文從系統(tǒng)構型出發(fā)，基于杠桿理論建立動力耦合機構杠桿模型，分析得到不同動力源理論上的理想轉矩分配特性，設計能量管理策略使發(fā)動機工作在機械點上或其附近，減少不同能量轉化之間的損耗，并結合模糊智能控制，以達到在傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)的基礎上提升整車的燃油經(jīng)濟性的目的。

1 系統(tǒng)構型與整車參數(shù)

1.1 混合動力系統(tǒng)構型

圖1表示采用行星輪系的混合動力耦合系統(tǒng)裝置結構：該動力系統(tǒng)耦合裝置由前排PG1和后排PG2兩部分構成。發(fā)動機通過緩沖鎖止機構與前排的行星架C1相連，后排齒圈R2固定在殼體上，齒圈R1與行星架C2相連，該構型實現(xiàn)了2個行星排的動力傳遞，最終動力經(jīng)輸出軸輸出。

圖1 動力耦合系統(tǒng)裝置結構示意圖

1.2 整車參數(shù)

表1為某款基于雙行星排式的城市公交客車的整車主要技術參數(shù)。

表1 整車主要技術參數(shù)

2 機械點分析

2.1 動力耦合機構杠桿模型

杠桿法可以通過簡單、清晰的杠桿模型描述復雜的行星輪系，其基本原理為：將行星機構中各構件看成具有3個支點的垂直杠桿模型。垂直杠桿模型上的3個節(jié)點分別代表了混合動力耦合系統(tǒng)的太陽輪(S)、齒圈(R)及行星架(C)，各節(jié)點的具體位置由行星排中的齒圈和太陽輪的齒數(shù)決定，各構件對應節(jié)點的水平位移及水平作用力表示相應的角速度和轉矩，同時將行星輪系的旋轉運動等效轉化為直線運動，可以直觀地對動力耦合機構工作特性進行分析，動力耦合機構垂直杠桿模型見圖2。圖示中K1與K2分別表示前后行星排的特征參數(shù)；ωR1、ωC1與ωS1分別表示前排各單一構件相應的轉速，后排相應轉速如上述表示；Tin表示前行星排齒圈和后行星排行星架相互作用的內(nèi)力矩；TR2表示作用在后排齒圈上的外力矩；TC2則表示整車作用在動力耦合機構輸出軸外力矩；TC1、TS1與TS2分別表示動力源作用在相應構件上的外力矩。

圖2 動力耦合機構杠桿模型示意圖

2.2 動力系統(tǒng)靜態(tài)模型

為了準確分析動力耦合機構的工作特性和設計符合該模型的能量管理策略，建立動力耦合系統(tǒng)的數(shù)學模型。假設動力耦合系統(tǒng)各構件都為理想的無質量元件，且為剛性連接。

由上述的杠桿模型分析，針對前后行星排有：

TC1+TS1-Tin=0

(1)

TS1(1+K1)+TC1=0

(2)

TS2-TC2+TR2+Tin=0

(3)

TS2K2-TR2=0

(4)

其中，TS1和TS2又滿足如下關系：

TS1=TMG1

(5)

TS2=TMG2

(6)

TC2=Tout

(7)

由上述動力耦合機構構型分析，可以得到前排PG1和PG2中各個構件的轉速有如下關系：

(1+K1)ωC1=ωS1+K1ωR1

(8)

(1+K2)ωC2=ωS2+K2ωR2

(9)

從系統(tǒng)構型知發(fā)動機、MG1及MG2分別和前排行星架、前排太陽輪和后排太陽輪連接，故轉速存在下述關系：

ωMG1=ωS1

(10)

ωMG2=ωS2

(11)

ωE=ωC1

(12)

由于該動力耦合系統(tǒng)后排齒圈固定，有：

ωR2=0

(13)

式中：TE、TMG1及TMG2分別表示發(fā)動機、電機MG1與電機MG2的轉矩；ωE、ωMG1與ωMG2分別表示發(fā)動機、電機MG1和電機MG2的轉速。

1) 當緩沖鎖止機構處于鎖止狀態(tài)時，發(fā)動機不工作，結合上述公式，可以推導出MG1和MG2的轉矩關系為：

(14)

2) 當緩沖鎖止機構處于分離狀態(tài)時，動力耦合系統(tǒng)各動力源的轉矩分配有如下關系：

TC1=TE

(15)

(16)

(17)

以上建立了動力傳動系統(tǒng)動力耦合機構的靜態(tài)模型，得到不同動力源理論上的理想輸出轉矩。將其運用于整車能量管理策略的設計，為動力系統(tǒng)控制優(yōu)化提供參考。

2.3 構型特性分析

對于本文中研究的雙行星排式混合動力耦合系統(tǒng)，因為后行星排的齒圈被鎖止，車輛在運行的狀態(tài)中驅動電機MG2的轉速不可以為0，因此，系統(tǒng)只存在1個機械點i，其具體值表示為：

