增程式電動(dòng)汽車(chē)控制策略的優(yōu)化*

閔海濤，葉冬金，于遠(yuǎn)彬

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025)

前言

國(guó)外AVL、MAHLE和FEV等公司在增程式純電動(dòng)車(chē)整車(chē)控制方面進(jìn)行了多年的研究與實(shí)踐，但主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)/區(qū)域及其控制效果進(jìn)行研究，這種方法并不能確定所制定的控制策略與系統(tǒng)能達(dá)到的最佳性能的接近程度。為解決此問(wèn)題，本文中利用NSGA-II算法，以系統(tǒng)循環(huán)損失能量最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

1 增程式電動(dòng)汽車(chē)的構(gòu)型與控制策略

1.1 增程式電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)

增程式電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是在傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)上加裝發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組，如圖1所示。因此純電動(dòng)汽車(chē)所具備的特點(diǎn)在增程式電動(dòng)汽車(chē)上依然具備［3］。與傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車(chē)相比，增程式電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小，電機(jī)和電池功率較大，電池可向電網(wǎng)充電。

本文中所用增程式電動(dòng)汽車(chē)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 增程式電動(dòng)汽車(chē)仿真模型參數(shù)

1.2 增程式電動(dòng)汽車(chē)控制策略

增程式電動(dòng)汽車(chē)電池組工作模式如圖2所示。增程式純電動(dòng)車(chē)在電池充滿(mǎn)電的初期行駛階段，整車(chē)的需求功率完全由動(dòng)力電池提供，發(fā)動(dòng)機(jī)不參與工作，此時(shí)增程式純電動(dòng)車(chē)相當(dāng)于純電動(dòng)汽車(chē);當(dāng)電池組的能量消耗到一定程度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，與動(dòng)力電池協(xié)同工作，此時(shí)增程式純電動(dòng)車(chē)相當(dāng)于混合動(dòng)力汽車(chē)。增程式純電動(dòng)車(chē)電池容量只須滿(mǎn)足城市大部分人員每天行駛里程的要求，所以與純電動(dòng)汽車(chē)相比，電池成本大幅下降;而增程式純電動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，主要是為避免駕駛員對(duì)行駛里程的擔(dān)憂(yōu)，并且只是在電池電量不足時(shí)才起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)須提供車(chē)輛所有的動(dòng)力需求，其功率可顯著降低。

1.2.1 增程式電動(dòng)汽車(chē)工作模式

增程式純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)有兩個(gè)動(dòng)力源:發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組(增程器，或稱(chēng)輔助動(dòng)力單元)和動(dòng)力電池組。根據(jù)兩個(gè)動(dòng)力源不同的能量分配形式，增程式純電動(dòng)車(chē)的基本運(yùn)行模式有:EV模式、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)行車(chē)發(fā)電模式和制動(dòng)能量回收模式等。圖3(a)為EV模式:發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組不參與工作，車(chē)輛以動(dòng)力電池組消耗能量的形式行駛，此時(shí)電池組的電量在不斷消耗，即SOC不斷減少。圖3(b)為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式:發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車(chē)行駛，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不足以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛時(shí)，動(dòng)力電池提供功率需求不足的部分。圖3(c)為發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)行車(chē)發(fā)電模式:這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率超出車(chē)輛需求的部分向動(dòng)力電池充電，以此提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率和整車(chē)能量利用率。圖3(d)為制動(dòng)能量回收模式，車(chē)輛在滑行或制動(dòng)時(shí)動(dòng)力總成進(jìn)入該模式:當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板或猛抬加速踏板時(shí)，整車(chē)進(jìn)入制動(dòng)能量回收模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，給動(dòng)力電池組充電。這種模式下，電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)聯(lián)合作用，二者的分配比例由整車(chē)行駛狀態(tài)決定。

