基于邏輯閾值的輕度混合動(dòng)力商用車能量管理策略研究★

覃記榮，郭 葵，梁立東，李燕青

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545005）

引言

汽車保有量的增加給人們帶來了一定程度的便利，但同時(shí)也帶來了一些消極的影響。以燃料為動(dòng)力源的車輛越來越多，加速了石油資源的消耗，而且汽車排放的尾氣中也含有對(duì)健康有害的廢氣。找到適當(dāng)?shù)姆椒▉砭徑饽茉炊倘焙臀廴驹斐傻膲毫?，已?jīng)變得越來越緊迫和必要[1]。作為新一代的清潔能源汽車，混合動(dòng)力汽車（HEV）的特點(diǎn)是污染物排放和燃料消耗低。面對(duì)國家能源危機(jī)，以及我國環(huán)境污染日益嚴(yán)重的壓力，中國政府大力提倡發(fā)展新能源汽車，新能源汽車具有均較低的CO2排放量，且隨著三電技術(shù)、BMS 控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，新能源汽車在行駛穩(wěn)定性、可靠性方面得到了很大的提升，特別是混合動(dòng)力汽車（HEV），在新能源發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。HEV 動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)電力驅(qū)動(dòng)功率占總輸出功率的比例[2]，可以分為微混、輕混、重混和全混。

1 輕度混合動(dòng)力商用車構(gòu)型

輕度混合動(dòng)力商用車的動(dòng)力單元主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)ICE、驅(qū)動(dòng)電機(jī)EM 和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等。輕度混合動(dòng)力商用車構(gòu)型拓?fù)鋱D如圖1 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端與離合器機(jī)械連接，并與變速器的輸入軸相連，隨后變速器的輸出端與來自驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力相耦合。這種混合動(dòng)力汽車的構(gòu)型稱為P3 構(gòu)型，其可以工作在純電驅(qū)動(dòng)模式、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式與發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下[3]。相較于驅(qū)動(dòng)電機(jī)在變速箱前的P0、P1 和P2 布局，這種構(gòu)型最主要的優(yōu)勢(shì)在于純電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)能回收的效率比較高，同時(shí)結(jié)構(gòu)較為簡單，易于推廣普及。

設(shè)車輛牽引力為Ftractive，車輛行駛產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力為Frolling_resist，空氣阻力為Fareo，加速阻力為Facceleration，坡度阻力為Fi為0。車輛所需的牽引力可以表示為：

車輛所需的牽引力功率可以表示為：

式中：Mveh為車輛的質(zhì)量；g 為重力加速度；C0為輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)；rho為空氣密度；Afrontal為車輛的前迎風(fēng)面積；CD為空氣阻力系數(shù)；Vveh為車輛的行駛速度；aveh為車輛的加速度。

設(shè)來自發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源的差速器輸入端轉(zhuǎn)速為ωlow，變速器輸入端轉(zhuǎn)速為ωhigh，變速器的傳動(dòng)比為Gtrans，則三者的關(guān)系可表示為：

設(shè)左側(cè)車輪轉(zhuǎn)速為ωleft_wheel，右側(cè)車輪轉(zhuǎn)速為ωright_wheel，差速器的傳動(dòng)比為Gdiff，車輪轉(zhuǎn)速為ωwheel，則當(dāng)車輛直線行駛時(shí)滿足：

車輛的速度可以表示為：

式中：rwheel為輪胎滾動(dòng)半徑。

設(shè)ωelecmach為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，Gelecmach為驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合的傳動(dòng)比，則ωlow也可以表示為：ωlow=Gelecmachωelecmach.

則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以表示為：

2 能量管理策略

混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)主要包括汽車動(dòng)力參數(shù)匹配技術(shù)、混合動(dòng)力單元的控制技術(shù)、能量回收技術(shù)和能量總控技術(shù)等[4]。能量總成控制技術(shù)的核心是能量管理系統(tǒng)的控制策略，目前的整車控制策略主要分為三大類：基于邏輯閾值的控制策略、模糊控制策略、基于優(yōu)化的控制策略。

