基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化的行星排混動(dòng)系統(tǒng)控制研究

雷永超 程林 劉城 帥春桃 李帥

摘? 要：行星排混動(dòng)車(chē)輛油耗測(cè)試過(guò)程中存在油門(mén)開(kāi)度頻繁波動(dòng)、油門(mén)制動(dòng)頻繁切換的現(xiàn)象，而當(dāng)前能量管理策略中發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)與油門(mén)和制動(dòng)強(qiáng)耦合，導(dǎo)致車(chē)速跟隨過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程偏多，具體表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻繁、實(shí)際轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)平均工作效率低、油耗惡化。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)功率濾波與啟停時(shí)刻優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化方法，且在CHTC-LT工況下驗(yàn)證了所提方法的有效性。轉(zhuǎn)鼓測(cè)試數(shù)據(jù)表明，本文所提的優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率提升了4%，整車(chē)經(jīng)濟(jì)性提升了6%。

關(guān)鍵詞：行星排混動(dòng)系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)效率；油耗優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2024）03-0010-05

Research on Control of Planetary Hybrid System Based on Engine Working Point Optimization

Abstract： During the fuel consumption testing process of planetary hybrid vehicles， there are frequent fluctuations in throttle opening and frequent switching of throttle braking. However， in the current energy management strategy， the engine working point is strongly coupled with throttle and braking， resulting in more transient processes of the engine during the speed following process. Specifically， the engine starts and stops frequently， and the actual torque fluctuates greatly， ultimately leading to low average engine efficiency and deterioration of fuel consumption. In response to this issue， this article proposes an engine operating point optimization method based on engine power filtering and start stop time optimization， the effectiveness of the proposed method was verified under CHTC-LT operating conditions. The drum test data shows that the optimization algorithm proposed in this article has achieved a 4% improvement in average engine efficiency and a 6 % improvement in overall vehicle economy.

Key Words： Planetary Hybrid System; Efficiency Of Engine; Fuel Consumption Optimization

1? ? 前言

近年來(lái)，全球氣候危機(jī)日益加劇，環(huán)保節(jié)能成為關(guān)注焦點(diǎn)，全球各地區(qū)不斷推進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)向節(jié)能化與新能源化方向發(fā)展[1]。而商用車(chē)碳排放在汽車(chē)領(lǐng)域碳排放中的占比高達(dá)55%，且汽車(chē)污染物排放主要來(lái)源于商用車(chē)，因此，在“雙碳”目標(biāo)下，商用車(chē)新能源化勢(shì)在必行。在國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)與新能源汽車(chē)大力發(fā)展的背景下，新能源商用車(chē)的滲透率逐年提升，2022年滲透率已超過(guò)15%[2]。

目前，新能源商用車(chē)（輕型載貨汽車(chē)）主要以純電動(dòng)為技術(shù)路線[3]，但是電池成本、電池壽命、整車(chē)成本、續(xù)航里程等因素限制其在全應(yīng)用場(chǎng)景下的推廣。而混合動(dòng)力商用車(chē)通過(guò)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的完美結(jié)合，具備解決動(dòng)力、承載、續(xù)航與節(jié)油的矛盾[4]，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)與全應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)，因此廠商逐漸推廣混合動(dòng)力商用車(chē)。

在各類(lèi)構(gòu)型的混合動(dòng)力商用車(chē)中，行星排混動(dòng)商用車(chē)以節(jié)油率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)得到青睞。但是在實(shí)際油耗測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，跟隨車(chē)速過(guò)程中存在油門(mén)制動(dòng)頻繁切換、油門(mén)頻繁波動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)多瞬態(tài)過(guò)程，最終導(dǎo)致行星排混動(dòng)整車(chē)油耗偏高的問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，本文提出了一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)功率濾波與啟停時(shí)刻優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化方法，且在法規(guī)工況下驗(yàn)證了該方法的有效性。

2? ? 行星排商用車(chē)混動(dòng)系統(tǒng)

本文提出的行星排混動(dòng)系統(tǒng)與豐田普銳斯混動(dòng)系統(tǒng)[5，6]不同，混動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，主要是為了適應(yīng)輕型商用車(chē)高承載、強(qiáng)動(dòng)力的需求。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架連接，發(fā)電機(jī)MG1與太陽(yáng)輪連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2與齒圈連接?；旌舷到y(tǒng)動(dòng)力傳遞路徑（紅色箭頭所示）如下：發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)扭轉(zhuǎn)減震器傳遞到行星架，一部分動(dòng)力分流至發(fā)電機(jī)MG1發(fā)電，一部分動(dòng)力分流至齒圈與驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2動(dòng)力耦合后傳遞到后橋主減速器與車(chē)輪。通過(guò)合理控制MG1與MG2的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)與動(dòng)力電池電量的目的。

3? ? 基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化的策略架構(gòu)

