基于模糊邏輯控制的混合動力車輛工作模式切換策略

陳福云

(淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇 淮安 223001)

隨著汽車保有量的逐年增加，環(huán)境污染和能源危機(jī)問題日益突出。為了應(yīng)對能源與環(huán)境問題，各國相繼出臺了多個與節(jié)能車輛相關(guān)的措施與法規(guī)，我國也正在大力推廣節(jié)能與新能源汽車，其中混合動力汽車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的方向之一[1-2]。我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》[3]指出“力爭到2035年實(shí)現(xiàn)100%的混合動力汽車”，可以預(yù)見混合動力汽車將是汽車領(lǐng)域未來發(fā)展的重中之重。

混合動力車輛的動力系統(tǒng)既有燃油汽車的高速節(jié)油優(yōu)勢，又有純電動汽車的低速省電優(yōu)勢，兩種能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，在滿足驅(qū)動行駛需求的同時(shí)減少了能源消耗。目前混合動力車輛能源系統(tǒng)所采用的原動機(jī)一般為柴油或汽油內(nèi)燃機(jī)，電能存儲裝置一般為蓄電池或超級電容。根據(jù)車輛動力系統(tǒng)輸出的耦合方式特點(diǎn)，可將混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3類：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[4-5]。其中，串聯(lián)式混合動力車輛的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)燃機(jī)動力輸出僅用于發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)輸出的電力能源通過線纜與高壓電池輸出電能共同供給車輛驅(qū)動電動機(jī)。由于串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)簡單，控制策略規(guī)則、線纜布局空間自由度較大，所以多見于大型客車或裝甲車輛上。

在混合動力車輛的能源系統(tǒng)中，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)和高壓電池混合度的差異，可將混合動力系統(tǒng)分為5類：弱度混合、輕度混合、中度混合、重度混合、插電式混合[6-7]。其中，弱度混合能量管理系統(tǒng)的主要功能是控制發(fā)動機(jī)自動啟停。在輕度混合系統(tǒng)中，能源系統(tǒng)保留了發(fā)動機(jī)的啟?？刂?，同時(shí)采用更高容量的電池以支持車輛的再生制動回饋，此類混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常為42～48 V的皮帶驅(qū)動啟動發(fā)動機(jī)或集成式啟發(fā)一體發(fā)動機(jī)(integrated starter generator, ISG)[8]。弱度和輕度混合動力系統(tǒng)由于電池系統(tǒng)較小，所以以發(fā)動機(jī)作為主要動力源。

合理的混合動力能源系統(tǒng)工作模式切換策略，對輕度混合動力汽車的安全性有著至關(guān)重要的影響。本研究以串聯(lián)式輕度混合動力車輛能源系統(tǒng)(在串聯(lián)式系統(tǒng)中，能源系統(tǒng)即為發(fā)電系統(tǒng))為研究對象，設(shè)計(jì)了實(shí)用、可靠的發(fā)電系統(tǒng)工作模式切換策略，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

1 發(fā)電系統(tǒng)工作模式

發(fā)電系統(tǒng)在串聯(lián)混合動力系統(tǒng)中是一個獨(dú)立的模塊，需要根據(jù)整車控制器發(fā)來的控制指令和車輛驅(qū)動系統(tǒng)功率需求來切換工作模式。圖1為串聯(lián)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器相連組合而成，發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)啟動階段為電動模式，從高壓電池取電并拖動發(fā)動機(jī)啟動。發(fā)動機(jī)啟動后維持在高效區(qū)轉(zhuǎn)動，此后發(fā)電機(jī)切換為發(fā)電模式，通過改變輸出扭矩調(diào)節(jié)發(fā)電功率。電池作為混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵的電力輸出源之一，其充放電能力必須覆蓋發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出能力。電力控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)整個混合動力系統(tǒng)的綜合電力輸出。發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力與高壓電池一同為車輛的驅(qū)動電機(jī)提供功率，當(dāng)功率需求較低時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)還可以用富余的電力直接給電池充電。