1）基于邏輯閾值的控制策略是目前應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的一種能量管理技術(shù)手段，根據(jù)整車部件的工作特點(diǎn)，以及工程應(yīng)用中的需求，設(shè)計(jì)一些控制變量，常用的控制變量有：電池SOC、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、實(shí)時(shí)車速和整車行駛需求功率等。通過這些變量來控制整車的運(yùn)行模式，調(diào)整車的能量流輸出路徑，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)始終工作在最佳的工作效率區(qū)間，提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。豐田Prius 和本田Insigt 最早把該策略應(yīng)用于實(shí)際工程中，大大提升了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性?；谶壿嬮撝档姆€(wěn)態(tài)控制策略易于實(shí)現(xiàn)且實(shí)用，因此經(jīng)常被用于混合動(dòng)力汽車[5]。

2）模糊控制策略：模糊控制策略（Fuzzy control strategy），是一種使用模糊語言，經(jīng)過模糊控制器反模糊化，來實(shí)現(xiàn)指定目標(biāo)函數(shù)的的一種控制策略，模糊策略根據(jù)工程需要確定優(yōu)化變量，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)制定出相應(yīng)的隸屬度函數(shù)以及模糊規(guī)則，也可以采用遺傳算法、粒子群算法等優(yōu)化算法對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，但尋優(yōu)周期較長，且普通算法容易早熟，陷入局部解，根據(jù)模糊規(guī)則排列組合成。模糊控制目前都多在高校里面的進(jìn)行一些理論研究，實(shí)際工程應(yīng)用的較少。

3）基于優(yōu)化的控制策略：基于優(yōu)化的控制策略又分為，全局優(yōu)化和實(shí)時(shí)優(yōu)化，全局優(yōu)化最常用的有動(dòng)態(tài)規(guī)劃（dynamic programming），動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming，PM）的概念最早Richard Bellman 提出，用來描述解決最優(yōu)選擇問題的過程。Bellman 把復(fù)雜問題分割成簡單的子問題，從而解決復(fù)雜的問題。然而，由于它需要提前知道整個(gè)循環(huán)工況，因此它只能用于離線計(jì)算，難以用于實(shí)車[6]。但可以從動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)結(jié)果中提煉出有用的控制規(guī)則，用于改進(jìn)實(shí)車的控制策略。實(shí)時(shí)優(yōu)化最常用的有等效燃油消耗最小此策略（ECMS），此策略的思路主要是把電機(jī)的電耗轉(zhuǎn)化等量的油耗，以整車燃油量為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)整車需求功率，實(shí)時(shí)合理的分配發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)始終工作在最佳工作區(qū)域，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于在輕度混合商用車上發(fā)動(dòng)機(jī)是主要?jiǎng)恿υ矗p型電機(jī)的作用起到消峰填谷的作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在高效率工作范圍，從而達(dá)到降低油耗和減少排放的目的?；诖?，本系統(tǒng)采用基于邏輯閾值的控制策略。

2.1 基于邏輯閾值的控制策略

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，通過設(shè)定相關(guān)變量，根據(jù)設(shè)計(jì)的邏輯閾值策略來實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，來分配發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行功率。由混合動(dòng)力整車控制器（HCU）輸入需求車速、需求的凈牽引功率、SOC、發(fā)動(dòng)機(jī)map 圖、計(jì)算輸出發(fā)動(dòng)機(jī)功率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器傳動(dòng)比和燃油消耗率等，最后將相關(guān)控制指令輸出給各個(gè)子系統(tǒng)，如TCU、ECU 等[7]。

因?yàn)檩p型電機(jī)不但能夠輸出正轉(zhuǎn)矩用以驅(qū)動(dòng)汽車還能輸出負(fù)扭矩用于制動(dòng)能量回收給電池充電，因此在輕度混合動(dòng)力汽車上可以將車輛運(yùn)行模式劃分為電池補(bǔ)給模式和電量消耗模式兩種，這取決于扭矩的狀態(tài)。兩種模式的計(jì)算公式如下：

2.2 輕度混合動(dòng)力商用車工作模式劃分

限于輕型電機(jī)的結(jié)構(gòu)和功率，基于邏輯閾值的輕度混合動(dòng)力商用車能量管理從以下三個(gè)方面制定：低驅(qū)動(dòng)力模式，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；高速助力模式，同時(shí)調(diào)用發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電量補(bǔ)給模式，將多余的發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行能量回收。因此基于邏輯閾值策略的混合動(dòng)力商用車主要有以下幾種模式。

