基于駕駛意圖識(shí)別的混合動(dòng)力公鐵車控制策略建模與仿真

孫燕 喻劍

（1. 陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系，天津300161；2. 中國(guó)人民解放軍31603部隊(duì)，徐州221000）

主題詞：混合動(dòng)力公鐵車 駕駛意圖識(shí)別 控制策略 建模仿真

0 前言

目前，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)廣泛采用的控制策略主要有功率跟隨控制策略及恒溫器控制策略[1]。功率跟隨型控制策略能夠根據(jù)動(dòng)力電池組SOC 值來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，避免動(dòng)力電池組出現(xiàn)深度放電情況，有利于延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命，但該控制策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)最優(yōu)，整車燃油經(jīng)濟(jì)性較差。恒溫器型控制策略下，動(dòng)力電池電量不足時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可控制發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，但發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停，會(huì)使動(dòng)力系統(tǒng)整體效率降低，動(dòng)力電池使用壽命縮短[2-3]。

針對(duì)以上控制策略的不足，本文提出“駕駛意圖識(shí)別與恒溫器”聯(lián)合控制策略（以下統(tǒng)稱“基于駕駛意圖識(shí)別控制策略”）。該控制策略是在驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)意圖識(shí)別的基礎(chǔ)上對(duì)整車實(shí)現(xiàn)控制，因此又可分為驅(qū)動(dòng)意圖控制策略與制動(dòng)意圖控制策略。

1 駕駛意圖識(shí)別建模

混合動(dòng)力公鐵牽引車[4]駕駛意圖識(shí)別過(guò)程如下。

(1)對(duì)輸入的加速踏板開度、制動(dòng)踏板開度、車速等信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，若加速踏板開度信號(hào)不為0，則進(jìn)一步計(jì)算出加速踏板位移變化率，并對(duì)加速緊急程度做出判斷；

(2)若制動(dòng)踏板開度信號(hào)不為0，則進(jìn)一步計(jì)算出制動(dòng)踏板位移變化率，并對(duì)制動(dòng)緊急程度做出判斷；

(3)若加速踏板與制動(dòng)踏板開度信號(hào)同時(shí)為0，則依據(jù)車速信號(hào)對(duì)駐車與滑行制動(dòng)做出判斷。

在MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立的駕駛意圖識(shí)別仿真模型如圖1所示。

圖1 駕駛意圖識(shí)別仿真模型

運(yùn)用MATLAB 中模糊邏輯工具箱建立驅(qū)動(dòng)意圖識(shí)別模塊、制動(dòng)意圖識(shí)別模塊，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)意圖、制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別，最后輸出識(shí)別結(jié)果。

2 動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

不同的識(shí)別結(jié)果對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)力系統(tǒng)工作模式，基于駕駛意圖識(shí)別控制策略[5]的動(dòng)力系統(tǒng)工作模式劃分如下。

（1）牽引車起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率較低，因此選用純電動(dòng)模式起動(dòng)。

（2）平緩加速時(shí)，為提高燃油經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池組充電使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩Tout大于需求扭矩Treq且動(dòng)力電池組SOC小于設(shè)定上限SOChi時(shí)，進(jìn)入行車充電模式；當(dāng)動(dòng)力電池組SOC高于設(shè)定上限SOChi時(shí)，則為純電動(dòng)模式。

（3）一般加速時(shí)，牽引車需求扭矩偏大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩Tout大于需求扭矩Treq時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)工作模式與平緩加速時(shí)相同；當(dāng)輸出扭矩Tout小于需求扭矩Treq且動(dòng)力電池組SOC 大于設(shè)定下限SOClow時(shí)，則為混合驅(qū)動(dòng)模式。

（4）緊急加速時(shí)，牽引車需求扭矩大。當(dāng)動(dòng)力電池組SOC大于設(shè)定下限SOClow時(shí)，進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)動(dòng)力電池組SOC 小于設(shè)定下限SOClow時(shí)，則提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷來(lái)滿足牽引車扭矩需求。

（5）滑行制動(dòng)時(shí)，采用再生制動(dòng)。

（6）平緩制動(dòng)與一般制動(dòng)時(shí)，主要以制動(dòng)能量回收為主，機(jī)械制動(dòng)為輔。考慮到制動(dòng)緊急程度的不同，再生制動(dòng)所占比例也就不同，平緩制動(dòng)情況下再生制動(dòng)比例較大，一般制動(dòng)情況下再生制動(dòng)比例較小。

（7）緊急制動(dòng)時(shí)，為保證駕駛安全，采用機(jī)械制動(dòng)。

3 基于駕駛意圖識(shí)別的控制策略建模

根據(jù)對(duì)混合動(dòng)力公鐵牽引車動(dòng)力系統(tǒng)工作模式的劃分，在Simulink 中建立驅(qū)動(dòng)意圖控制策略模型如圖2。

圖2 驅(qū)動(dòng)意圖控制策略模型

該模型主要包括3部分。

（1）驅(qū)動(dòng)意圖工作模式選擇模塊a；

（2）SOC 邏輯控制模塊b 和發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)以及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊c；

