并聯混合動力汽車能量管理與轉矩協調控制策略

閆松，趙紅，潘廣純，袁煥濤，崔翔宇

青島大學機電工程學院，山東青島 266071

0 引言

與傳統內燃機汽車和純電動汽車相比，混合動力汽車可以充分發揮多種能源的優勢，在節能、減排、續航等方面具有突出的性能[1-2]。作為混合動力汽車的核心部分，控制策略能夠合理分配不同動力源提供的能量，達到節能減排的目的[3-4]。

混合動力系統主要包括能量管理控制策略和轉矩分配策略，其核心是合理分配混合動力汽車的多能源輸出，降低燃油消耗率，達到節能減排的目的[5-8]?？刂撇呗缘难芯恐饕袃煞N：一是利用優化算法優化規則控制策略，二是運用轉矩協調方法控制多個動力源的轉矩分配和效率優化。鄧濤等[9]采用NSGA-Ⅱ算法對混合動力系統的燃油經濟性、排放性、駕駛性等多目標進行優化。錢立軍等[10]使用多島遺傳算法對利用神經網絡建立的控制模型進行優化。趙治國等[11]設計出一種基于發動機動態特性和電動機扭矩耦合過程的工作模式切換控制策略。Davis等[12]提出一種通過發動機轉矩狀態觀測和電機轉速反饋的轉矩協調方法，減緩轉矩耦合產生的波動。這些研究方法為混合動力汽車控制策略的研究提供了參考。

本文中采用能量管理策略與轉矩協調控制相結合的控制策略研究并聯混合動力汽車的動力控制系統，運用發動機動態轉矩控制+動力電池荷電狀態(state of charge, SOC)干預+電機轉矩補償控制的轉矩協調方法，協調和控制發動機與電機的轉矩輸出；采用發動機輸出轉矩最優的能量管理策略，發動機輸出轉矩最優也是目前應用最廣泛的能量管理控制策略[13]。

1 并聯混合動力汽車的系統結構

研究對象為采用扭矩復合式并聯結構的混合動力汽車，發動機與離合器直接連接，通過扭矩耦合裝置與電機輸出轉矩相連，通過變速器、主減速器、差速器，最終傳遞給車輪，可以實現多種工作模式的切換。根據整車需求轉矩，按照轉矩協調方法對發動機和電機進行轉矩協調控制。其動力總成結構模型如圖1所示。整車主要參數如表1所示。

表1 整車主要參數

2 能量管理控制方法

2.1 整車需求轉矩分析

在不考慮車輛動力學的駕駛穩定性，行駛過程中混合動力汽車車輪轉矩

Tw=ηtigi0(Te+Tm)+Tb

,

(1)

式中：ig為變速器傳動比；Te為發動機輸出轉矩；Tm為電機輸出轉矩；Tb為制動力矩。

式(1)也可以表示為：

Tw=(mgfrcosθ+0.5CDAρur2+mgsinθ+δmdu/dt)·r,

(2)

式中：g為重力加速度；θ為道路坡道角；ρ為空氣密度；ur為相對速度，在無風時即汽車的行駛速度；u為行駛速度。

整車需求轉矩

Tr=(Tw-Tb)/(ηtigi0),

(3)

式(3)也可以表示為：

Tr=((mgfrcosθ+0.5CDAρur2+mgsinθ+δmdu/dt)r-Tb)/(ηtigi0)。

(4)

2.2 發動機工作區間劃分

找出發動機的工作區間，保證發動機運行在最優工作區間[14]是發動機輸出轉矩最優控制策略至關重要的一步。圖2為發動機工作區間圖，最大轉矩限制曲線也是發動機的外特性曲線,即每個發動機轉速下的最大轉矩(Temax)曲線；發動機最優輸出轉矩(Teopt)曲線是由發動機每個轉速下工作效率最高的轉矩輸出點擬合而成，同是也是燃油消耗率最低曲線，要盡可能的保證發動機工作在此曲線附近；最小轉矩(Temin)限制曲線是發動機工作時燃油消耗較高的曲線，低于此曲線時應該關閉發動機，確保發動機高效率的工作。

電池SOC的管理模式有電量耗盡(charge depleting, CD)和電量維持(charge sustaining, CS)兩種模式，CD模式一般設定兩個門限值，一個是電池充電停止門限值Qmax，以防止電池組過充電；一個是電池放電停止門限值Qmin，保證電池組不過分放電[15]。CS模式設定一個SOC門限值，使得電池SOC始終在這一門限值附近。本文中采用CD控制模式，但將SOC進一步細化，添加電池最優SOC門限值Qobj，將電池劃分為禁用區[0,Qmin]、低效區[Qmin,Qobj]、高效區[Qobj，Qmax]、過充緩沖區[Qmax，100]。基本原則是應該盡可能使電機工作在電池的高效區，并且避免在低效區輸出過大轉矩，禁用區時停止電池繼續放電，保護動力電池的使用壽命。

綜上，根據發動機的工作區域界限和電池SOC設定邏輯門限控制策略參數，邏輯門限控制策略參數如表2所示。

表2 邏輯門限控制策略參數

3 轉矩協調方法

3.1 工作模式分析

并聯混合動力汽車動力來源為發動機和電機，兩者可單獨或共同提供整車驅動力矩。因此并聯混合動力汽車具有多種工作模式，包括發動機單獨驅動模式、純電動模式、混合驅動模式等。電機與發動機的混合特性曲線見圖3。

