陳子郵 陸寶琛 馬曉楠 鄭偉光,

(1、東風(fēng)柳州汽車有限公司,廣西 柳州545005 2、桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林541004)

隨著能源短缺問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題的日益凸顯,傳統(tǒng)燃油商用車已經(jīng)無(wú)法滿足人們的各項(xiàng)需求,因此混合動(dòng)力汽車得到快速的發(fā)展[1]。純電動(dòng)汽車受充電設(shè)備和動(dòng)力電池容量的影響,難以滿足駕駛員對(duì)長(zhǎng)續(xù)航里程的要求[2]。油電混合動(dòng)力汽車將傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái),成為當(dāng)下滿足排放法規(guī)與提升經(jīng)濟(jì)性的一種可行方案。

行星排混合動(dòng)力系統(tǒng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電機(jī)、行星排機(jī)構(gòu)和離合器等機(jī)構(gòu),這些機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)會(huì)在車輛行駛工程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變化,整車運(yùn)行特性復(fù)雜,控制難度較大。能量控制策略作為混合動(dòng)力汽車的研究核心,其研究對(duì)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展具有重要意義[3-4]。目前,常見(jiàn)的能量管理策略主要有兩種：分別為基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略?；谝?guī)則的控制策略具有算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn),但往往無(wú)法達(dá)到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性[5];基于優(yōu)化的控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性,但是算法復(fù)雜、計(jì)算量大、硬件要求較高等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用[6]。

本文以某款行星排混合動(dòng)力商用車為研究對(duì)象,根據(jù)行星排機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池和電機(jī)的特性,以提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性為目的,利用MLATLAB/simulink 軟件搭建能量管理策略模型。該能量管理策略包括駕駛員扭矩需求模塊、工作模式控制模塊、動(dòng)力電池SOC控制模塊和扭矩分配模塊。然后基于AVL Cruise 軟件完成整車模型的搭建,并與搭建的能量管理策略模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的能量管理策略能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的基本控制,駕駛員的需求扭矩估算較為準(zhǔn)確,合理的規(guī)則使得行車模式的切換較為平順,扭矩的分配較為合理,對(duì)混合動(dòng)力汽車后續(xù)基于優(yōu)化的能量管理策略的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 行星排動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型及參數(shù)

混合動(dòng)力汽車的能量管理策略是基于對(duì)行星排動(dòng)力系統(tǒng)的控制,故對(duì)行星排動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析。

行星排混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1 所示,整車建模及動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù),如表1 所示。該動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)1、電機(jī)2、動(dòng)力電池和行星排機(jī)構(gòu)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)與行星排PG1 的行星架連接,電機(jī)1 與行星排PG1 的太陽(yáng)輪相連,電機(jī)2 與行星排PG2的太陽(yáng)輪相連,行星排PG2 的行星架固定,兩個(gè)行星排的外齒圈相連提供動(dòng)力輸出。其中行星排PG1 負(fù)責(zé)扭矩的分配,行星排PG2僅起到減速器的作用。行星排PG1 是該動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力耦合裝置,通過(guò)行星排PG1 實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出端轉(zhuǎn)速的解耦,使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)效率區(qū)間成為可能。

圖1 行星排混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)圖

表1 整車及動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

2 基于規(guī)則的能量管理策略

根據(jù)上述行星排動(dòng)力系統(tǒng),設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)的控制策略。該策略能夠根據(jù)駕駛員的操作準(zhǔn)確評(píng)估駕駛員的需求扭矩,并根據(jù)當(dāng)前的車輛信息控制行車模式的切換,最后通過(guò)扭矩分配模塊將駕駛員的需求扭矩分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)電機(jī),完成整車的驅(qū)動(dòng)。

2.1 駕駛員需求扭矩的估算。通過(guò)駕駛員對(duì)加速踏板的操作以及當(dāng)前的車速信息,合理準(zhǔn)確的對(duì)駕駛員的需求扭矩進(jìn)行估算是能量管理策略的基礎(chǔ)[7]。

行星排混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)輪與行星排外齒圈之間是齒輪連接,每一車速v均對(duì)應(yīng)唯一的齒圈轉(zhuǎn)速ωr。每一齒圈轉(zhuǎn)速ωr對(duì)應(yīng)一電機(jī)2 轉(zhuǎn)速ωMG2和若干組發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)1 的轉(zhuǎn)速組合[ωEng,ωMG1]。由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωEng查表發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作曲線得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩TEng_Max；由電機(jī)1 轉(zhuǎn)速ωMG1查表電機(jī)1的外特性曲線得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)1 的最大輸出扭矩TMG1_Max,由電機(jī)2 轉(zhuǎn)速ωMG2查表電機(jī)的外特性曲線得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)2 的最大輸出扭矩TMG2_Max。每一齒圈轉(zhuǎn)速ωr下對(duì)應(yīng)若干組電機(jī)1 最大輸出扭矩組合與發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩[TMG1_Max,TEng_Max],根據(jù)行星排扭矩分配特性,行星排PG1 外齒圈的最大扭矩為：

行星排PG2 外齒圈的最大扭矩TR2_Max=TMG2_Max,所以外齒圈的最大輸出扭矩TR_Max=TR1_Max+TR2_Max。根據(jù)公式(2)可以確定當(dāng)前車速v所對(duì)應(yīng)的行星排外齒圈轉(zhuǎn)速：