1）低驅(qū)動(dòng)力模式：如果車輛所需牽引力功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)最小功率，則發(fā)動(dòng)機(jī)停止動(dòng)力輸出（Peng=0），電機(jī)提供正的牽引力（此時(shí)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)），而當(dāng)電機(jī)提供負(fù)的牽引力（此時(shí)電機(jī)為發(fā)電機(jī)）時(shí)，其為再生制動(dòng)[8]。此時(shí)車輛的各參數(shù)可以表示為：

式中：Ptractive為車輛所需的牽引力；Pmin為發(fā)動(dòng)機(jī)最小功率；Pelecmach為電機(jī)功率；fuel，rate為燃油消耗率；ωeng為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Peng為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；Gtrans和Gtrans_min分別為變速器的傳動(dòng)比和最小傳動(dòng)比。

2）高速助力模式：如果車輛所需牽引力功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大功率，電機(jī)將作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)為車輛加速提供輔助功率。此時(shí)車輛的各參數(shù)可以表示為：

式中：Pmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。

3）電量補(bǔ)給模式：當(dāng)車輛所需牽引力在發(fā)動(dòng)機(jī)的最小功率和最大功率之間時(shí)，多余的發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以用于動(dòng)力電池充電。剛開始時(shí)，能量管理策略將盡力保證：

式中：SOC 為電池的荷電狀態(tài)（%），0.5 為策略所設(shè)置的初始SOC。

2.3 動(dòng)力電池SOC 計(jì)算

采用Matlab/Simulink 所搭建的動(dòng)力電池SOC 計(jì)算模型，其結(jié)構(gòu)見圖2 所示。在該模型中，輸入?yún)?shù)為電機(jī)功率，輸出參數(shù)為動(dòng)力電池SOC，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)效率為ηess。動(dòng)力電池的SOC 變化量ΔSOC 可由式（13）和（14）表示：

式中：Δt 為車輛的運(yùn)行時(shí)間；Emax為動(dòng)力電池的最大能量；k 為仿真時(shí)間離散的某一步。當(dāng)Pelecmach<0 時(shí)，動(dòng)力電池處于充電狀態(tài)，當(dāng)Pelecmach≥0 時(shí)，動(dòng)力電池處于放電狀態(tài)。

3 仿真結(jié)果與討論

采用US06 工況作為仿真工況，車輛的仿真數(shù)據(jù)見表1。

表1 車輛仿真參數(shù)

圖3 給出了US06 工況下的SOC 變化曲線，在整個(gè)循環(huán)工況中，SOC 在初始值0.5 到最大值0.72 之間波動(dòng)，可見在行程終端，動(dòng)力電池SOC 為0.66，穩(wěn)定在其初始值0.5 附近。這表明，由于電池SOC 的安全下限為0.2，所以在電源管理中可以采用激進(jìn)的方法。讓循環(huán)工況中的SOC 最小值到達(dá)0.2 附近。這樣可以充分調(diào)動(dòng)電池的性能，降低燃油消耗。

圖4 給出了車輛在US06 工況下車輛的各性能參數(shù)。圖4-1 為US06 工況的速度-時(shí)間曲線。下頁圖4-2 為車輛在US06 駕駛循環(huán)工況下的燃油消耗，三個(gè)駕駛循環(huán)行駛了38.40 km，造成燃油消耗7.61 L，約合百公里油耗19.82 L，相較于21.6 L 燃油經(jīng)濟(jì)性提升了8.24%。下頁圖4-3 和下頁圖4-4 給出了基于邏輯閾值的輕度混合動(dòng)力商用車能量管理策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率曲線，可見復(fù)合動(dòng)力源的功率輸出滿足US06 工況下的電機(jī)功率需求。

5 結(jié)論

本文以某款混合動(dòng)力商用車為研究對(duì)象，在基于邏輯閾值的輕度混合動(dòng)力商用車能量管理策略中，綜合考慮了模擬工況的驅(qū)動(dòng)扭矩和功率扭矩要求，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)、輕型驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池等多個(gè)部件的特性。實(shí)現(xiàn)以功率為中心的能量管理策略，滿足駕駛員的驅(qū)動(dòng)扭矩和功率要求，同時(shí)合理利用各種模式，合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和輕型驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，并在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。