根據(jù)整車的功率需求及發(fā)電系統(tǒng)自身的工作特點(diǎn)，將發(fā)電系統(tǒng)工作模式歸納為啟動、待機(jī)、發(fā)電、停機(jī)和故障5種。待機(jī)模式和發(fā)電模式為基本的工作模式；故障模式包括故障監(jiān)控和故障保護(hù)，故障監(jiān)控伴隨所有模式共同運(yùn)行，而故障保護(hù)用于出現(xiàn)故障時(shí)確保系統(tǒng)穩(wěn)定卸載，進(jìn)入待機(jī)或停機(jī)模式。發(fā)電系統(tǒng)工作模式間的切換關(guān)系如圖2所示。

發(fā)電系統(tǒng)不同工作模式下的能量流見圖3。電力控制系統(tǒng)接收到啟動命令后，檢測當(dāng)前發(fā)電系統(tǒng)是否處于運(yùn)行模式，如不是則將發(fā)電機(jī)運(yùn)行到電動模式，從高壓電池獲取電能，反拖發(fā)動機(jī)直至發(fā)動機(jī)能夠自主運(yùn)行，如圖3(a)所示；發(fā)電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)啟動成功后，發(fā)電系統(tǒng)將進(jìn)入怠速模式，此時(shí)發(fā)動機(jī)怠速，發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)不發(fā)電，如圖3(b)所示；接收到發(fā)電請求后，發(fā)動機(jī)高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)功率需求調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)輸出功率跟隨功率指令，如圖3(c)所示；當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)檢測到發(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在故障時(shí)，識別到一、二級故障上報(bào)交整車處理，識別到三級故障發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入故障模式自行保護(hù)停機(jī)；接收到停機(jī)指令后，如系統(tǒng)處于高功率發(fā)電模式，則首先協(xié)調(diào)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，然后進(jìn)入停機(jī)模式，如處于低功率發(fā)電模式，則安全進(jìn)入停機(jī)模式。

圖3 發(fā)電系統(tǒng)不同工作模式下的能量流Fig.3 Energy flow under different working modes of power generation system

2 發(fā)電系統(tǒng)工作階段

2.1 啟動階段

當(dāng)整車低壓及高壓系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)即處于準(zhǔn)備啟動狀態(tài)。之后，整車系統(tǒng)根據(jù)車輛驅(qū)動功率，結(jié)合當(dāng)前發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合分析。當(dāng)高壓電池電壓較低或電池SOC值低于設(shè)定的最低閾值時(shí)，整車系統(tǒng)給發(fā)電系統(tǒng)發(fā)送開機(jī)指令，發(fā)電系統(tǒng)接收到開機(jī)指令后由停機(jī)模式逐步切換到啟動模式，具體流程如圖4所示。

圖4 發(fā)電系統(tǒng)啟動模式流程Fig.4 Starting mode flow chart of power generation system

發(fā)電系統(tǒng)接收到整車啟動信號后，電動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)給電動機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速模式控制信號，給發(fā)動機(jī)控制器發(fā)送啟動控制信號。當(dāng)電動機(jī)拖拽發(fā)動機(jī)超過啟動轉(zhuǎn)速且維持2 s后，認(rèn)為啟動成功。發(fā)動機(jī)啟動成功后，電動機(jī)需要處于怠速隨轉(zhuǎn)模式，若此時(shí)電動機(jī)繼續(xù)處于電動模式，則會造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間上升，使得發(fā)動機(jī)飛車而產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械損傷，故啟動成功后，發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。待機(jī)模式下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)電機(jī)無功率輸出。

2.2 發(fā)電階段

整車控制器在確認(rèn)發(fā)電系統(tǒng)啟動成功后，根據(jù)當(dāng)前車輛行駛功率需求確定發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率等級，發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先存儲的功率查詢表的數(shù)值對應(yīng)控制發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)。發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)采用扭速控制，對發(fā)電機(jī)采用扭矩控制，在發(fā)動機(jī)達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速之后，調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩。需求功率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)目標(biāo)扭矩的計(jì)算依據(jù)

