混合動力汽車的節(jié)能控制模式設(shè)計與實現(xiàn)

寧大方

摘 要： 針對傳統(tǒng)節(jié)能控制模式計算過程復雜、速度緩慢等難題，設(shè)計了新的混合動力汽車的節(jié)能控制模式。給出控制器的總體結(jié)構(gòu)圖，選擇ATmega2560單片機組成的控制芯片，通過模擬采集信號電路獲取混合動力汽車系統(tǒng)的輸入信號，最后采用新型A?ECMS策略通過提取最優(yōu)等效因子，達到混合動力汽車等效燃油最小化的目的，并對電量維持性進行分析，結(jié)果表明，該混合動力汽車的節(jié)能控制模式不僅節(jié)能控制效果顯著，而且具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：混合動力； 汽車節(jié)能； 控制模式； 設(shè)計與實現(xiàn)

中圖分類號： TN245?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0136?05

Design and implementation of energy?saving control mode for hybrid electric vehicle

NING Dafang

（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150000， China）

Abstract： Since the traditional energy?saving control mode has the problems of complicated calculation process and slow calculation speed， a new energy?saving control mode of hybrid electric vehicle is designed. The overall structure chart of the controller is given. The control chip composed of SCM ATmega2560 is selected. The input signal of the hybrid electric vehicle system is acquired through the analog signal acquisition circuit. The new?type A?ECMS strategy is adopted to extract the optimal equivalent factor to minimize the equivalent fuel oil of the hybrid electric vehicle. The electricity maintenance is analyzed. The results show that the energy?saving control mode of the hybrid electric vehicle has significant energy?saving control effect， and high stability.

Keywords： hybrid power； automobile energy saving； control mode； design and implementation

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，乘坐汽車已經(jīng)是人們出行的主要方式，汽車行業(yè)的不斷發(fā)展使資源短缺問題日益嚴重。因此，綜合利用電能、燃氣以及煤柴油的混合動力汽車成為相關(guān)人員研究的熱點。其中混合動力汽車的發(fā)動機節(jié)能控制模式是研究的核心技術(shù)，當前各國對節(jié)能控制模式的研究尚不完善，存在控制能力低、穩(wěn)定性差以及節(jié)能效果不明顯等問題。為了解決這些問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種穩(wěn)定性強、節(jié)能效果明顯的混合動力汽車發(fā)動機節(jié)能控制模式。

1 混合動力汽車的節(jié)能控制器設(shè)計

1.1 控制器電路總體框圖設(shè)計

控制器電路設(shè)計主要包括控制芯片選型、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、模擬信號采集電路設(shè)計等。本文混合動力汽車蓄電池的組合電壓是36 V，通過電源轉(zhuǎn)換電路后輸送給單片機完成對系統(tǒng)的供電。各個傳感器對輸入信號進行采集后，調(diào)整電路使控制芯片接收到標準信號[1]，按照控制程序的引導，利用步進電機驅(qū)動電路對步進電機的轉(zhuǎn)動角度進行調(diào)整，使其能夠控制導流葉片傾角以及旁通閥開度，控制器硬件電路的總體框圖如圖1所示。

1.2 控制芯片的選擇

控制器中控制芯片的選擇要滿足體積小、能耗低、精度高的要求。設(shè)計硬件電路時應盡量選擇性能好、能耗低的電路元器件[2]。選擇模糊控制芯片時，每個模塊的設(shè)計和功能劃分都要考慮周全，選型流程如圖2所示。

依據(jù)實際控制的狀況，從功能、成本以及技術(shù)等方面進行綜合評定，本文選用Atmel公司的一款AVR系列單片機。

Atmel公司研發(fā)的ATmega640/1281/2560/2561是在AVR系列的基礎(chǔ)上加強RISC架構(gòu)的低功耗8 B微控制器。其具有強大的執(zhí)行力，運行速度高達1 MIPS/MHz。ATmega640/1281/2560/2561系列有60 KB/120 KB/245 KB同時讀寫、3 KB的E2PROM、6 KB的SRAM等優(yōu)點，比51單片機的功能要強。ATmega系列部分型號的對比見表1。

