油電混合動(dòng)力汽車不同工況最小油耗控制仿真

魏 玲，耿大勇

(遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

1 引言

油電混合動(dòng)力汽車以電動(dòng)馬達(dá)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，該汽車由于有電動(dòng)馬達(dá)輔助動(dòng)力，因此在車輛起步加速過程中，能夠降低油耗。油電混合動(dòng)力汽車通過油耗控制，在多個(gè)動(dòng)力源之間，合理分配需求功率，同時(shí)對(duì)各動(dòng)力部件之間進(jìn)行協(xié)調(diào)管理[1]。油耗是指在不同路面上，汽車等速行駛時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。目前根據(jù)各個(gè)國(guó)家制定的標(biāo)準(zhǔn)，存在不同類型的工況，例如美國(guó)的NEDC、UDDS、HFEDS以及US06，還有如我國(guó)的SC03，都是不同的工況類型。

因此控制方法以上述分析為依據(jù)，在滿足車輛動(dòng)力性能的前提下，以汽車的最小油耗為管理目標(biāo)，提出針對(duì)單一工況的控制方法[2-3]。當(dāng)該控制應(yīng)用到不同的汽車行駛工況中時(shí)，具有適應(yīng)性較差、整車油耗偏高的問題。而目前的汽車行駛工況存在多樣性，因此經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法與預(yù)期效果之間還存在一些差異，仍不能達(dá)到更好的油耗控制效果。

針對(duì)上述傳統(tǒng)控制仿真中存在的問題，對(duì)油電混合動(dòng)力汽車不同工況最小油耗，提出全新的控制仿真研究，將處理數(shù)據(jù)與汽車行駛工況合成，以最優(yōu)控制設(shè)置SOC門限值，構(gòu)建最小油耗仿真控制模型，為我國(guó)的油電混合動(dòng)力汽車在不同工況下的最小油耗控制，提供更先進(jìn)的技術(shù)，為促進(jìn)我國(guó)汽車行業(yè)、節(jié)約理念和環(huán)保戰(zhàn)略發(fā)展，提供科學(xué)的技術(shù)支持。

2 油電混合動(dòng)力汽車不同工況最小油耗控制

2.1 處理數(shù)據(jù)合成汽車行駛工況

設(shè)置數(shù)據(jù)采樣間隔、確定數(shù)據(jù)采集量，在油電混合動(dòng)力汽車的不同工況中，采集基本信息。由于駕駛員操作不當(dāng)，油電混合動(dòng)力汽車容易產(chǎn)生脈沖噪聲和高頻噪聲，影響仿真控制效果，因此利用濾波函數(shù)進(jìn)行降噪，從而消除脈沖噪聲和高頻噪聲。該函數(shù)利用脈沖噪聲濾波器，去除工況曲線奇點(diǎn)，然后使用高頻噪聲濾波器，處理平滑后的曲線。其中脈沖噪聲濾波器的計(jì)算公式為

(1)

式中：u(t)表示t時(shí)刻時(shí)，油電混合動(dòng)力汽車的車速[4]。而高頻噪聲濾波器的平滑曲線計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

式中：ti表示單個(gè)簇i在汽車不同工況中的持續(xù)時(shí)間；t1表示代表工況的持續(xù)時(shí)間；t2表示所有工況區(qū)塊數(shù)據(jù)的總持續(xù)時(shí)間；ni工況區(qū)塊總數(shù)量；ti，j表示簇i中工況區(qū)塊j的時(shí)間[6]。在數(shù)據(jù)處理后，完成對(duì)汽車行駛工況的合成。

2.2 設(shè)置SOC門限值

控制不同工況的最小油耗，可以將汽車看作一個(gè)非線性系統(tǒng)，將油耗控制默認(rèn)為一個(gè)受約束的最優(yōu)控制問題。因此以最小油耗為目標(biāo)，可以用下列公式描述全局最優(yōu)控制

(5)

式中：Q表示油耗總量；we(c(t))表示汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)燃油消耗量，其中c(t)為汽車控制變量；te表示發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)工作時(shí)長(zhǎng)。因?yàn)橛碗娀旌蟿?dòng)力汽車的控制變量為電池功率、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力分配比例以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此本次研究將電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為控制變量，則

c(t)=Zm(t)

(6)

式中：Zm(t)表示t時(shí)刻下電機(jī)m的轉(zhuǎn)矩。將電池荷電狀態(tài)作為汽車狀態(tài)變量，則x(t)=SOC(t)[7]。則根據(jù)電池等效內(nèi)阻模型，得到

G=U1·I=U2(SOC)·I-·I2R0(SOC)

(7)

式中：G表示電池功率；U1、U2表示電池端電壓和開路電壓；I表示電流；R0表示等效內(nèi)阻。忽略蓄電池和其它附件的影響，默認(rèn)電池能量流動(dòng)只取決于電機(jī)，則電池與動(dòng)力部件之間，存在如下能量關(guān)系

(8)

(9)

當(dāng)計(jì)算結(jié)果I>0時(shí)，此時(shí)的電池向外放電，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)計(jì)算結(jié)果I<0時(shí)，外部向電池充電，此時(shí)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)提供電能。假設(shè)電池額定容量為W，根據(jù)上述公式，得到SOC門限值