1.2.2 整車(chē)驅(qū)動(dòng)策略

與很多其他國(guó)家比較而言，現(xiàn)階段我國(guó)的小學(xué)語(yǔ)言識(shí)字過(guò)程缺乏新穎的方法模式。處于低年級(jí)的小學(xué)生他們思想與心智都不夠成熟，識(shí)字教學(xué)還存在相應(yīng)的困難。乏味呆板的識(shí)字過(guò)程并不能激起他們學(xué)習(xí)的興趣，怎樣改變傳統(tǒng)枯燥的教學(xué)方法引發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣便是關(guān)鍵課題。

整車(chē)驅(qū)動(dòng)策略設(shè)定了3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)和基于車(chē)速切換的上、下限值，在工作中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)或工作段是通過(guò)比較車(chē)速的當(dāng)前值與切換限值來(lái)進(jìn)行切換，這樣能夠使系統(tǒng)更高效穩(wěn)定地工作，并能簡(jiǎn)化整車(chē)控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)三點(diǎn)控制策略的規(guī)則如下:

(1)根據(jù)整車(chē)功率需求，在發(fā)動(dòng)機(jī)中尋找輕、中、高負(fù)荷的3個(gè)工作點(diǎn)，見(jiàn)圖4，分別記為PL、PM和PH，這3個(gè)點(diǎn)均為相應(yīng)功率下的最佳燃油經(jīng)濟(jì)點(diǎn);

(2)設(shè)定車(chē)速切換上下限值為vH、vL，二者的值分別為80和50km/h;

(3)在電量消耗模式，動(dòng)力電池提供車(chē)輛行駛所有的功率需求;

(4)在電量保持模式，采用APU為主、電池為輔的控制模式。第1種情況是當(dāng)電池能輸出的功率足夠并且SOC值大于設(shè)定的下限值時(shí)，這種情況下當(dāng)車(chē)速大于vH時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高負(fù)荷的PH點(diǎn)，當(dāng)車(chē)速介于vL～vH時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在介于高負(fù)荷和中負(fù)荷的PM點(diǎn)，當(dāng)車(chē)速小于vL時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于低負(fù)荷的PL點(diǎn);第2種情況是當(dāng)電池能輸出的功率不足，并且SOC值小于設(shè)定的下限時(shí)，判斷車(chē)速是否大于vH，當(dāng)滿(mǎn)足條件時(shí)工作在PH點(diǎn)，否則工作在PM點(diǎn)。

該控制策略利用了增程式純電動(dòng)車(chē)增程器工作狀況不用跟隨負(fù)載功率需求的特點(diǎn)，通過(guò)在第(1)、(2)步中設(shè)定的多工作點(diǎn)工作模式和車(chē)速切換限值，減小了車(chē)速波動(dòng)大的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的切換頻率，第(3)步保證了電流消耗模式下的純動(dòng)力電池工作狀態(tài)，而通過(guò)第(4)步的工作點(diǎn)切換策略，在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上也使動(dòng)力電池SOC穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)，這有利于提高動(dòng)力電池的效率和使用壽命。

2 增程式電動(dòng)汽車(chē)控制策略?xún)?yōu)化分析

在控制策略設(shè)計(jì)中須解決的一個(gè)非常重要的問(wèn)題:對(duì)于已經(jīng)確定的增程式純電動(dòng)車(chē)的系統(tǒng)配置，實(shí)際制定的控制策略得到的性能是否接近系統(tǒng)能達(dá)到的最佳性能。本文中對(duì)增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保所制定的控制策略得到的整車(chē)性能盡量接近系統(tǒng)能達(dá)到的最佳性能。

2.1 NSGA-II優(yōu)化算法

帶精英策略的非支配遺傳基因算法(NSGA-II)具有較強(qiáng)的全局搜索和求解問(wèn)題的能力，魯棒性強(qiáng)，適用于并行處理，是一種比較好的全局優(yōu)化方法［4－5］。