本文選取的是高配置的ATmega2560單片機，其配置是6 KB的RAM，74個片內(nèi)外中斷觸發(fā)，3個串行USART口，另外，ATmega2560采用的RISC架構(gòu)設(shè)計在后續(xù)程序中可繼續(xù)使用。

1.3 單片機外圍電路和電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

ATmega2560單片機的復位電路如圖3所示，為了使ATmega2560芯片能夠準確地接收到Arduino IDE編寫的節(jié)能控制程序[3]，創(chuàng)建二者的映射關(guān)系是十分必要的，從而使ATmega2560單片機的I/O和Arduino的bootloader里的I/O產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。endprint

MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)存在一個電容性電壓發(fā)生器，其作用是當單5 V電源供電時可提供EIA/TIA?232?E1電平。單片機和RS 232需要進行通信時，因為兩個電平標準不同必須采用MAX232進行電平轉(zhuǎn)換[4]。混合動力汽車蓄電池的組合電壓是36 V，而有些傳感器、元器件以及單片機等正常的工作電壓是5 V，變送器的工作電壓是13.5 V。因此，要先設(shè)計出電源轉(zhuǎn)換電路，使工作電壓與元器件所需電壓相匹配。本文運用7805和LM317T模塊獲取13.5 V以及5 V的工作電壓。

1.4 模擬采集信號電路設(shè)計

由于未搭建廢棄能量回收平臺，無法回收混合動力汽車系統(tǒng)的輸入信號，在Proteus仿真電路中，不能對輸入信號進行實時采集[5]，所以，運用模擬信號采集電路完成混合動力汽車系統(tǒng)四個輸入變量的信號采集任務。4個滑動變阻器調(diào)劑渦輪機轉(zhuǎn)速[n、]發(fā)電機電流[I、]排氣背壓[P]以及蓄電池SOC值，該電路是模擬采集變送器傳輸?shù)?～5 V電壓值，模擬信號采集電路如圖4所示。

2 混合動力汽車的節(jié)能控制模式的實現(xiàn)

完成控制器的設(shè)計后，節(jié)能控制模式采用新型A? ECMS 策略實現(xiàn)混合動力汽車的節(jié)能控制。首先應考慮混合動力系統(tǒng)瞬間最優(yōu)解控制策略（ECMS策略）的限制性，說明等效燃油最小控制策略的成因和等效因子的定義及類別；再設(shè)計一種方案獲取最優(yōu)等效因子并分析其變化規(guī)律。

2.1 等效燃油最小控制策略

混合動力汽車在某一行駛工況下的最佳耗油值可用式（1）表示為：

[Jmin=mint=0N-1meTet，wt?Δt+mequalTmt，wt?Δt] （1）

由于式（1）獲取最優(yōu)解的條件必須是熟悉的行駛工況，且求解過程復雜、速度緩慢，所以很難在實際中運用，因此研究人員提出了瞬間最優(yōu)解控制策略，即ECMS策略。ECMS引入等效因子[s，]將消耗的電能轉(zhuǎn)換成等效燃油量[6]，再加上發(fā)動機消耗的燃油，得出瞬時的代價函數(shù)為：

[minJt，u=met，u+st?Pbt，uQl] （2）

式中：[Pbt]表示電池的功率；[Ql]表示燃油低熱值；[st]表示等效因子。完成瞬時最優(yōu)控制的方法是在各個時間步長內(nèi)，選擇使代價函數(shù)[Jt，u]最小的[u]為控制量，按需分配轉(zhuǎn)矩。

等效因子是ECMS策略的重要參數(shù)，其數(shù)值的大小直接影響控制效果。等效因子分為恒定值等效因子SOC和自適應等效因子。恒定值等效因子策略是指在ECMS策略中的等效因子在汽車行駛過程中保持恒定不變。為了證明ECMS策略的最優(yōu)特性，采用哈密頓函數(shù)對混合動力系統(tǒng)全局最優(yōu)控制問題進行轉(zhuǎn)化，使其成為瞬時最小化問題，等效因子的變化方程為：

