基于遺傳算法的混動(dòng)汽車(chē)扭矩節(jié)能協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

王平,張宏,李春芾

(1.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系,內(nèi)蒙古 赤峰 024005;2.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

混合動(dòng)力汽車(chē)可以在多種工況下運(yùn)行,具備優(yōu)異的動(dòng)力控制性能,為了進(jìn)一步提高混合動(dòng)力汽車(chē)的控制能力,需要其在各類模式間靈活切換,這也成為當(dāng)前的一項(xiàng)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[1]。混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)階段時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)需經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成響應(yīng),導(dǎo)致模式切換期間產(chǎn)生明顯的扭矩波動(dòng)現(xiàn)象,造成動(dòng)力傳輸?shù)拇蠓淖僛2-3]。

目前已有很多研究人員開(kāi)展了多動(dòng)力源和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的匹配研究工作。文獻(xiàn)[4]在電極轉(zhuǎn)速調(diào)控過(guò)程中設(shè)置了PID閉環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控,同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到更緩慢的扭矩變化率,從而促進(jìn)協(xié)調(diào)控制效率的提升,由此精確完成整車(chē)扭矩的波動(dòng)控制。文獻(xiàn)[5]介紹了一種利用車(chē)輪轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)控功能的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩補(bǔ)償方法,該方法可使模式切換階段的扭矩波動(dòng)得到有效抑制,保證整車(chē)獲得理想的動(dòng)力和運(yùn)行穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]針對(duì)模型預(yù)測(cè)控制設(shè)置了扭矩協(xié)調(diào)控制的方法,消除了模式切換過(guò)程引起的沖擊作用。文獻(xiàn)[7]主要研究了純電動(dòng)以及混合驅(qū)動(dòng)模式的切換控制測(cè)試,再根據(jù)模型預(yù)測(cè)和扭矩分配的過(guò)程完成協(xié)調(diào)控制。

到目前為止,大部分文獻(xiàn)報(bào)道的都是關(guān)于整車(chē)平順性控制過(guò)程的協(xié)調(diào)性內(nèi)容,并沒(méi)有從經(jīng)濟(jì)角度開(kāi)展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[8]在進(jìn)行能量管理過(guò)程中加入了平順性指標(biāo),同時(shí)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃過(guò)程中加入平順性控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)了扭矩分配的權(quán)衡優(yōu)化性能,由此實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和平順性的綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[9]根據(jù)最優(yōu)系統(tǒng)效率指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)模式實(shí)施分類,可以使模式切換階段保持最小沖擊強(qiáng)度,此外還能夠滿足無(wú)動(dòng)力中斷的控制性能。文獻(xiàn)[10]采用駕駛性調(diào)控的方法建立了一種燃油消耗最低的控制方案,通過(guò)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)改善駕駛過(guò)程控制穩(wěn)定性,并獲得更高效的動(dòng)力傳輸性能。文獻(xiàn)[11]利用調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)的平順控制,接著通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方式調(diào)控車(chē)輛的駕駛操作性并完成快速起動(dòng)的控制功能。

本研究針對(duì)多模式混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試,以等效燃油消耗最小作為目標(biāo)來(lái)完成模式轉(zhuǎn)換,并確保在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的穩(wěn)定傳輸。以等效燃油消耗最小策略(ECMS)獲得實(shí)時(shí)最優(yōu)模式以及不同運(yùn)行工況下系統(tǒng)扭矩最優(yōu)結(jié)果,接著針對(duì)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩系數(shù)進(jìn)行控制,將電池荷電(SOC)設(shè)置成狀態(tài)量,同時(shí)利用整車(chē)沖擊波強(qiáng)度構(gòu)成價(jià)值目標(biāo)函數(shù),經(jīng)遺傳算法(GA)優(yōu)化處理確定最優(yōu)扭矩參數(shù),由此獲得最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩條件。通過(guò)上述設(shè)計(jì)可以對(duì)沖擊程度起到有效控制,實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的扭矩跟隨性能。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)組成

本次構(gòu)建的混合動(dòng)力系統(tǒng)是一種以行星排結(jié)構(gòu)完成動(dòng)力耦合效果的傳輸系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)[12]。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸和行星輪之間設(shè)置了單向離合器與濕式離合器作為連接結(jié)構(gòu)。利用行星架實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力輸出,之后經(jīng)速度轉(zhuǎn)換器把動(dòng)力傳輸?shù)杰?chē)輪。控制發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的啟閉條件,并針對(duì)單向離合器和濕式離合器建立相應(yīng)的連接結(jié)構(gòu),由此完成多模式混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制。

1—發(fā)動(dòng)機(jī);2—電池;3—逆變器;4—行星輪;5—減速器;6—變速器;7—轉(zhuǎn)換器;8—濕式離合器;9—單向離合器。圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)

