并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略比較研究

王虎++++高曉珍

摘 要：根據(jù)不同控制方法的仿真控制效果和運(yùn)行效率，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，提出模糊控制方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行效率高、實(shí)時(shí)性好和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為并聯(lián)混合動(dòng)力汽車優(yōu)先選擇的控制策略。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)；控制策略；結(jié)果

一、并聯(lián)混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車差異不大，主要是動(dòng)力系統(tǒng)，傳統(tǒng)汽車的能量流動(dòng)是單方面的油箱流入發(fā)動(dòng)機(jī)，再通過傳動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)車輪。而并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的能量流動(dòng)則有兩方面，一是由油箱流入發(fā)動(dòng)機(jī)，二是由蓄電池流入電動(dòng)機(jī)，再通過并排的傳動(dòng)裝置，一起驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)。由于，動(dòng)力系統(tǒng)具有差異，所以控制策略上也會(huì)有所差別。

二、不同控制策略比較

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車采用的控制方法有基線控制、模糊控制、實(shí)時(shí)最優(yōu)控制等。為比較各控制方法的性能，模擬計(jì)算用到的汽車基本參數(shù)如下：汽油機(jī)功率41kW/6000rpm，電機(jī)峰值功率75 kW/4000rpm， m = 1350 kg， 12V26Ah-VRLA電池，車輪半徑r = 0.28 m，滾動(dòng)阻力系數(shù)f = 0.008，迎風(fēng)面積A = 2 m2，風(fēng)阻系數(shù)Cd= 0.335，扭矩耦合比ic= 1.73。

（一）基線控制策略（ BCS）

基線控制實(shí)際是一種固定的門限值控制方法，即根據(jù)不同工況來決定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)控制在有限區(qū)域內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。在基線控制中，電機(jī)在以下幾種情況下工作：

1、當(dāng)汽車速度小于最小設(shè)定車速時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)提供全部的驅(qū)動(dòng)力矩；

2、在發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)，如果汽車需求的驅(qū)動(dòng)力矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供的最大驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力矩不足部分來滿足汽車動(dòng)力性要求；

3、在給定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低效區(qū)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)提供汽車所需的驅(qū)動(dòng)力矩；

4、當(dāng)電池組的荷電狀態(tài)state of charge（SOC）低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將提供額外扭矩來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池組充電，以維持電池組要求的SOC狀態(tài)。

（二）實(shí)時(shí)適應(yīng)控制策略（ RTCS）

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩工作范圍較寬，其燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)域與最低排放區(qū)不同，并且排放物NOX、HC和顆粒PM最低值的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域也各不相同。為了獲得理想的整車性能，必須折中處理燃油經(jīng)濟(jì)性和排放之間的關(guān)系。當(dāng)汽車工況發(fā)生變化時(shí)，按照傳統(tǒng)的固定閾值控制方法，要找到滿足性能要求的最佳工作點(diǎn)比較困難。實(shí)時(shí)適應(yīng)控制就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放運(yùn)行特點(diǎn)，利用最優(yōu)控制原理，折中考慮燃油經(jīng)濟(jì)性和各排放物的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并使目標(biāo)函數(shù)值最小來實(shí)現(xiàn)燃油消耗和各排放物都較少的目標(biāo)。

（三）模糊控制策略（ FCS）

模糊控制實(shí)際上是基于知識(shí)庫的一種智能控制方式，控制效果與專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的提煉準(zhǔn)確程度有很大關(guān)系。由于混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)非線性和時(shí)變的特點(diǎn)，用線性系統(tǒng)控制方法難于實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。而模糊控制具有無需建模和對(duì)時(shí)變系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，在汽車系統(tǒng)控制中得到廣泛應(yīng)用。

三、仿真結(jié)果比較

為評(píng)價(jià)各控制方法的相對(duì)性能，下面給出了不同駕駛循環(huán)下燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的仿真結(jié)果。所選的測(cè)試工況是汽車獲得歐美經(jīng)濟(jì)性和排放認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)：

· FTP（ Federal Test Procedure）循環(huán)

· HWFET （Highway Fuel Economy Test） 循環(huán)

· NEDC （New European Driving Cycle）循環(huán)

（一）工作點(diǎn)區(qū)域及基本性能比較

三種控制策略都能根據(jù)汽車實(shí)際工況要求很好地分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的功率（或扭矩），滿足汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。在三種策略控制下，模糊控制使發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率最高，最靠近最低油耗曲線，基線控制次之，實(shí)時(shí)最優(yōu)控制最低。在FTP循環(huán)下，它們的循環(huán)百公里油耗和0～100km/h加速時(shí)間。盡管實(shí)時(shí)適應(yīng)控制使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率僅有20%，但它按全局最優(yōu)原則進(jìn)行控制，不僅保證了排放最低，而且使整車燃油消耗也最少，循環(huán)百公里油耗僅有3.1L/100km。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的低速小負(fù)荷油耗高和效率低的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中希望發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率盡量高一些，最好靠近最低燃油消耗曲線，并且使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)。

（二）各控制方法運(yùn)算效率比較

多目標(biāo)優(yōu)化控制消耗的時(shí)間比模糊控制和基線控制長得多，這正是限制它在混合動(dòng)力汽車控制中實(shí)際應(yīng)用原因。模糊控制所用的時(shí)間只比基線控制多一點(diǎn)，卻有基線控制沒有的控制效果和靈活性，這些優(yōu)點(diǎn)促使它在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

（三）模糊控制與基線控制結(jié)果比較

模糊控制和實(shí)時(shí)最優(yōu)控制的結(jié)果與基線控制結(jié)果的比值基本一致，某些數(shù)值差異較大是由于各控制策略本身對(duì)不同指標(biāo)折中考慮程度不同所致；但模糊控制與實(shí)時(shí)最優(yōu)控制相比，各項(xiàng)性能指標(biāo)均比實(shí)時(shí)最優(yōu)控制的高，這也說明模糊控制在優(yōu)化控制方面相對(duì)粗略。

（四）排放性能比較

基線控制策略相對(duì)粗放，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域較寬，轉(zhuǎn)速范圍波動(dòng)較大，三種主要排放物排放量相對(duì)最高；模糊控制工作時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)控制在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)或高效區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)波動(dòng)相對(duì)較小，各種排放物排放量相對(duì)較小；實(shí)時(shí)適應(yīng)控制將各排放目標(biāo)作為控制系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，通過最小化目標(biāo)函數(shù)得到的控制命令兼顧汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放，使其在三種策略中控制效果最佳，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊安勝.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略[J].湖南農(nóng)機(jī)，2014（5）：100-100.endprint