混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及能量控制策略

鄒旭東，馬玉坤，張西龍

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520)

隨著我國環(huán)保力度的加大，混合動(dòng)力公交車的應(yīng)用逐漸增多。合理匹配車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)，制定合適的能量控制策略，使動(dòng)力部件協(xié)調(diào)工作，不僅能保證車輛一定的動(dòng)力性，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對車輛性能的影響很大，對傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化能夠改善車輛的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能。

目前對混合動(dòng)力公交車能量管理策略與傳動(dòng)系統(tǒng)的研究大多選定一款傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對能量控制策略進(jìn)行優(yōu)化，并沒有對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，或者只針對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。例如：耿文冉等[1]利用粒子群算法優(yōu)化等效燃油消耗最小策略(ECMS)中的等效因子；王偉等[2]結(jié)合模糊控制理論研究發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線控制策略；賀慶運(yùn)等[3]提出基于車速、電池荷電狀態(tài)(SOC)規(guī)劃的能量控制策略。上述研究均在能量控制策略方面進(jìn)行探索，以改善車輛的經(jīng)濟(jì)性能。楊磊等[4]采用單行星排加同步器的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模式切換研究；聶曉威等[5]利用區(qū)間優(yōu)化法對傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化；盛繼新等[6]采用遺傳算法對電機(jī)的參數(shù)與傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化。上述研究均在傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面對車輛進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合能量控制策略對傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的研究較少。

為了改善混合動(dòng)力公交車的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，本文中采用能量控制策略與傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究；傳動(dòng)系統(tǒng)中的耦合機(jī)構(gòu)采用單行星排結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速裝置與耦合機(jī)構(gòu)齒圈進(jìn)行嚙合；制定發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線控制策略，結(jié)合能量控制策略，對傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并對優(yōu)化目標(biāo)選取不同權(quán)重。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)匹配

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與耦合機(jī)構(gòu)的行星架相接，通過離合器控制發(fā)動(dòng)機(jī)的接入與斷開；一體式起動(dòng)發(fā)電機(jī)(integrated starter generator，ISG)與耦合機(jī)構(gòu)的太陽輪相接[7]；驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速裝置與耦合機(jī)構(gòu)的齒圈相接，動(dòng)力經(jīng)齒圈向后傳到主減速器。該傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是部件少并且結(jié)構(gòu)簡單，沒有變速箱等部件，能避免換擋沖擊并且體積、質(zhì)量小。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒圈之間有減速裝置，因此對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求低，可以降低電機(jī)的成本。

ISG—一體式起動(dòng)發(fā)電機(jī)。圖1 混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

行星排的力學(xué)分析關(guān)系式為

Ts∶Tr∶Tc=1∶k∶(-1-k)，

(1)

ns+knr-(1+k)nc=0，

(2)

式中：Ts、Tr、Tc為太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)矩；ns、nr、nc為太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)速；k為齒圈半徑與太陽輪半徑之比。

對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，如圖2所示。

Ts、Tr、Tc、Te—太陽輪、齒圈、行星架、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；Tf—車輛行駛阻力矩；Ie—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Img1—一體式起動(dòng)發(fā)電機(jī)(ISG)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tmg1—ISG轉(zhuǎn)矩；Img2—驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F—行星輪內(nèi)力；R—齒圈半徑；S—太陽輪半徑。圖2 混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程[8]如下。

行星架處的動(dòng)力學(xué)方程為

Ieωe=Te-FR-FS，

(3)

式中：Ie、ωe、Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度、轉(zhuǎn)矩；F為行星輪內(nèi)力；R為齒圈半徑；S為太陽輪半徑。

太陽輪處的動(dòng)力學(xué)方程為

Img1ωmg1=FS-Tmg1，

(4)

式中Img1、ωmg1、Tmg1分別為ISG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度、轉(zhuǎn)矩。

齒圈處的轉(zhuǎn)矩可分為2個(gè)部分，即行星排上轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速齒輪傳來的轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力學(xué)方程為

Img2ωmg2=FR-Tr+imTmg2，

(5)

式中：Img2、ωmg2、Tmg2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度、轉(zhuǎn)矩；im為驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速比。

對于齒圈輸出部分，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合后傳到主減速器再傳至車輪，此部分的動(dòng)力學(xué)方程為

(6)

式中：m為整車質(zhì)量；a為車輛加速度；r為車輪半徑；n為車輪個(gè)數(shù)；It為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i0為主減速比；Tf為車輛行駛阻力矩。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

傳動(dòng)系統(tǒng)各部件參數(shù)的匹配應(yīng)考慮多方面因素，包括系統(tǒng)構(gòu)型、循環(huán)工況、控制策略等[9]，整車設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)如表1所示。

表1 整車設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)

傳動(dòng)系統(tǒng)各部件匹配如下。

1)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足車輛的中高速勻速行駛需求，此外考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的車輛加速能力以及附件設(shè)備的功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)功率還應(yīng)增加10%～20%。