(1)

圖5 發(fā)電系統(tǒng)啟動發(fā)電模式流程Fig.5 Flow chart of power generation system startup mode

式中：P為需求功率；T為扭矩；n為轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)電機(jī)扭矩較小時(shí)，由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制誤差導(dǎo)致輸出功率誤差較大，故采用分段控制方式，在低功率區(qū)采用事先標(biāo)定的參數(shù)值，通過查表確定發(fā)電機(jī)扭矩，在高功率區(qū)通過計(jì)算得到發(fā)電機(jī)扭矩。待加載到目標(biāo)值后，再進(jìn)行下一階段的跟隨調(diào)整。在功率跟隨過程中，如果功率變化較快，優(yōu)先調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，再調(diào)整扭矩。采用發(fā)動機(jī)橫轉(zhuǎn)速的控制方式可以提高發(fā)電系統(tǒng)的整體燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電系統(tǒng)啟動發(fā)電模式流程見圖5。

2.3 停機(jī)階段

當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)接收到停機(jī)信號時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)先關(guān)閉發(fā)動機(jī)，待發(fā)動機(jī)達(dá)到怠速時(shí)再關(guān)閉發(fā)電機(jī)，直到完全停機(jī)。在上述過程中，若先突然關(guān)閉發(fā)電機(jī)，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速突然上升，甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)飛車。因此，為避免此故障產(chǎn)生，停機(jī)過程中將優(yōu)先降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，并適當(dāng)減少發(fā)電機(jī)扭矩。

3 發(fā)電模式控制策略

實(shí)現(xiàn)功率跟隨是發(fā)電系統(tǒng)模式切換的主要目標(biāo)之一。上層控制系統(tǒng)需要綜合考慮多種因素來決定當(dāng)前混合動力系統(tǒng)的發(fā)電工作模式。當(dāng)需求功率較低時(shí)，可以由電池單獨(dú)提供電力輸出；當(dāng)需求功率較高時(shí)，需要發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同輸出電力；當(dāng)高壓電池SOC值低于限定值時(shí)，需要發(fā)電系統(tǒng)提供較多的電力輸出，既要滿足整車的功率需求，還要給電池提供能量輸入。另外，對于發(fā)電系統(tǒng)，還需要實(shí)時(shí)考慮其工作溫度，若各個系統(tǒng)工作溫度高于其限定值，對發(fā)電功率及系統(tǒng)壽命會有很大影響。綜合考慮各種因素(如整車驅(qū)動功率需求、高壓電池組SOC值、發(fā)電系統(tǒng)溫度等)并基于模糊的邏輯規(guī)則[9]建立模式切換策略，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式的安全切換。

3.1 發(fā)電階段控制特征因素權(quán)重的建立

(2)

利用層次分析法[10]確定各個因素之間的權(quán)重，并進(jìn)行歸一化處理與一致性檢驗(yàn)。所有參數(shù)值都需要通過反復(fù)試驗(yàn)得到，最終確定每個因素對不同模式的相對權(quán)重。

3.2 特征因素隸屬關(guān)系

剩余電量對運(yùn)行模式的隸屬函數(shù)

(3)

發(fā)電系統(tǒng)溫度對運(yùn)行模式的隸屬函數(shù)

(4)

需求功率對運(yùn)行模式的隸屬函數(shù)

(5)

式(3)～(5)中：σ、θ為各模式下函數(shù)曲線的參數(shù)，參考專家經(jīng)驗(yàn)及多次試錯實(shí)驗(yàn)獲得；u1(電池電量)最大為100%，最小為0；u2(發(fā)電系統(tǒng)溫度)為-43～120 ℃；u3(需求功率)為0～20 kW。

根據(jù)隸屬關(guān)系，分別對每一個特征因素進(jìn)行評價(jià)，從而確定不同因素對發(fā)電模式的隸屬度，再由各隸屬度組成綜合評價(jià)矩陣，記為

(6)