（3）以驅(qū)動(dòng)意圖識(shí)別結(jié)果與動(dòng)力電池SOC 作為輸入信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)意圖工作模式選擇模塊根據(jù)驅(qū)動(dòng)意圖識(shí)別結(jié)果信號(hào)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)工作模式進(jìn)行劃分。SOC 邏輯控制模塊根據(jù)SOC 信號(hào)與工作模式劃分結(jié)果輸出修正SOC 值，與SOC 限制區(qū)域比較后，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)指令。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)需求的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。

制動(dòng)意圖控制策略模型如圖3，該模型主要包括3部分。

圖3 制動(dòng)意圖控制策略模型

(1)再生制動(dòng)力比例控制模塊a；

(2)前軸制動(dòng)力計(jì)算模塊b；

(3)后軸制動(dòng)力計(jì)算模塊c。

前輪制動(dòng)力計(jì)算模塊根據(jù)輸入的車速信號(hào)、機(jī)械制動(dòng)力信號(hào)及前輪制動(dòng)力限制信號(hào)計(jì)算出前輪制動(dòng)力大小。后輪制動(dòng)力計(jì)算模塊根據(jù)機(jī)械制動(dòng)力信號(hào)與前輪制動(dòng)力信號(hào)計(jì)算出后輪制動(dòng)力的大小。

再生制動(dòng)力比例控制模塊根據(jù)傳動(dòng)系制動(dòng)力信號(hào)與制動(dòng)意圖識(shí)別結(jié)果信號(hào)來(lái)調(diào)整輸出的再生制動(dòng)力大小，其計(jì)算模型如圖4。

4 基于駕駛意圖識(shí)別的控制策略仿真與結(jié)果分析

為檢驗(yàn)基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的效果，將恒溫器控制策略和基于駕駛意圖識(shí)別控制策略，在設(shè)定參數(shù)一致的條件下同時(shí)進(jìn)行仿真對(duì)比。混合動(dòng)力公鐵車部件參數(shù)如表1，仿真循環(huán)工況采用C-WTVC 駕駛循環(huán)工況，循環(huán)次數(shù)為3 次，總耗時(shí)3 552 s，總行程為32.79 km。

4.1 電池放電效果仿真分析

恒溫器控制策略和基于駕駛意圖識(shí)別控制策略下的SOC變化曲線如圖5。

圖4 再生制動(dòng)力計(jì)算模型

表1 混合動(dòng)力公鐵車部件參數(shù)

圖5 2種不同控制策略下SOC變化曲線

從2 種控制策略下的SOC 變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在仿真循環(huán)過(guò)程中，相較于原恒溫器控制策略，基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的SOC 值下降更為平緩，說(shuō)明基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的制動(dòng)能量回收效果更為明顯，能有效地提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

仿真結(jié)束時(shí)，采用恒溫器控制策略的SOC 值由0.80 降為0.38，采用基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的SOC值由0.80降為0.47，與恒溫器控制策略相比，采用基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的SOC 值提升了23.7%。說(shuō)明基于駕駛意圖識(shí)別控制策略對(duì)動(dòng)力電池電量利用效率高，有利于提升純電動(dòng)工作時(shí)間。

4.2 電池充電效果仿真分析

動(dòng)力電池在恒溫器控制策略和基于駕駛意圖識(shí)別控制策略下充電效率如圖6。

圖6 動(dòng)力電池充電效率

由圖可見(jiàn)，恒溫器控制策略下，動(dòng)力電池充電效率在0.60～0.8，且工作點(diǎn)較為稀疏，平均充電效率為0.73，動(dòng)力電池充電效率不高；基于駕駛意圖識(shí)別控制策略下，動(dòng)力電池充電效率在0.75～0.9，工作點(diǎn)較為密集，平均充電效率為0.86。相比于恒溫器控制策略，采用基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的動(dòng)力電池充電效率提升了17.8%。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率仿真分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在恒溫器控制策略和基于駕駛意圖識(shí)別控制策略下工作效率如圖7。

由圖7 可見(jiàn)，恒溫器控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)平均工作效率為0.24?；隈{駛意圖識(shí)別控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)平均工作效率為0.25，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布較廣，說(shuō)明該控制策略能實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。2種控制策略下發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率相差不大，但基于駕駛意圖識(shí)別控制策略的控制效果優(yōu)于恒溫器控制策略。相比于恒溫器控制策略，采用駕駛意圖識(shí)別控制策略的發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率提升了4.2%。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)混合動(dòng)力公鐵牽引車工作特點(diǎn)，將制動(dòng)踏板開度、制動(dòng)踏板變化率作為制動(dòng)意圖識(shí)別參數(shù)，建立了駕駛意圖識(shí)別仿真模型。在駕駛意圖識(shí)別的基礎(chǔ)上，制定了混合動(dòng)力公鐵牽引車控制策略，并建立了該控制策略仿真模型。通過(guò)性能仿真，并與恒溫器控制策略仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)基于駕駛意圖識(shí)別控制策略在提升動(dòng)力電池SOC 值、改善動(dòng)力電池充電效率、提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率等方面具有明顯效果。由此可見(jiàn)，基于駕駛意圖識(shí)別控制策略對(duì)混合動(dòng)力公鐵牽引車動(dòng)力系統(tǒng)的控制效果更優(yōu)。

下一步，構(gòu)建混合動(dòng)力公鐵車硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)基于駕駛意圖控制策略進(jìn)行精度提升。