(18)

該混合動力耦合系統(tǒng)輸入與輸出的轉速比值為：

(19)

(20)

(21)

3 控制策略設計

3.1 動力系統(tǒng)工作模式

通過對上述混合動力耦合系統(tǒng)構型分析可知，混合動力耦合系統(tǒng)能實現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)狀態(tài)的相互切換，通過合理控制多個動力源的工作狀態(tài)，讓動力傳動系統(tǒng)在以下4種工作模式之間切換，如表2所示。

表2 動力系統(tǒng)工作模式

通過以上對動力耦合機構的不同動力源工作狀態(tài)的控制，該動力耦合系統(tǒng)可實現(xiàn)以下工作模式：

1) 純電動模式：當車速和整車需求功率均較低，同時電池SOC滿足純電動驅動條件時，混合動力系統(tǒng)處在純電動模式狀態(tài)。

2) 混合驅動模式：當動力電池SOC不足且整車需求功率較高時，發(fā)動機啟動并處于工作狀態(tài)，此時使發(fā)動機工作在最優(yōu)工作曲線上，其余功率由電機補充提供。

3) 制動能量回收模式：當車輛減速行駛時，通過電機產(chǎn)生力矩對車輛進行制動，同時進行制動能量回收。

4) 停車充電模式：當動力電池SOC較低，在車輛停車期間，讓電機工作在發(fā)電模式，此時通過電機給動力電池充電。

3.2 基于效率最優(yōu)的機械點控制策略

由上述的動力耦合系統(tǒng)可知，基于雙行星排式的混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性不僅取決于單一部件的效率，還需要考慮整車的系統(tǒng)損耗[12-13]。為了提升車輛的整車燃油經(jīng)濟性，需要考慮動力耦合機構雙行星排工作特性，若電路徑功率值為零時，混合動力系統(tǒng)輸出功率全部為發(fā)動機經(jīng)過機械路徑提供，系統(tǒng)的傳動效率達到最高點，對應的傳動比即系統(tǒng)的機械點。

為了更好地降低油耗，將動力耦合機構各部件特性綜合考慮，通過調節(jié)系統(tǒng)傳動比，減少系統(tǒng)的功率循環(huán)，從而保證傳動系統(tǒng)的效率較高，達到提升整車燃油性的目的[14]。根據(jù)上述建立的動力耦合機構靜態(tài)模型，在混合驅動模式中，機械點控制策略通過調節(jié)系統(tǒng)傳動比R使電機對發(fā)動機轉速進行協(xié)調控制，設定閾值K，讓發(fā)動機能夠在機械點或者附近運行，從而確保系統(tǒng)傳動效率較高[15-16]。

3.3 模糊控制策略

為了實現(xiàn)動力耦合系統(tǒng)不同動力源最佳功率分配、降低油耗且兼顧動力電池SOC，同時解決上述機械點控制策略下發(fā)動機低效率問題，設計了模糊控制器[17-20]。當發(fā)動機參與工作時，給定輸入變量SOC與油門踏板開度，將2個輸入變量進行模糊化處理，然后根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則優(yōu)化決策，最終將優(yōu)化的發(fā)動機需求功率輸出。本文中設計的模糊控制工作原理如圖3所示。

圖3 模糊控制工作原理示意圖

模糊智能控制策略屬于智能控制算法范疇，核心為模糊控制器，且由規(guī)則庫、推理機制、模糊化接口和去模糊化接口四部分構成。這里的模糊控制策略在Matlab/Simulink中完成設計，其中隸屬度函數(shù)的設計為模糊控制器的基礎，隸屬度函數(shù)的形狀直接影響系統(tǒng)靈敏度和系統(tǒng)控制特性。動力電池SOC的模糊集合為{XS，S，M，B，XL}，分別代表極低、低、中、高、極高；油門踏板開度的模糊集合為{VS，S，M，B，VB}，分別代表極小、小、中、大、極大；發(fā)動機需求功率的模糊集合為{SS，S，M，B，BB}，分別代表極小、小、中、大、極大。本文中設計的模糊控制器輸入及輸出的論域與隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 模糊控制器輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則依據(jù)規(guī)律如下：

1) 當動力電池SOC較高時，如果整車需求扭矩大于發(fā)動機最大扭矩，則使發(fā)動機工作在最優(yōu)曲線周圍，余下轉矩則由電機補充；當車輛需求轉矩較小時，則控制發(fā)動機運行在經(jīng)濟工作區(qū)間，剩余轉矩由電機補充。

2) 當動力電池SOC較低時，如果整車需求扭矩小，在滿足整車動力性的基礎上，使發(fā)動機運行在經(jīng)濟區(qū)間，同時多余的能量為電池充電；如果需求轉矩大，則發(fā)動機提供最大扭矩，余下扭矩則為電池充電。