(10)

根據(jù)上述計(jì)算公式，確定SOC門限值。根據(jù)電池的特性，此次研究將該值默認(rèn)為0.4[9]。

2.3 設(shè)計(jì)最小油耗仿真控制模型

已知油電混合動(dòng)力汽車能耗，由APU油耗和電池電耗組成，因此在了解APU和動(dòng)力電池的輸出功率序列后，可以控制汽車在不同工況中的油耗。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和APU輸出功率可控，因此二者之間存在如下關(guān)系

FAPU(t)=Fe(t)·λm

(11)

式中：APU輸出功率為FAPU(t)；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為Fe(t)；λm表示發(fā)電機(jī)m的效率[10]。因?yàn)閯?dòng)力電池不可控，因此將計(jì)算結(jié)果作為變量，得到APU油耗

(12)

其最小油耗仿真控制模型的目標(biāo)函數(shù)為

(13)

而該模型的狀態(tài)方程為

(14)

已知APU輸出功率與動(dòng)力電池輸出功率之間，需要滿足汽車需求功率[11]。則狀態(tài)方程可改寫為

SOC(t+1)=SOC(t)+f(FAPU(t))

(15)

假設(shè)該模型的初始條件和終端約束條件，如下列公式所示

(16)

則最終得到該模型的控制域

FAPU，min≤FAPU(t)≤FAPU，max

(17)

根據(jù)上述計(jì)算過程求得最優(yōu)狀態(tài)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)油電混合動(dòng)力汽車不同工況的最小油耗控制[12]。基于上述計(jì)算過程，實(shí)現(xiàn)此次研究的仿真控制模型。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

參考EPA發(fā)布的工況和ECE規(guī)定的工況，設(shè)置五種不同的行駛工況基本參數(shù)，如下表1和表2所示。

表1 不同工況的特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(一)

表2 不同工況的特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(二)單位：km/h

五種工況各有不同，其中前兩種汽車行駛工況較為接近，分別為典型城市工況和典型高速工況；第三種和第四種工況為激烈駕駛工況和高溫運(yùn)行工況，最后為普通工況。選擇兩臺(tái)型號(hào)基本參數(shù)完全一致的油電混合動(dòng)力汽車，為此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本對(duì)象，在不同的工況中進(jìn)行最小油耗仿真控制測(cè)試。

3.2 NEDC工況下的最小油耗測(cè)試

保證基本測(cè)試條件一致，面對(duì)NEDC工況進(jìn)行第一輪測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真控制效果

根據(jù)圖1中的測(cè)試結(jié)果可知，在前段時(shí)間內(nèi)，本文方法發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為0，說明汽車處于無工作狀態(tài)。但初始階段的汽車行車速度較低，蓄電池的SOC較高，此時(shí)的汽車依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量。當(dāng)運(yùn)行一定時(shí)間時(shí)，車速逐漸提高，對(duì)于轉(zhuǎn)矩的需求量增加，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)工作無法滿足運(yùn)行要求，因此發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作。

3.3 US06工況下的最小油耗測(cè)試

將US06工況作為測(cè)試條件，分別利用三個(gè)測(cè)試組，仿真控制汽車的最小油耗，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真控制效果

根據(jù)圖2中的測(cè)試結(jié)果可知，本文方法的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制效果，與NEDC工況下的控制效果較為近似，都是在行駛路況初期階段，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制為0。而文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法在同一路況中，其發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在數(shù)值，與實(shí)際情況不符合?？梢娒鎸?duì)不同的路況時(shí)，三個(gè)測(cè)試組的仿真控制效果存在極大差異。

3.4 不同方法回收能量比較

再將UDDS、HFEDS以及SC03工況作為基本測(cè)試條件，同樣進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真控制效果對(duì)比測(cè)試，然后根據(jù)得到的測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同方法應(yīng)用下，油電混合動(dòng)力汽車在不同工況中的油耗，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可知，在五種不同的汽車行駛工況下，此次提出的最小油耗控制仿真方法，比兩種傳統(tǒng)方法的油耗控制效果更好，說明所提出方法對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，有更精準(zhǔn)的仿真控制效果。綜合5次汽車行駛工況下的仿真測(cè)試結(jié)果，得到回收能量對(duì)比結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同方法的能量回收效果

根據(jù)圖5所示曲線可知，本文方法在仿真控制下，可以回收的能量比對(duì)照組多出近30%，可見此次研究的仿真方法，更加適合控制油電混合動(dòng)力汽車在不同工況中的油耗。

4 結(jié)束語

此次研究在傳統(tǒng)控制仿真的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了對(duì)于SOC值的確定，優(yōu)化仿真控制模型。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此次提出的控制仿真，油耗控制效果更好。但受個(gè)人能力以及工作經(jīng)驗(yàn)的影響，此次研究沒有對(duì)另外三種工況下的測(cè)試結(jié)果，展開詳細(xì)說明，因此在下一階段的研究工作中，可以將另外三種工況作為基本測(cè)試條件，進(jìn)一步論證此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。