[st=-st??Pbx，u，t?x] （3）

式（3）的計算過程必須滿足知悉的循環(huán)工況，且龐大的計算量并不適合汽車的實際應用。自適應等效因子策略是指在汽車行駛過程中能自動調(diào)節(jié)的ECMS策略（即A?ECMS策略）。依據(jù)策略中等效因子校正方式的不同，可將A?ECMS自適應等效因子分為三類：

（1） 基于工況預測的等效因子調(diào)節(jié)方法。

（2） 基于工況識別的等效因子調(diào)節(jié)方法。

（3） 基于SOC值（SOC描述了汽車蓄電池的電荷狀態(tài)）反饋的等效因子調(diào)節(jié)方法。

通過調(diào)節(jié)等效因子的狀態(tài)來減弱SOC的偏移，使SOC值保持在[SOCref]左右。該種等效因子調(diào)控方法的魯棒性較高，可得到近似最佳的控制效果，避免SOC值過度偏離。

2.2 最優(yōu)等效因子的提取

最優(yōu)等效因子的提取是在其有效變化區(qū)間內(nèi)完成的，因此需要先明確等效因子的有效變化區(qū)間[7]。本文以恒定值等效因子的ECMS策略為仿真對象，在限定的循環(huán)工況上監(jiān)測不同數(shù)值的等效因子對應的[ΔSOC]的變化規(guī)律，得出等效因子的有效變化區(qū)間。

觀察圖5可知，[ΔSOC]并不是單純地隨著[s0]的增大而增大，當恒定值等效因子[s0<2]或[s0>6]時，不同工況下[ΔSOC]的值都不存在顯著變化；當[s0]的值在2～6這個區(qū)間時，不同工況下[ΔSOC]的值都變化顯著。所以，本文確定等效因子的有效變化區(qū)間是[2，6]。

2.3 新型A?ECMS策略的設(shè)計

新型A?ECMS策略的設(shè)計主要從電量維持性進行分析，使其達到最低的能耗效果[8]。首先確定電池SOC最佳維持區(qū)間，限定SOC的工作區(qū)間是為了保證電池達到最佳的使用效果。本文把防止電池過充或過放電的工作區(qū)間稱為電池SOC的基本工作區(qū)間；把能保證電池最佳使用效果的區(qū)間稱為電池SOC的最佳維持區(qū)間，SOC最佳維持區(qū)間在SOC的基本工作區(qū)間范圍內(nèi)。在混合動力能量控制策略中一般選擇電池充放電內(nèi)阻小的區(qū)間為SOC的基本區(qū)間，本文通過不同循環(huán)工況上的仿真計算，得出SOC的最優(yōu)工作區(qū)間是[0.6，0.8]。

為了使電池在混合動力系統(tǒng)中節(jié)能效果最大化，本文將SOC值控制在最佳維持區(qū)間[0.6，0.8]。等效因子的調(diào)節(jié)建立在最優(yōu)等效因子的均值和SOC維持水平的關(guān)系上，依據(jù)SOC最佳維持區(qū)間的程度來調(diào)節(jié)[9]，即：

[s0=-0.017 8?SOC-1.833+2.554] （4）

當[SOC≤0.7]時，有：

[s=s0+0.6-SOC0.2?5-s0] （5）

當[SOC>0.7]時，有：

[s=s0+0.6-SOC0.2?s0-3] （6）

綜上所述，設(shè)定SOC最佳維持區(qū)間的中間值0.7是臨界點，當SOC<0.7時，則SOC可能接近最佳維持區(qū)間[0.6，0.8]的下限，依據(jù)SOC距離下限0.6的程度，等效因子的值向自身最大值方向靠近[9]。根據(jù)上文獲取等效因子的有效區(qū)間是[2，6]，所以，如果SOC=0.6，等效因子的值在式（6）作用下會得到最大值6，以最大程度地控制電能的消耗，達到節(jié)能目的。endprint