3) 當動力電池SOC處于上述兩個中間狀態(tài)時且車輛需求轉矩不高，此時使用上述設計的機械點控制策略。

制定的模糊規(guī)則采用“IF-THEN”推理規(guī)則，具體見圖5。

圖5 模糊控制規(guī)則曲面

4 仿真與結果分析

為了驗證所提出的機械點控制策略和模糊控制策略結合具有合理性和優(yōu)越性，在AVL/Cruise搭建整車仿真模型，Matlab/Simulink搭建整車控制策略，使用DLL接口進行聯(lián)合仿真。搭建的整車模型和控制策略原理見圖6、7。

圖6 整車模型示意圖

圖7 控制策略原理框圖

選用中國典型城市公交循環(huán)工況進行車速跟蹤及仿真測試，該循環(huán)工況具體信息見表3。

表3 CBCC循環(huán)工況

圖8為搭建的模型在中國典型城市公交循環(huán)工況下車速跟隨仿真驗證測試結果。從圖8中可以看出，循環(huán)工況目標車速與實際車速2條曲線基本吻合，結果表明建立的模型能較好地跟隨循環(huán)工況車速的變化。

圖8 車速跟隨曲線

圖9顯示了動力電池SOC變化情況。分析可知，SOC在整個循環(huán)工況發(fā)生較小范圍波動，且其值保持在50%以上，實現(xiàn)了動力電池SOC動態(tài)均衡，表明車輛在整個行駛過程中，動力電池不僅向車輛提供動能，還在整車需求功率較低時將多余的能量儲存起來，達到電池的設計要求。

圖9 SOC變化曲線

圖10、11表示聯(lián)合仿真結果所得到的動力耦合系統(tǒng)2個電機的扭矩圖，圖12為發(fā)動機輸出功率曲線?？梢钥闯?，混合動力系統(tǒng)在純電動模式下運行時間占比較多，這時驅動電機MG2驅動車輛運行；當系統(tǒng)為停車充電模式時，發(fā)動機帶動電機MG1給動力電池充電，讓動力電池SOC穩(wěn)定維持在給定范圍內(nèi)；當系統(tǒng)工作在混合驅動模式時，發(fā)動機和2個電機均處于工作狀態(tài)，此時MG1與MG2提供動力輔助發(fā)動機驅動車輛。

圖10 電機MG1扭矩曲線

圖11 電機MG2扭矩曲線

圖12 發(fā)動機的功率曲線

圖13為發(fā)動機工作點的分布情況，發(fā)動機工作在圖中標注的兩點。可以看出，發(fā)動機工作點在低油耗區(qū)域，符合設計的控制策略思想，達到了提高燃油經(jīng)濟性的目的。

圖13 發(fā)動機工作點分布情況示意圖

基于提出的控制策略，在中國典型城市公交循環(huán)工況測試下，動力性方面，最高車速可以達到90 km/h，大于法規(guī)規(guī)定的公交車最高車速69 km/h。在燃油經(jīng)濟性方面，百公里油耗為20.29 L，與該動力耦合系統(tǒng)應用于城市公交車的試驗結果相比，燃油經(jīng)濟性提升了23.4%。

考慮到所提出的功率分配策略在不同循環(huán)工況下的通用性與適用性，仿真選用FTP75、NEDC市區(qū)工況及UDDS工況組合進行研究。工況信息和仿真車速跟隨結果如圖14所示。

圖14 混合工況車速跟隨曲線

在混合工況仿真測試下，圖15、16為驅動電機和發(fā)動機的仿真結果。表4給出了不同工況下的燃油經(jīng)濟性，分析可知，動力耦合系統(tǒng)的功率分配合理，驗證了控制策略的優(yōu)化控制效果。

圖15 電機MG2扭矩曲線

圖16 發(fā)動機的功率曲線

表4 不同工況的燃油經(jīng)濟性

5 結論

基于某雙行星排式混合動力客車，針對動力耦合系統(tǒng)不同部件工作特性，基于杠桿法建立動力耦合機構靜態(tài)模型，為減少功率循環(huán)，保證動力傳動系統(tǒng)較高效率，提出了機械點控制策略，同時結合模糊智能控制對整車能量管理策略進行優(yōu)化控制。在Matlab/Simulink中設計整車能量管理策略，模式切換在Stateflow中搭建，整車模型在CRUISE中搭建，在中國典型城市公交循環(huán)工況下進行仿真驗證。結果表明：所搭建的整車仿真模型能夠較好地跟蹤循環(huán)工況車速變化，達到整車的設計需求，能夠使動力電池SOC在理想范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)了發(fā)動機與2個電機的協(xié)調工作，發(fā)動機工作點落在經(jīng)濟區(qū)間，且降低了整車油耗，驗證了所提出的控制策略對混合動力系統(tǒng)能夠實現(xiàn)較好的控制。以上分析結果對雙行星排式混合動力客車的動力系統(tǒng)控制策略研究有參考意義。