式中v為當(dāng)前車速(km/h),i 為主減減速比,r 為車輪半徑(m)。

因此可以確定動(dòng)力系統(tǒng)的輸出外特性曲線如圖2 所示。根據(jù)當(dāng)前車速查表獲得該車速下的最大扭矩,并將該轉(zhuǎn)矩作為全負(fù)荷狀態(tài)下的駕駛員需求扭矩。通過(guò)駕駛員對(duì)加速踏板的操作,獲得加速踏板的開度信息,求得不同踏板開度下駕駛員的需求轉(zhuǎn)矩,其公式為：

式中：ACC為加速踏板開度,Tmax(n)為轉(zhuǎn)速n 的最大扭矩。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)的輸出外特性曲線

2.2 行車模式控制。將車輛的行車模式分為純電動(dòng)模式、混動(dòng)模式和高速模式,為確保發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的順暢性,增加了mode3(發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)請(qǐng)求模式)和mode4(發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)請(qǐng)求模式)。純電動(dòng)模式分純電動(dòng)模式1 和純電動(dòng)模式2,mode1(純電動(dòng)模式1),行星排PG1 的行星架鎖死,MG1 提供扭矩,MG2 不提供扭矩；mode2 (純電動(dòng)模式2),行星排PG1 的行星架鎖死,MG1 和MG2 提供扭矩?；靹?dòng)模式分混動(dòng)模式1 和混動(dòng)模式2,mode5(混動(dòng)模式1),MG1 為發(fā)電機(jī),MG2不提供扭矩,發(fā)動(dòng)機(jī)提供全部驅(qū)動(dòng)扭矩；mode6 (混動(dòng)模式2),MG1為發(fā)電機(jī),MG2 和發(fā)動(dòng)機(jī)一起提供扭矩。高速模式分高速模式1 和高速模式2,mode7(高速模式1),行星排PG1 的行太陽(yáng)輪鎖死,MG2不提供扭矩,發(fā)動(dòng)機(jī)提供全部扭矩；mode8(高速模式2),行星排PG1的行太陽(yáng)輪鎖死,MG2 和發(fā)動(dòng)機(jī)提供扭矩。

圖3 行車模式的切換邏輯及判斷條件

汽車在行駛過(guò)程中行車模式的切換邏輯及判斷條件如圖3 所示。圖3 中,SOCmin為電池SOC下限值,vmin為發(fā)動(dòng)機(jī)開啟的最小車速,nstr為發(fā)電機(jī)開啟的最小轉(zhuǎn)速,nstp為發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的轉(zhuǎn)速,Th為混動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大扭矩,vh為車輛啟動(dòng)高速模式的車速,Td為高速模式下發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大扭矩。根據(jù)電機(jī)響應(yīng)快、在低速時(shí)也有較高效率的優(yōu)點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速下才能具有較高經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。模式切換條件遵循在低速下優(yōu)先純電動(dòng)模式,中高速優(yōu)先混動(dòng)模式的原則。

2.3 動(dòng)力電池控制。動(dòng)力電池SOC 的控制是整個(gè)能量控制策略的關(guān)鍵,控制SOC在一個(gè)合理的范圍能夠有利于整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的提高,通過(guò)SOC的平衡控制確定發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速請(qǐng)求和目標(biāo)扭矩請(qǐng)求。電池功率的控制主要依據(jù)電池SOC值的大小,電池SOC值較小時(shí),電池的功率為負(fù)值發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率驅(qū)動(dòng)車輛行駛的同時(shí)為電池充電；電池SOC較大時(shí),電池的功率為正值電功率通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

動(dòng)力電池SOC 與電池功率對(duì)應(yīng)關(guān)系采用查表方式,電池功率的最大值根據(jù)電機(jī)功率最大值設(shè)置,如圖4 所示。

圖4 動(dòng)力電池SOC 與電池功率對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 扭矩分配控制。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩主要依據(jù)動(dòng)力電池SOC 值的大小,電機(jī)MG1 的扭矩采用PID 控制,其主要目的是維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,電機(jī)MG2 的扭矩控制主要根據(jù)需求扭矩進(jìn)行控制。

3 整車建模及仿真分析

3.1 整車建模。在AVL Cruise 軟件里面將整車模型搭建出來(lái)與基于規(guī)則的能量管理策略進(jìn)行聯(lián)合仿真,整車結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

3.2 仿真分析。在搭建好的整車模型上完成仿真分析,仿真采用NEDC 循環(huán)工況,模式控制如圖6 所示,扭矩分配如圖7 所示,仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的能量管理策略能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的基本控制,合理的進(jìn)行模式的切換,扭矩分配也較為合理。

圖5 整車結(jié)構(gòu)模型

圖6 模式控制

圖7 扭矩分配

4 結(jié)論

針對(duì)行星排混合動(dòng)力汽車所設(shè)計(jì)的能量管理策略主要包括駕駛員需求扭矩估算模塊、行車模式控制模塊、動(dòng)力電池控制模塊和扭矩分配控制模塊。通過(guò)設(shè)置合理閾值規(guī)則使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)工作曲線,動(dòng)力電池工作在充放電的高效區(qū)。所設(shè)計(jì)的能量管理策略能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的基本控制,合理的進(jìn)行模式的切換,扭矩分配較為合理,為后續(xù)采用優(yōu)化方法設(shè)計(jì)能量管理策略具有一定指導(dǎo)意義。