單行星排式混合動(dòng)力汽車控制策略仿真及應(yīng)用

曲春燕，葉歡，陳皓，梅娜，閆偉

（1.250011 山東省 濟(jì)南市 山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.300300 天津市 中汽(天津)汽車工程研究所）

0 引言

中國(guó)的汽車銷量近年來(lái)穩(wěn)居世界第一，為中國(guó)GDP 的增長(zhǎng)做出了重大貢獻(xiàn)。另一方面，燃油車保有量的持續(xù)增加，其尾氣污染嚴(yán)重、對(duì)石油燃料依賴性強(qiáng)等問(wèn)題日漸突出。為緩解上述情形，燃油車排放法規(guī)日益嚴(yán)格，而新能源汽車由于其經(jīng)濟(jì)性好、動(dòng)力性強(qiáng)和污染物排放少等特點(diǎn)成為了當(dāng)前車輛研究的熱點(diǎn)。

新能源汽車可以分為純電動(dòng)汽車（Electric Vehicle，EV），混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）。其中，EV 采用單一動(dòng)力電池儲(chǔ)能，向電機(jī)放電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)整車運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。雖然EV 可實(shí)現(xiàn)零污染物排放并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是動(dòng)力電池能量密度低、成本高、續(xù)駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題使其經(jīng)濟(jì)規(guī)模相對(duì)不足。FCV 雖然不產(chǎn)生有害排放物、能量轉(zhuǎn)換效率高，但是其發(fā)展過(guò)程中仍存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)，如部件成本過(guò)高、儲(chǔ)氫設(shè)備不完善等[2]。HEV 結(jié)合了EV 的電池、電機(jī)和傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油經(jīng)濟(jì)性高，動(dòng)力性好，是傳統(tǒng)汽車向EV 過(guò)渡階段的理想產(chǎn)品[3]。HEV 可以分為：串聯(lián)式，并聯(lián)式和混聯(lián)式。行星齒輪系HEV 是常見(jiàn)的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，一般用行星齒輪系將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率一部分分配給車輛，剩余分配給電機(jī)發(fā)電并進(jìn)行儲(chǔ)存。

本文基于AVL-Cruise 軟件中自帶的單行星排式HEV 模型，在MATLAB R2014a 的Simulink 平臺(tái)上搭建了邏輯門限值控制策略，通過(guò)dll 文件實(shí)現(xiàn)了Cruise 和Simulink 的聯(lián)合仿真，進(jìn)行了循環(huán)工況和動(dòng)力性計(jì)算，驗(yàn)證了該控制策略的合理性。

1 整車仿真模型搭建

1.1 整車參數(shù)選擇要求

基于AVL-Cruise 軟件中自帶的某單行星排式HEV 模型和需求駕駛性能，對(duì)整車參數(shù)進(jìn)行匹配，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池和其他傳動(dòng)部件選型匹配。整車參數(shù)來(lái)源于參考文獻(xiàn)[4]，如表 1 所示。

表1 整車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters

1.2 HEV 部件參數(shù)選擇

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

本單行星排式HEV 采用了最大功率為63 kW（5 000 r/min），排量為1.46 L 的四缸汽油機(jī)。由于該模型的發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線中的工況點(diǎn)較少，且發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為二次函數(shù)關(guān)系，對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式得到式（1）：

式中：T——發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

HEV 中，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要?jiǎng)恿Γ姍C(jī)是輔助動(dòng)力，合適的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)功率比例是保證HEV 動(dòng)力性的關(guān)鍵。功率適中的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足汽車在水平路面行駛中按需求車速行駛的最大功率[5]，見(jiàn)式（2）：

式中：Pmax——HEV 需求的最大輸出功率；vmax——最高需求車速；ηt——HEV 傳動(dòng)效率，取0.8；m——整車滿載質(zhì)量，取1 780 kg；g——重力加速度；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd——風(fēng)阻系數(shù)；A——汽車擋風(fēng)面積，取2.15 m2；α——路面坡度。

將路譜中最高車速代入式（2），計(jì)算得到最大功率為56 kW，本模型的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為63 kW，純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下可以滿足駕駛需求。

1.2.2 電機(jī)參數(shù)選擇

在行星齒輪系中，行星架連接發(fā)動(dòng)機(jī)，太陽(yáng)輪連電機(jī)1（MG1），后排齒圈連電機(jī)2（MG2），行星齒輪系實(shí)現(xiàn)這3 個(gè)部件的轉(zhuǎn)矩分配，如圖 1 所示。