4 模式切換控制試驗(yàn)驗(yàn)證

采用試驗(yàn)?zāi)M混合動力系統(tǒng)對本研究所提出的策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模擬車輛的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of the experiment

在MATLAB軟件中使用Simulink組件搭建仿真模型，并利用Stateflow建立發(fā)電系統(tǒng)控制策略切換與跳轉(zhuǎn)控制模塊?？刂颇Ｐ头譃閱?、待機(jī)、停機(jī)、運(yùn)行、故障5個子模塊，各模塊根據(jù)監(jiān)測被控對象發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、電動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、發(fā)電機(jī)故障等級和接收到的整車控制器命令，確定各模式狀態(tài)跳轉(zhuǎn)標(biāo)志位的值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各模式之間的跳轉(zhuǎn)，控制發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行。在發(fā)電模式下，發(fā)電系統(tǒng)基于模糊隸屬度判斷輸出的功率是否合適。

圖6 基于MATLAB的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results based on MATLAB

仿真結(jié)果如圖6所示。發(fā)電系統(tǒng)從停機(jī)狀態(tài)開始，在2 s時(shí)接收到啟動指令，發(fā)電機(jī)施加正扭矩拖動發(fā)動機(jī)啟動，啟動成功后扭矩清零，且發(fā)電機(jī)系統(tǒng)維持2 s的待機(jī)模式，之后系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電模式，此時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速先上升到2 200 r/min，之后發(fā)電機(jī)施加負(fù)扭矩進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。仿真系統(tǒng)設(shè)定低功率發(fā)電需求時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min；設(shè)定高功率發(fā)電需求時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。當(dāng)系統(tǒng)在第18 s接收到停機(jī)指令時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低到怠速800 r/min，之后發(fā)動機(jī)停機(jī)，此時(shí)發(fā)電機(jī)扭矩清零。

驗(yàn)證完基本的啟停及模式切換后，進(jìn)行一次長距離工況的仿真試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。車輛驅(qū)動的需求功率曲線如圖7(a)所示，整個過程包括啟動、加速、勻速、減速、停車等。在此工況下，發(fā)電系統(tǒng)的工作溫度為20～120 ℃,SOC值仿真變化曲線如圖7(b)所示。

圖7 需求功率及SOC值變化曲線Fig.7 Demand power and SOC change curve

由圖7(b)可知，動力電池初始狀態(tài)滿電，即SOC初始值為1，在A階段，由最大隸屬度原則得出綜合決策因子，表示混合動力系統(tǒng)初始模式為v1，即由電池單獨(dú)供電。隨著電池SOC值變小及車輛需求功率的增大，動力電池不足以維持系統(tǒng)全工況并滿足需求功率，評判策略控制系統(tǒng)切換為模式v3，即B階段，由發(fā)電系統(tǒng)和電池共同提供電力。此時(shí)雖然需求功率增加，但發(fā)電系統(tǒng)的功率補(bǔ)給使電池SOC值下降速度放緩。在C階段，發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)維持在高負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電量一部分用于驅(qū)動車輛行駛，一部分直接給電池充電，故SOC值逐漸升高。

完成仿真試驗(yàn)之后，在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電性能測試，主控制程序運(yùn)行在數(shù)字空間系統(tǒng)(dSPACE)中，結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)臺架上的發(fā)電系統(tǒng)性能測試結(jié)果Fig.8 Operation test results of power generation system in bench test

在實(shí)際測試中，發(fā)動機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式后，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)扭矩由綜合評判邏輯規(guī)則進(jìn)行控制。測試結(jié)果說明，該切換策略及發(fā)電控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)工作模式的合理與平穩(wěn)切換，保證了發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本研究針對串聯(lián)式混合動力車輛能源系統(tǒng)運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)了合適的工作模式切換策略，并基于模糊邏輯控制策略制定了具體的發(fā)電系統(tǒng)工作方式，最后采用仿真與臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了策略的合理性。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的切換與發(fā)電控制策略能夠有效地根據(jù)整車工況自動調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整車功率需求的跟隨控制。