針對(duì)當(dāng)前行星排混動(dòng)系統(tǒng)能量管理策略[9]的缺陷，本文提出一種新型的能量策略架構(gòu)，如圖2所示。

圖2所示的能量管理策略中，首先通過(guò)擋位、油門(mén)與制動(dòng)踏板開(kāi)度判斷車(chē)輛處于驅(qū)動(dòng)或者制動(dòng)過(guò)程，若車(chē)輛處于滑行或者制動(dòng)過(guò)程中，為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停，加入發(fā)動(dòng)機(jī)延時(shí)停機(jī)判斷邏輯，當(dāng)處于滑行或者制動(dòng)模式中的持續(xù)時(shí)間在3s內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)保持最低功率一工作，發(fā)動(dòng)機(jī)多余動(dòng)力通過(guò)電機(jī)MG2反拖發(fā)電；持續(xù)時(shí)間超過(guò)3s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。若車(chē)輛處于驅(qū)動(dòng)過(guò)程，則根據(jù)以下流程計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2需求轉(zhuǎn)矩。通過(guò)車(chē)速與油門(mén)開(kāi)度計(jì)算得到輪端驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)功率；由于輪端驅(qū)動(dòng)功率頻繁波動(dòng)，若發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)全部的輪端驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)頻繁波動(dòng)，油耗惡化。因此，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)功率濾波與分級(jí)方法，如圖3所示。首先將輪端驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行平均濾波與分級(jí)，根據(jù)從小到大的順序分為停機(jī)功率段、第一功率段、第二功率段，以此類(lèi)推，當(dāng)處于停機(jī)功率段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。在其余每個(gè)功率段中選取對(duì)應(yīng)的目標(biāo)功率，為了防止頻繁波動(dòng)，在計(jì)算目標(biāo)功率時(shí)加入了功率延時(shí)確認(rèn)環(huán)節(jié)。在得到穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率后，發(fā)動(dòng)機(jī)只需要承擔(dān)此穩(wěn)態(tài)功率即可。隨后將此功率通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)功率曲線可得到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩。調(diào)速電機(jī)MG1作用是調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與需求轉(zhuǎn)速差，利用前饋+PI方法計(jì)算得到發(fā)電機(jī)MG1需求轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用是補(bǔ)充（或消除）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，利用電機(jī)響應(yīng)快的特點(diǎn)，通過(guò)輪端需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩即可計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要提供的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩。

4? ? 轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)分析

本節(jié)通過(guò)轉(zhuǎn)鼓油耗測(cè)試驗(yàn)證本文所提策略的有效性，轉(zhuǎn)鼓測(cè)試如圖4所示，測(cè)試工況為CHTC_LT。測(cè)試過(guò)程中車(chē)速跟隨如圖5所示，需求車(chē)速與實(shí)際車(chē)速誤差始終在誤差運(yùn)行范圍內(nèi)，優(yōu)化前油門(mén)與制動(dòng)開(kāi)度與發(fā)動(dòng)機(jī)啟停未解耦，從圖6所示的優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)落點(diǎn)可以看出，優(yōu)化前策略發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻繁，低效率區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)落點(diǎn)較多，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)平均熱效率低。而優(yōu)化后的策略一定程度上解耦了油門(mén)、制動(dòng)踏板與發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的耦合關(guān)系，在油門(mén)開(kāi)度頻繁變化時(shí)，可以維持發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性；在油門(mén)與制動(dòng)頻繁切換過(guò)程中，優(yōu)化的策略可以維持發(fā)動(dòng)機(jī)少啟停，例如駕駛員為了實(shí)時(shí)跟隨車(chē)速，存在短時(shí)間（2s內(nèi)）頻繁松踩油門(mén)的現(xiàn)象，優(yōu)化前的策略在此區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁關(guān)機(jī)與開(kāi)機(jī)，而優(yōu)化后的策略可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在此期間內(nèi)低功率穩(wěn)定工作，如圖7優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)落點(diǎn)圖所示，低扭矩區(qū)間為發(fā)動(dòng)機(jī)低效率區(qū)間，此區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)落點(diǎn)大大減少，混動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)工作點(diǎn)均落在中高功率的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)線上。

本文統(tǒng)計(jì)了優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與熱效率數(shù)據(jù)，如表1、表2所示。可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前混動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩低于190Nm下發(fā)動(dòng)機(jī)油耗占比達(dá)到4%，而優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩低于190Nm下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗占比僅為0.58%，說(shuō)明低扭矩區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)工作大大減少，促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)平均熱效率從39.4%提升為40.96%，提升率達(dá)到4%。實(shí)車(chē)油耗從9.7L降至9.1L/100km，提升率為6%。

5? ? 結(jié)論

針對(duì)行星排混動(dòng)車(chē)輛當(dāng)前能量管理策略存在的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程多導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)平均熱效率低、節(jié)油率低問(wèn)題，本文提出了一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)功率濾波與啟停時(shí)刻優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化方法，通過(guò)轉(zhuǎn)鼓測(cè)試驗(yàn)證了所提方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明了本文所提方法大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的低扭矩區(qū)間落點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率提升了4%，整車(chē)經(jīng)濟(jì)性提升了6%。

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