圖1 行星齒輪系結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of planetary gear train

電機(jī)1 主要是作為發(fā)電機(jī)為電池充電并調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)1 反拖發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)矩關(guān)系滿足式（3）。

式中：k——行星齒輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)；TMG1_max——電機(jī)1 最大轉(zhuǎn)矩；TEng_min——發(fā)動(dòng)機(jī)最小啟動(dòng)扭矩，取其怠速扭矩93 N·m；nMG1_max——電機(jī)1 最大轉(zhuǎn)速；nEng_min——發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，取其怠速轉(zhuǎn)速720 r/min。

由式（3）計(jì)算得電機(jī)1 的技術(shù)參數(shù)nMG1_max＞3 600 r/min；TMG1_max＞38.23 N·m，PMG1_max＞14.41 kW。

本模型電機(jī)2 的技術(shù)參數(shù)：最大功率30 kW，最大扭矩350 N·m，最大轉(zhuǎn)速8 000 r/min。電機(jī)2 通過(guò)后排齒圈直接與車軸連接，因此電機(jī)2 轉(zhuǎn)速不能為0，且需大于車輛最高速度行駛時(shí)的匹配電機(jī)2 轉(zhuǎn)速。

式中：i0——主減速器速比；vmax——最高車速；r——車輪半徑。

電機(jī)2 的最大轉(zhuǎn)速由式（4）計(jì)算可得nMG2_max＞5 653 r/min。

純電動(dòng)模式下，電機(jī)2 的輸出功率需驅(qū)動(dòng)HEV 6 s 之內(nèi)由0 加速到30 km/h。將整車參數(shù)代入式（5）—式（7）計(jì)算得到電機(jī)2 的技術(shù)參數(shù)：nMG2_max=1 060 r/min，TMG2_max=249.29 N·m，PMG2_max=27.67 kW。經(jīng)驗(yàn)證，電機(jī)2 可滿足該模型的駕駛需求。

1.2.3 電池參數(shù)選擇

本模型電池為鎳氫電池，功率為40 kW，電池容量為6.5 A·h。HEV 運(yùn)行在純電動(dòng)模式時(shí)，電池的輸出功率不低于電機(jī)的最大功率，由式（8）計(jì)算得到電池功率Pbat=40 kW。經(jīng)式（8）驗(yàn)證，本模型的電池可滿足駕駛需求。

式中：Pbat——?jiǎng)恿﹄姵毓β剩籔max——電機(jī)最大功率；ηb——能量轉(zhuǎn)化效率；ηm——電機(jī)工作效率，取0.85；Cbat——電池容量，We——電池能量密度，取46 (W·h)/kg；Wp——電池比功率，取1 000 W/kg；U——電池端電壓，取值288 V。

1.2.4 傳動(dòng)比選擇

基于選擇的電機(jī)參數(shù)，電機(jī)1 反拖發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，提供的扭矩經(jīng)過(guò)行星齒輪系后須不能低于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)的最小轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的關(guān)系滿足式（3）。分析計(jì)算得到主減速器的速比i0取值范圍為3.0～4.4，k取值范圍為2.4～3.0。經(jīng)過(guò)參數(shù)組合優(yōu)化后，取i0=3.9，k=2.6。

1.3 整車仿真模型搭建

采用AVL-Cruise 自帶的單行星排模型，選擇合適的元件進(jìn)行連接，搭建的整車構(gòu)型如圖2 所示。其中，MATLAB Controller 是實(shí)現(xiàn)AVL-Cruise和Simulink 聯(lián)合仿真的連接端口。

圖2 整車模型Fig.2 Vehicle model

1.4 構(gòu)建控制策略

通過(guò)Simulink 軟件的模塊化編程，構(gòu)建了基于邏輯門限值控制策略。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)和制動(dòng)器之間的轉(zhuǎn)矩分配，將HEV 的工作狀態(tài)劃分為：純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)、部分再生制動(dòng)以及停車充電等?？刂撇呗皂攲咏Y(jié)構(gòu)包括三大板塊：轉(zhuǎn)矩計(jì)算、模式識(shí)別、轉(zhuǎn)矩分配。各板塊的輸入輸出信號(hào)如圖3 所示。