3 實驗結(jié)果與分析

通過實驗檢測本文設(shè)計的混合動力汽車節(jié)能控制模式的有效性，實驗采用高級汽車防撞軟件ADV ISOR2002，將某種類型的雙軸混合動力公交客車動力模型當成整車仿真模型，電機使用40 kW三相交流感應異步電機模型，使用北京公交循環(huán)工況。設(shè)置實驗中的自變量是發(fā)動機的總扭矩與轉(zhuǎn)速，混合動力汽車發(fā)動機的總能耗是通過總扭矩反映的，在汽車行駛中，電子節(jié)氣門的開度隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大而增大，耗能量也隨之增大。所以，為了達到好的節(jié)能控制效果，必須縮減發(fā)動機總扭矩與轉(zhuǎn)速。而且，可通過節(jié)能控制后的兩者曲線波動判斷混合動力汽車發(fā)動機節(jié)能控制模式的穩(wěn)定性，即波動越小穩(wěn)定性越高。未采用本文節(jié)能控制模式的混合動力汽車在不同條件下，分別以2檔和4檔行駛2 000 m，并完成急停、起步、加速等同步操作，所得的發(fā)動機總扭矩與轉(zhuǎn)速曲線圖如圖6，圖7所示。

分析圖6和圖7可得，在同等條件下，未采用本文節(jié)能控制模式的混合動力汽車發(fā)動機的4檔位總扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的最高值分別是70[N?m]與2 000 r/min；2檔位總扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的最高值分別是68[N?m]與1 980 r/min。在200～2 000 m內(nèi)，4檔位總扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的平均值分別是48[N?m]與1 355 r/min；2檔位總扭矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的平均值分別是40[N?m]與1 402 r/min。

采用本文節(jié)能控制模式的發(fā)動機總扭矩以及轉(zhuǎn)速曲線圖如圖8，圖9所示。與圖6和圖7進行對比可得，本文設(shè)計的混合動力汽車發(fā)動機節(jié)能控制模式不僅能夠?qū)Πl(fā)動機進行節(jié)能控制而且效果顯著。觀察圖8和圖9的曲線，波動明顯比圖6和圖7平緩很多，說明本文設(shè)計的混合動力汽車發(fā)動機節(jié)能控制模式穩(wěn)定性高。

實驗對電機效率和高效區(qū)實施調(diào)控，進而定量檢測未采用本文節(jié)能控制模式以及采用本文節(jié)能控制模式下，電機效率對實驗混合動力汽車燃油經(jīng)濟性、排放以及電池SOC均衡的干擾，檢測結(jié)果如圖10，圖11以及表2所示。

因為混合動力汽車對驅(qū)動電機的要求較高，需求得電機的運行區(qū)間內(nèi)全速區(qū)域以及轉(zhuǎn)速區(qū)域，確保各工作點的效率較大。分析圖10可得，未采用本文節(jié)能控制模式的電機在中高轉(zhuǎn)速以及大轉(zhuǎn)矩情況下具備較大的電動效率，在低轉(zhuǎn)速以及小轉(zhuǎn)矩情況下具備較小的電動效率，使得混合動力汽車在純電動、發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電運行模式下的效率較小，對于平均車速較小的市區(qū)行駛的混合動力汽車特別不利。

采用本文節(jié)能控制模式對圖10中混合動力汽車實施節(jié)能控制，分析本文控制模式對該混合動力汽車燃油經(jīng)濟性能的優(yōu)化效果，結(jié)果如圖11所示。

分析圖11和表2能夠看出，本文節(jié)能控制模式提高了電機總體效率，并且擴大了電機高效區(qū)的區(qū)間，優(yōu)化了電機效率和汽車燃油經(jīng)濟性，取得了令人滿意的節(jié)能效果。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的混合動力汽車發(fā)動機節(jié)能控制器解決了行駛工況的局限性以及計算復雜等問題，達到了節(jié)能效果明顯的目的，且具有較高的穩(wěn)定性，適合未來汽車行業(yè)發(fā)展的需求。

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