(7)

式中：Peng為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；v為車速；η為傳動(dòng)效率；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配。驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)滿足車輛在起步與低速行駛時(shí)的功率需求以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最高車速要求，此外還應(yīng)考慮車輛的爬坡性能。

(8)

式中：Pmg2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率；α為爬坡度。

3)ISG匹配。ISG需要調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工況并在電池電量較低時(shí)進(jìn)行發(fā)電，以維持電池的電量，避免電量過低影響車輛的正常運(yùn)行。

(9)

(10)

4)電池匹配。電池的選型應(yīng)從功率與電池容量2個(gè)方面進(jìn)行考慮，電池容量由發(fā)動(dòng)機(jī)提供并維持在一個(gè)恒定區(qū)間內(nèi)。

(11)

式中：Q電池容量；ηd為電池放電效率；ηm為電機(jī)效率；ΔSOC為SOC上下限之差；s為行駛里程；U為電池電壓。

混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)如表2所示。結(jié)合市場信息，選用6J200型發(fā)動(dòng)機(jī)，均為永磁電機(jī)。

表2 混合動(dòng)力公交車傳動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)

2 整車建模與優(yōu)化

2.1 能量控制策略

建立能量控制策略，將策略分為5種工作模式。策略的核心是根據(jù)功率、SOC、車速將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)間。策略的5種工作模式如下。

1)當(dāng)車輛處于起步、低速狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入純電驅(qū)動(dòng)模式。動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，通過減速齒輪經(jīng)過齒圈傳給車輪，ISG空轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作。當(dāng)SOC大于下限時(shí)，車輛需求功率較小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作即可滿足車輛的正常行駛。

2)隨著車速的增大，需求功率逐漸增大，當(dāng)需求功率大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)所能提供的最大功率并且發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)間，或者SOC小于下限時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。ISG的作用是對發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行調(diào)整并發(fā)電。

3)當(dāng)需求功率較大，SOC大于下限，或者車輛進(jìn)行急加速、爬陡坡時(shí)，進(jìn)入混動(dòng)模式。這時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行保持在高效率區(qū)間，剩余的動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在齒圈處耦合，共同向后輸出至車輪。

4)當(dāng)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)即車速為0時(shí)，檢測到電池所剩電量較低，即SOC小于下限，此時(shí)進(jìn)入停車充電模式，在此模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，帶動(dòng)ISG轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，齒圈輸出端轉(zhuǎn)速為0。

5)當(dāng)制動(dòng)壓力大于0，車速大于10 km/h，且SOC小于0.95時(shí)，進(jìn)入再生制動(dòng)模式[10]。這時(shí)對制動(dòng)力矩進(jìn)行判斷，如果需求制動(dòng)力矩小于電機(jī)產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩，則進(jìn)行制動(dòng)能量回收；否則使電機(jī)輸出最大制動(dòng)力矩，其余力矩由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充。當(dāng)車速小于10 km/h時(shí)，由于車輛的速度較小，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速較小，進(jìn)而導(dǎo)致能量的回收程度較低，此時(shí)采用機(jī)械制動(dòng)。如果SOC大于0.95，則電量很足，采用機(jī)械制動(dòng)。

根據(jù)上述5種工作模式的分析，在MATLAB/Simulink軟件中建立能量控制策略。

2.2 整車模型

AVL/Cruise軟件適用于車輛的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性仿真，根據(jù)所設(shè)計(jì)匹配的車輛結(jié)構(gòu)[11]，選擇相應(yīng)的模塊建立混合動(dòng)力公交車整車模型如圖3所示。

1—整車模塊；2—發(fā)動(dòng)機(jī)模塊；3—離合器模塊；4—減速裝置模塊；5—主減速器模塊；6—車輛右后輪模塊；7—車輛右前輪模塊；8—車輛左后輪模塊；9—車輛左前輪模塊；10—13—制動(dòng)器模塊；14—一體式起動(dòng)發(fā)電機(jī)模塊；15—驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊；16—差速器模塊；17—行星排模塊；18—駕駛員模塊；19—電池模塊；20—能量控制策略模塊；21—顯示器模塊。圖3 基于AVL/Cruise軟件的混合動(dòng)力公交車整車模型

2.3 多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化

2.3.1 優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)混合動(dòng)力公交車的工作特點(diǎn)，既要保持經(jīng)濟(jì)性，又要有足夠的動(dòng)力性，二者是相矛盾的，因此優(yōu)化時(shí)需要設(shè)置權(quán)重。對于城市公交車，動(dòng)力性需求比經(jīng)濟(jì)性需求小，因此按照需求的大小分配權(quán)重。通過對山東省青島市黃島區(qū)公交車的行駛工況與路況的調(diào)研，并結(jié)合公交公司提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，取經(jīng)濟(jì)性權(quán)重為0.7，動(dòng)力性權(quán)重為0.3。從行駛工況可以看出，大部分車速小于40 km/h，取動(dòng)力性的優(yōu)化目標(biāo)為車速從0到30 km/h的加速時(shí)間，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)為燃油消耗量，優(yōu)化函數(shù)為