圖3 控制策略頂層結(jié)構(gòu)Fig.3 Top-level structure of control strategy

上述控制策略三大板塊中，轉(zhuǎn)矩計(jì)算板塊基于汽車行駛阻力方程，根據(jù)輸入路譜的當(dāng)前車速和下一時(shí)刻目標(biāo)車速計(jì)算需求轉(zhuǎn)矩；模式選擇板塊基于轉(zhuǎn)矩計(jì)算板塊輸出的需求轉(zhuǎn)矩和電池當(dāng)前的SOC值進(jìn)行模式劃分。其中，T_hi 和T_low 分別由發(fā)動(dòng)機(jī)高效率區(qū)間上下限a_hi 和a_low 乘以當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩得到的高效率轉(zhuǎn)矩上下限值，a_hi 和a_low 分別取0.7，0.3；SOC_high 和SOC_low分別為SOC值的上下限值，取值為80%，30%；模式識(shí)別板塊輸出對(duì)應(yīng)的模式編號(hào)給轉(zhuǎn)矩分配模塊，將總轉(zhuǎn)矩分為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)1 轉(zhuǎn)矩、電機(jī)2 轉(zhuǎn)矩以及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩4 部分。

2 聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

2.1 NEDC 循環(huán)工況仿真分析

為驗(yàn)證HEV 整車模型和該控制策略的有效性，基于新歐洲標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況NEDC 數(shù)據(jù)[6]，進(jìn)行循環(huán)工況仿真計(jì)算。該工況持續(xù)時(shí)間為1 180 s，車速最高可達(dá)120 km/h。圖4（a）所示，實(shí)線為當(dāng)前車速，虛線為下一時(shí)刻目標(biāo)車速，2 條曲線重合度較高，說(shuō)明該模型的車輛跟隨性較好；從圖4（b）可以看出，2 個(gè)電機(jī)不斷切換工作狀態(tài)，適應(yīng)不同的工況；圖4（c）是發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的輸出扭矩變化；圖4（d）是電池電量變化情況，結(jié)合NEDC循環(huán)工況的車速變化可知，循環(huán)開(kāi)始時(shí)電池電量為50%，目標(biāo)車速較低，轉(zhuǎn)矩需求低，電池電量基本維持不變，循環(huán)末期車速增大，轉(zhuǎn)矩需求量增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩明顯提高。并且，為了滿足加速需求，電池對(duì)外放電，SOC值小幅度下降。直到循環(huán)結(jié)束之前制動(dòng)停車時(shí)，電機(jī)2 進(jìn)行能量回收，補(bǔ)充了損失的SOC值。

圖4 仿真計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulation results

由于構(gòu)型為HEV，在討論燃油消耗時(shí)需要將電量消耗轉(zhuǎn)換為等量的燃油消耗，轉(zhuǎn)換公式如式（9）所示。NEDC 循環(huán)工況下百公里油耗見(jiàn)表2。

表2 NEDC 工況百公里油耗Tab.2 Fuel consumption per 100 km under NEDC condition

式中：qequ——電量轉(zhuǎn)化成的油耗；ΔSOC——電量末值與初值之差；C——電池容量；Hu——燃油熱值，取42 700 kJ/kg；S——行駛總路程；ρ——燃油密度，取0.72 kg/L。

汽車尾氣是大氣污染的主要來(lái)源之一，含有大量的有害物質(zhì)如NOX、CO 和HC 等氣體。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得到了以下3 種主要污染物的單位路程排放量，具體數(shù)值如表3 所示。

表3 排放仿真結(jié)果Tab.3 Emission simulation results

2.2 動(dòng)力性仿真分析

對(duì)汽車的原地起步加速時(shí)間和最大車速進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖5 所示。在9.23 s 時(shí)汽車由0達(dá)到60 km/h 的速度，并且最高車速高于170 km/h，滿足了整車的動(dòng)力性要求。

圖5 加速性能仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of acceleration performance

3 結(jié)論

控制策略的搭建和動(dòng)力部件選型是單行星排式混合動(dòng)力汽車研究的重難點(diǎn)。本文通過(guò)選擇驗(yàn)證合適的元件參數(shù)，搭建了單行星排混合動(dòng)力整車模型，并構(gòu)建了邏輯門限值控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真。分析采用本控制策略的HEV 各部件的運(yùn)行特性及整車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性，證明各動(dòng)力部件能夠穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)間，電池的SOC值保持在較穩(wěn)定的水平。此混合動(dòng)力汽車模型及控制策略達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)性能，可以進(jìn)一步進(jìn)行智能控制策略優(yōu)化研究和整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。