針對(duì)增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略?xún)?yōu)化的問(wèn)題，將NSGA-II算法在增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略?xún)?yōu)化問(wèn)題的應(yīng)用流程總結(jié)為:首先，隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體形成初始種群Pt，得到子代種群Qt，將子代種群與父代種群組合成大小為2N的種群Rt;其次，對(duì)種群Rt中的個(gè)體進(jìn)行非支配排序和擁擠度計(jì)算，從中選擇最優(yōu)的N個(gè)個(gè)體存入種群Pt+1中;最后，對(duì)新種群Pt+1進(jìn)行遺傳算法的基本操作(選擇、交叉、變異)產(chǎn)生新的子代種群Qt+1，查看迭代代數(shù)是否滿(mǎn)足要求，如果沒(méi)有，將Pt+1和Qt+1組合成大小為2N的種群Rt+1，并重復(fù)上述操作，如果滿(mǎn)足，則停止迭代。經(jīng)選定不同迭代代數(shù)的多輪實(shí)驗(yàn)，確定迭代代數(shù)為80，因此時(shí)種群的質(zhì)量已趨穩(wěn)定。

2.2 優(yōu)化變量

在增程式純電動(dòng)車(chē)的控制策略中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)是隨著車(chē)速不同而切換的，用到兩個(gè)限值(工作點(diǎn)1/2切換限值、工作點(diǎn)2/3切換限值)以切換發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，這兩個(gè)限值分別用cyc_mph_low和cyc_mph_high表示，現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使整車(chē)效率得到提高。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)起停的頻繁程度對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性也有影響，所以將發(fā)動(dòng)機(jī)最短關(guān)閉時(shí)間(cs_min_off_time)也作為優(yōu)化變量。所選取的優(yōu)化變量和各變量的上下限值如表2所示。

表2 優(yōu)化變量

2.3 優(yōu)化目標(biāo)

本文中的優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)循環(huán)損失能量最小。也就是合理分配循環(huán)中的每個(gè)控制量，在整車(chē)需求功率一定的情況下，使功率源能量傳遞效率和制動(dòng)能量回收效能綜合最優(yōu)。增程式純電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力源有增程器和動(dòng)力電池，所以功率源能量傳遞效率包括增程器輸出功率經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)整車(chē)的效率和動(dòng)力電池輸出功率經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)整車(chē)的效率兩部分。優(yōu)化目標(biāo)為

式中:J為系統(tǒng)循環(huán)損失能量;Pfc(t)、Pbat(t)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的輸出功率;Qreg(t)為單位時(shí)間制動(dòng)回收能量;Pneed(t)為整車(chē)輸出功率。

2.4 約束條件

約束條件為整車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)、純電動(dòng)續(xù)駛里程和電池循環(huán)壽命，其中整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)約束即動(dòng)力部件應(yīng)滿(mǎn)足表3中整車(chē)最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度的要求，將動(dòng)力性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池功率大小的約束，即

式中:Pneed(vmax)為最高車(chē)速時(shí)的功率需求;ηeff、ηmot分別為機(jī)械傳動(dòng)效率和電機(jī)效率;Pi(v)為坡度為i且車(chē)速為v時(shí)的功率需求;Tmot為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;io、ig分別為主減速器和變速器速比;r為車(chē)輪半徑;Pfc_max和 Pbat_max分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的最大輸出功率。

表3 約束條件

整車(chē)純電動(dòng)續(xù)駛里程約束不能通過(guò)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算得出，須根據(jù)相應(yīng)循環(huán)工況下的電池能量需求綜合計(jì)算得到。而電池循環(huán)壽命約束與電池SOC使用范圍息息相關(guān)，為保證一定純電動(dòng)續(xù)駛里程，電池SOC使用范圍不能太窄，但電池循環(huán)壽命要求又限制了電池SOC的使用范圍。

2.5 優(yōu)化結(jié)果與分析

由于增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略參數(shù)優(yōu)化的非線(xiàn)性和復(fù)雜性，須借助仿真軟件ADVISOR2002來(lái)計(jì)算整車(chē)油耗和動(dòng)力性。優(yōu)化過(guò)程如下:首先通過(guò)優(yōu)化程序NSGA-II調(diào)用仿真軟件ADVISOR2002中的增程式純電動(dòng)車(chē)整車(chē)模型，并賦初始值給優(yōu)化變量，由ADVISOR2002計(jì)算出增程式純電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)循環(huán)損失能量目標(biāo)函數(shù)值和整車(chē)動(dòng)力性能約束函數(shù)，并將值返回給NSGA-II進(jìn)行約束判斷，對(duì)滿(mǎn)足約束的解進(jìn)行尋優(yōu)，直至尋找到最優(yōu)的解集［6－7］。