2 GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)控制

2.1 基于ECMS的扭矩分配

本研究運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩補(bǔ)償方法與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩調(diào)節(jié)方法建立最優(yōu)的協(xié)調(diào)策略。模式切換過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)情況,起動(dòng)階段會(huì)形成很大的阻力矩,這使得整車(chē)輸出扭矩與目標(biāo)扭矩形成較大偏差,引起扭矩波動(dòng)的增加。由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在著響應(yīng)滯后缺陷,這使得發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出與需求間會(huì)產(chǎn)生很大偏差,引起扭矩波動(dòng)的快速加劇。可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩差值,確保變速器輸出扭矩達(dá)到與需求扭矩相同的狀態(tài),有效抑制扭矩波動(dòng)。

利用經(jīng)濟(jì)性平衡原理來(lái)實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換,并保證運(yùn)行階段動(dòng)力傳遞過(guò)程穩(wěn)定過(guò)渡,同時(shí)利用GA-ECMS方法建立扭矩優(yōu)化模型,設(shè)計(jì)得到圖2所示的開(kāi)發(fā)流程。

通過(guò)優(yōu)化得到混合動(dòng)力系統(tǒng)等效燃油消耗隨著需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速的變化情況,從而劃分出混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式區(qū)域(見(jiàn)圖3)。

圖2 協(xié)調(diào)控制策略

圖3 驅(qū)動(dòng)模式劃分

可以將整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式分成運(yùn)行過(guò)程切換和持續(xù)運(yùn)行兩種狀態(tài)。其中,切換階段會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的突變;進(jìn)入模式運(yùn)行階段時(shí),能量分配過(guò)程引起的扭矩調(diào)節(jié)會(huì)受到扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)滯后因素的作用,容易造成扭矩發(fā)生較大波動(dòng)。為了確保模式切換過(guò)程中獲得更強(qiáng)的動(dòng)力傳輸穩(wěn)定性,本研究開(kāi)發(fā)了一種采用GA-ECMS扭矩優(yōu)化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的方案。

本方案以ECMS為基礎(chǔ)對(duì)需求扭矩進(jìn)行分配并劃分驅(qū)動(dòng)模式,引入了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩系數(shù)λ,利用遺傳算法以整車(chē)沖擊波強(qiáng)度最小為目標(biāo)價(jià)值函數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;通過(guò)λ對(duì)需求扭矩的分配進(jìn)行修正,得到新扭矩分配,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的平穩(wěn)性。

2.2 基于GA扭矩系數(shù)優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)可以對(duì)扭矩進(jìn)行精確快速響應(yīng),因此對(duì)整車(chē)的扭矩與沖擊載荷作用進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)功能[13]。本研究選擇發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩系數(shù)λ(t)作為控制參數(shù),再根據(jù)式(1)設(shè)置電池SOC(t)作為狀態(tài)指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)模式運(yùn)行過(guò)程的需求扭矩,從而減小對(duì)整車(chē)的沖擊作用。

(1)

式(2)給出了混合動(dòng)力汽車(chē)控制性能狀態(tài)與控制變量的范圍。

x(t)={SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax}
u(t)={0.8≤λ(t)≤1.5}。

(2)

將ECMS方式計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩看成是λ為1的優(yōu)化扭矩。之后通過(guò)式(3)設(shè)定約束參數(shù)。

Tmin≤Topt≤Tmax。

(3)

式中：Topt為經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理得到的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩;Tmin,Tmax分別為發(fā)動(dòng)機(jī)最低與最高扭矩。

構(gòu)建的目標(biāo)價(jià)值函數(shù)如下：

(4)

式中：Treq為利用ECMS計(jì)算獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩;i0,ig分別為主減速器與變速器的傳動(dòng)比;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算參數(shù);m為汽車(chē)質(zhì)量;r為車(chē)輪的半徑。

發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)扭矩系數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),各時(shí)刻下荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的扭矩參數(shù)也存在較大差異,此時(shí)可以通過(guò)扭矩參數(shù)以及建立車(chē)速模型的方式來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)扭矩優(yōu)化系數(shù)的效果[12]。扭矩優(yōu)化系數(shù)表達(dá)式如下：

λ(t)=f(SOC,v(t))。

(5)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 整車(chē)協(xié)調(diào)控制驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證扭矩優(yōu)化調(diào)節(jié)的策略優(yōu)勢(shì),綜合運(yùn)用Matlab和Simulink設(shè)計(jì)整車(chē)運(yùn)動(dòng)模型,同時(shí)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以及動(dòng)力電池分別確定了模型參數(shù)和系統(tǒng)機(jī)構(gòu),并確定了合適的理論模型[14]。在NEDC城市道路條件下進(jìn)行了運(yùn)行工況的仿真測(cè)試。