由圖3可以看出電機與發動機的動態轉矩響應特性的差異，在工作模式切換中可能會造成動力中斷等問題[16-19]。對此本文中提出發動機動態轉矩控制+動力電池SOC干預+電機轉矩補償控制的轉矩協調方法。

發動機有驅動和停機2種工作狀態，電機有電動、發電和停機3種工作狀態。發動機和電機的運行狀態決定了并聯混合動力汽車的工作模式。

3.2 工作模式的切換條件及轉矩分配

混合動力汽車驅動模式分為純電動驅動、混合驅動、發動機單獨驅動、行車充電4種模式。純電動模式下，車輛行駛由電機單獨驅動。發動機單獨驅動模式下，車輛行駛由發動機單獨驅動?；旌向寗幽Ｊ郊毞譃?種：若整車需求轉矩大于發動機最優輸出轉矩且小于最大輸出轉矩，則發動機在最優輸出轉矩曲線上運行，并且剩余轉矩由電機補償；若整車需求轉矩大于發動機最大輸出轉矩，則發動機工作在發動機外特性曲線上，剩余轉矩由電機補償。行車充電模式細分為3種：若整車需求轉矩小于發動機最小輸出轉矩且電池SOC小于等于電池放電停止門限Qmin，則發動機工作在最小轉矩限制曲線上，過量轉矩分配電機充電；若整車需求轉矩大于發動機最小輸出轉矩、小于發動機最優輸出轉矩且電池SOC小于電池充電停止門限Qmax，則發動機工作在最低燃油消耗率曲線上，過量轉矩分配電機充電；若整車需求轉矩大于發動機最優輸出轉矩、小于發動機最大輸出轉矩且電池SOC小于等于電池放電停止門限Qmin，則發動機工作在外特性曲線上，過量轉矩分配電機充電。其切換條件及轉矩分配方式如表3所示。

表3 工作模式切換條件、轉矩分配及動力源工作狀態

基于AVL_Cruise搭建整車模型如圖4所示。

采用interface聯合仿真方式，這種聯合仿真方式實質是在Matlab中調用Cruise的解算器，因此在仿真過程中無需額外開啟AVL_Cruise，在Matlab中運行即可；不僅運行速度快，而且方便工程師直觀地看到整個控制策略的執行過程，提高調試策略的效率。

基于Matlab/simulink/stateflow平臺，構建了控制策略模型，控制策略邏輯圖如圖5所示。

以車速、電池SOC值、發動機轉速、制動踏板信號、油門踏板信號等為模型的輸入，這些信號輸入到Stateflow中作為工作模式的切換條件達到改變車輛行駛工況以及控制發動機和電機的轉矩輸出；控制模型的輸出為發動機開關信號、電機開關信號、制動踏板信號、發動機加載信號、電機加載信號，這些輸出信號控制整車模型的運行。將建立好的控制模型與Cruise進行聯合仿真，Cruise與控制策略構成閉環連接，Cruise將數值傳遞給控制策略，控制策略將處理好的數據傳遞給整車模型，直到運算結束。

4 仿真結果分析

選擇測試工況為新歐洲駕駛周期(new European driving cycle, NEDC)進行仿真。圖6為實際車速與期望車速對比圖，仿真結果顯示實際車速與期望車速幾乎重合，充分表現了控制策略的穩定性。圖7為電池SOC初始值為70%時的變化曲線。

由圖7可知，隨工作時間增加電池SOC不斷降低，但降低趨勢逐漸變緩，電池SOC始終保持在合理范圍(0.2～0.9)內，有效的減少電池損耗并延長電池使用壽命。

圖8～10為電池初始SOC為70%時的試驗結果。由圖8～10可知，整車需求轉矩基本為發動機和電機輸出轉矩之和，說明控制策略可以根據車輛行駛時的轉矩需求合理地協調分配發動機與電機的轉矩，保證車輛根據駕駛員的需求正常行駛；汽車起步時由電機提供整車需求轉矩，發動機處于關閉狀態，車輛行駛處于純電動模式工況，并且根據電機與發動機的轉矩曲線變化，實現了車輛在不同模式下的轉換，驗證了控制策略的有效性；當整車需求轉矩大于發動機最大輸出轉矩時，電機提供動力確保發動機在高效區域工作，可以有效提高燃油經濟性。

由圖9可知，電機的輸出轉矩有正負，說明電機在電動和充電狀態之間切換，根據電池SOC的變化曲線也可以看出，證明了控制策略控制良好。

由圖10可知，發動機的輸出轉矩大部分位于最優輸出轉矩曲線附近，發動機工作在最優工作范圍，可以有效的降低燃油消耗率。

5 結論

以并聯混合動力汽車為研究對象，對Cruise平臺搭建的整車模型與基于Matlab/Simulink平臺搭建的整車控制策略進行聯合仿真。通過比較分析仿真結果得出如下結論。

1)提出的轉矩分配策略能合理地分配發動機和電機的輸出轉矩，實現了車輛在不用工作模式之間的切換，滿足駕駛員的驅動需求。

2)電池的SOC能夠在合理范圍內保持平衡，并且其變化趨勢達到了預期的控制效果，充分驗證了控制策略的有效性與可靠性。