F(x)=min{F1(x),F2(x)}，

(12)

式中：F為目標(biāo)函數(shù)；F1為燃油消耗量；F2為車速從0到30 km/h的加速時(shí)間；x為優(yōu)化變量，x={k,im,i0}。

通過加權(quán)法并進(jìn)行歸一化，可以將優(yōu)化函數(shù)表示為

(13)

(14)

2.3.2 優(yōu)化變量

傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)是僅次于傳動(dòng)系統(tǒng)各部件及能量控制策略的影響車輛性能的關(guān)鍵，因此對傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化變量選取為行星排特征參數(shù)、電機(jī)減速比和主減速比3個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化變量的取值范圍如表3所示。

表3 優(yōu)化變量的取值范圍

2.3.3 約束條件

約束條件是對優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行的一些限制，使整個(gè)優(yōu)化過程更合理，約束條件的選取需要考慮多方面因素。選取約束條件為最大車速與最大爬坡度，即

(15)

(16)

2.3.4 多島遺傳算法

多島遺傳算法可以在全局大范圍內(nèi)尋優(yōu)，能夠很好地避免優(yōu)化時(shí)陷入局部中搜尋最優(yōu)解。多島遺傳算法在遺傳算法的基礎(chǔ)上設(shè)置島嶼，種群個(gè)體可以在每個(gè)島嶼上遷徙，有利于跳出在局部中尋到的最優(yōu)解，相對于遺傳算法，可以較好地解決早熟問題。設(shè)置算法的初始種群個(gè)數(shù)為8，島嶼個(gè)數(shù)為8，進(jìn)化代數(shù)為8，交叉概率為1，變異概率為0.01，島間遷移率為0.5，算法流程如圖4所示。利用Isight軟件，對整車模型進(jìn)行優(yōu)化[12]。

m—島嶼個(gè)數(shù)。圖4 多島遺傳算法流程

3 結(jié)果與分析

3.1 優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化變量的優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化變量的優(yōu)化迭代過程如圖5所示。從圖中可以看出，在整個(gè)迭代過程前期，迭代起伏很大，波動(dòng)劇烈，后期逐漸平穩(wěn)，并圍繞在某個(gè)數(shù)值上下波動(dòng)，因此迭代效果理想。多目標(biāo)優(yōu)化前、后參數(shù)結(jié)果如表4所示。從表中可以看出：相比優(yōu)化前的參數(shù)，行星排特征參數(shù)增大了6.5%，主減速比減小了2.3%，電機(jī)減速比減小了8.4%，燃油消耗量減小了11.6%，車速從0到30 km/h的加速時(shí)間減少了5.7%。

表4 多目標(biāo)優(yōu)化前、后參數(shù)結(jié)果

3.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

選取發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布、中國城市公交工況車速跟隨狀況、SOC變化、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，分析經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果，如圖6所示。由圖6(a)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)基本分布在最優(yōu)曲線上，偏離點(diǎn)較少，因此所設(shè)計(jì)的能量控制策略符合要求。由圖6(b)可知，實(shí)際車速與目標(biāo)車速軌跡幾乎一致，車速跟隨狀態(tài)良好。由圖6(c)可知，所設(shè)定的初始SOC為35%，運(yùn)行結(jié)束后為32%，在SOC小于30%時(shí)，ISG開始運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，SOC明顯增大，由此可以看出，SOC維持效果良好。由圖6(d)可知，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)時(shí)，電機(jī)回收能量使得電池電量增加，SOC增大；電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正時(shí)，電池為電機(jī)供電，SOC減小，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 動(dòng)力性仿真結(jié)果

選取加速曲線與爬坡度曲線，分析動(dòng)力性仿真結(jié)果，如圖7所示。由圖可知：最大爬坡度為20.73%，符合設(shè)計(jì)要求；車速從0到30 km/h的加速時(shí)間為6.72 s，符合優(yōu)化結(jié)果。

通過優(yōu)化與仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的能量控制策略中車速跟隨狀況良好，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)符合要求，SOC維持狀態(tài)良好，動(dòng)力性結(jié)果符合要求。相比優(yōu)化前的結(jié)果，優(yōu)化后車輛經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性均顯著改善。

4 結(jié)論

結(jié)合能量控制策略對傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，使得混合動(dòng)力公交車的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性均顯著改善。根據(jù)SOC、功率、車速制定的能量控制策略很好地符合實(shí)際運(yùn)行工況，有良好的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。選用的多島遺傳算法具有很好的全局尋優(yōu)效果，使優(yōu)化結(jié)果更精確。結(jié)合實(shí)際工況選擇的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性權(quán)重使得傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化更合理。