圖4示出在NEDC工況下,扭矩優(yōu)化前與優(yōu)化后開(kāi)展協(xié)調(diào)控制時(shí)的扭矩仿真結(jié)果。對(duì)圖4進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),加入扭矩分配參數(shù)后再進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng),相對(duì)于優(yōu)化前形成了更穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,扭矩波動(dòng)幅度更小。采用GA優(yōu)化方法能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)扭矩起到削峰填谷的作用,獲得更高的整車(chē)動(dòng)力穩(wěn)定性。

圖4 優(yōu)化前后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)比

扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化前后的整車(chē)沖擊波強(qiáng)度對(duì)比情況見(jiàn)圖5。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在NEDC工況下GA優(yōu)化可以發(fā)揮更顯著的效果,能夠有效減小沖擊程度,沖擊波強(qiáng)度從初始的19.2 m/s3下降至10.8 m/s3,下降了近45%。

圖5 優(yōu)化前后沖擊波強(qiáng)度對(duì)比

3.2 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

在NEDC等循環(huán)工況下開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證,針對(duì)GA-ECMS協(xié)調(diào)策略與ECMS方法對(duì)比測(cè)試了等效燃油消耗情況,結(jié)果見(jiàn)圖6。圖6測(cè)試結(jié)果表明,通過(guò)GA-ECMS控制獲得的等效百公里燃油消耗明顯小于ECMS控制策略,與僅針對(duì)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化的ECMS控制策略相比具有顯著優(yōu)勢(shì),能夠增強(qiáng)模式切換品質(zhì),也可以有效改善混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 等效燃油消耗對(duì)比

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用硬件在環(huán)測(cè)試的方法對(duì)GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)策略開(kāi)展有效性驗(yàn)證。圖7示出建立在D2P上的硬件系統(tǒng)。根據(jù)圖7可知,在D2P基礎(chǔ)上建立的硬件在環(huán)系統(tǒng)中存在雙發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架,發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供動(dòng)力輸出,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性仿真數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中設(shè)置控制參數(shù)。以CAN總線在硬件、軟件間建立通信聯(lián)系,在試驗(yàn)臺(tái)架上配備傳感器后再構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)采集,并把結(jié)果傳輸至控制柜的屏幕區(qū)域。

圖7 試驗(yàn)硬件系統(tǒng)

利用MotoTune調(diào)節(jié)策略確保硬件ECU可以自主產(chǎn)生C代碼,同時(shí)利用USB代碼器使各項(xiàng)參數(shù)寫(xiě)入控制器再開(kāi)展系統(tǒng)功能調(diào)試驗(yàn)證。將操作臺(tái)踏板和擋位設(shè)置到合適位置,再將負(fù)載傳輸?shù)紺AN總線內(nèi)使其完成交互過(guò)程,VCU采集得到負(fù)載信號(hào)時(shí),再把之前的控制指令傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)ECU和BMS中,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試臺(tái)各部件進(jìn)行調(diào)控的效果。

3.3.2 實(shí)際行駛工況驗(yàn)證

以赤峰市某路段工況(見(jiàn)圖8)為例,設(shè)置工況驗(yàn)證GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)過(guò)程。圖9示出了GA優(yōu)化前后的扭矩結(jié)果。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),完成GA優(yōu)化處理后再開(kāi)展混合驅(qū)動(dòng)時(shí),形成了更加穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出。

圖8 赤峰市某路段測(cè)試工況

圖9 GA優(yōu)化前后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)比

圖10示出GA優(yōu)化前后沖擊波強(qiáng)度的對(duì)比。結(jié)果顯示,GA優(yōu)化能夠有效降低整車(chē)沖擊作用。因此,選擇GA-ECMS開(kāi)展扭矩優(yōu)化能夠達(dá)到優(yōu)異的協(xié)調(diào)控制性能。

圖10 GA優(yōu)化前后的沖擊波強(qiáng)度對(duì)比

4 結(jié)論

a) 采用GA優(yōu)化能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)扭矩起到削峰填谷作用,獲得更高的整車(chē)動(dòng)力穩(wěn)定性;對(duì)于NEDC工況,采用GA優(yōu)化能夠有效減小沖擊,沖擊波強(qiáng)度下降了近45%;

b) GA-ECMS控制策略下百公里等效燃油消耗明顯小于ECMS控制策略,說(shuō)明利用GA-ECMS協(xié)調(diào)控制方案能夠增強(qiáng)模式切換品質(zhì),也可以有效改善混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性;

c) 采用赤峰工況驗(yàn)證GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)效果,GA優(yōu)化能夠達(dá)到優(yōu)異的協(xié)調(diào)控制性能。