增程式純電動(dòng)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，電池的能量利用率較增程器高，所以希望電量消耗模式能夠盡量長(zhǎng)，但受電池循環(huán)壽命的影響，電池SOC的使用范圍有限，本文中的優(yōu)化過(guò)程主要考慮的是電量保持模式下，增程器與動(dòng)力電池的能量綜合利用率盡量高。

優(yōu)化過(guò)程的循環(huán)工況選擇NEDC工況，將增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略參數(shù)采用NSGA-II算法進(jìn)行優(yōu)化。NSGA-II參數(shù)設(shè)置如下:種群規(guī)模為90，進(jìn)化代數(shù)為90，優(yōu)化前后單位時(shí)間電池?fù)p失能量如圖5所示，優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況如圖6所示，優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化結(jié)果

由圖5可知，優(yōu)化后單位時(shí)間電池?fù)p失能量雖然在局部某些地方較優(yōu)化前上升，但總體而言，優(yōu)化后的單位時(shí)間電池?fù)p失能量明顯下降，經(jīng)過(guò)計(jì)算，優(yōu)化前單位時(shí)間電池平均損失能量為105.34W/h，優(yōu)化后則減小到 81.94W/h，較優(yōu)化前下降了22.22%，電池?fù)p失能量大為減少。這說(shuō)明優(yōu)化后電池能量利用率得到有效提高。

由圖6可知，優(yōu)化結(jié)果減小了工作點(diǎn)1/2切換限值(cyc_mph_low)而增大了工作點(diǎn)2/3切換限值(cyc_mph_high)，這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作于第2個(gè)工作點(diǎn)的效率相對(duì)較高，優(yōu)化結(jié)果增加了發(fā)動(dòng)機(jī)工作于第二點(diǎn)的幾率，這能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，并降低系統(tǒng)循環(huán)損失能量，但這兩個(gè)值不能過(guò)于拉大，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最優(yōu)效率點(diǎn)，但如果動(dòng)力電池組輸出功率的變化范圍較大，將不利于整車(chē)效率的提高。而增大發(fā)動(dòng)機(jī)最小關(guān)閉時(shí)間(cs_min_off_time)主要是為避免發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)閉動(dòng)作過(guò)于頻繁，但這個(gè)值也不能過(guò)大，因?yàn)榇藭r(shí)整車(chē)所需能量只從動(dòng)力電池組獲得，動(dòng)力電池組必須滿(mǎn)足整車(chē)所有的功率需求，造成動(dòng)力電池有可能大電流放電，對(duì)其壽命不利。

從表4可知，在保證動(dòng)力性能的前提下，整車(chē)一個(gè)NEDC循環(huán)的系統(tǒng)循環(huán)損失能量從優(yōu)化前的2.2067kW·h下降到優(yōu)化后的2.0604kW·h，降低了6.63%。由此可見(jiàn)，通過(guò)NSGA-II優(yōu)化算法，找到了一組更好的控制參數(shù)，該優(yōu)化結(jié)果是有效的，應(yīng)用NSGA-II對(duì)增程式純電動(dòng)車(chē)控制策略參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化切實(shí)可行。

3 結(jié)論

(1)增程式電動(dòng)汽車(chē)的工作模式分為電量消耗模式和電量保持模式。其整車(chē)驅(qū)動(dòng)策略的思想是使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于效率較高的3個(gè)工作點(diǎn)，這樣既能避免在功率跟隨控制策略下效率不高的缺陷;又能防止在恒溫器控制策略下，當(dāng)電池SOC較低時(shí)，為提供充足的功率，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速較高，整車(chē)噪聲較大的不足。

(2)以系統(tǒng)循環(huán)損失能量最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用帶精英策略的非支配遺傳基因算法，對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，所提出的優(yōu)化算法可以找到一組全局優(yōu)化的控制參數(shù)，整車(chē)效率得到有效提高。

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