基于遺傳算法的混動汽車扭矩節(jié)能協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

王平,張宏,李春芾

(1.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系,內(nèi)蒙古 赤峰 024005;2.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

混合動力汽車可以在多種工況下運行,具備優(yōu)異的動力控制性能,為了進一步提高混合動力汽車的控制能力,需要其在各類模式間靈活切換,這也成為當(dāng)前的一項重點研究內(nèi)容[1]。混合動力汽車進入驅(qū)動階段時,發(fā)動機需經(jīng)過一段較長的時間才能完成響應(yīng),導(dǎo)致模式切換期間產(chǎn)生明顯的扭矩波動現(xiàn)象,造成動力傳輸?shù)拇蠓淖僛2-3]。

目前已有很多研究人員開展了多動力源和傳動結(jié)構(gòu)的匹配研究工作。文獻[4]在電極轉(zhuǎn)速調(diào)控過程中設(shè)置了PID閉環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)控,同時確保發(fā)動機達到更緩慢的扭矩變化率,從而促進協(xié)調(diào)控制效率的提升,由此精確完成整車扭矩的波動控制。文獻[5]介紹了一種利用車輪轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)PID調(diào)控功能的發(fā)動機扭矩補償方法,該方法可使模式切換階段的扭矩波動得到有效抑制,保證整車獲得理想的動力和運行穩(wěn)定性。文獻[6]針對模型預(yù)測控制設(shè)置了扭矩協(xié)調(diào)控制的方法,消除了模式切換過程引起的沖擊作用。文獻[7]主要研究了純電動以及混合驅(qū)動模式的切換控制測試,再根據(jù)模型預(yù)測和扭矩分配的過程完成協(xié)調(diào)控制。

到目前為止,大部分文獻報道的都是關(guān)于整車平順性控制過程的協(xié)調(diào)性內(nèi)容,并沒有從經(jīng)濟角度開展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。文獻[8]在進行能量管理過程中加入了平順性指標(biāo),同時在隨機動態(tài)規(guī)劃過程中加入平順性控制參數(shù),實現(xiàn)了扭矩分配的權(quán)衡優(yōu)化性能,由此實現(xiàn)經(jīng)濟性和平順性的綜合評價。文獻[9]根據(jù)最優(yōu)系統(tǒng)效率指標(biāo)對系統(tǒng)模式實施分類,可以使模式切換階段保持最小沖擊強度,此外還能夠滿足無動力中斷的控制性能。文獻[10]采用駕駛性調(diào)控的方法建立了一種燃油消耗最低的控制方案,通過提高系統(tǒng)穩(wěn)定性來改善駕駛過程控制穩(wěn)定性,并獲得更高效的動力傳輸性能。文獻[11]利用調(diào)節(jié)發(fā)動機參數(shù)方法來實現(xiàn)對整車的平順控制,接著通過動態(tài)規(guī)劃的方式調(diào)控車輛的駕駛操作性并完成快速起動的控制功能。

本研究針對多模式混合動力系統(tǒng)開展測試,以等效燃油消耗最小作為目標(biāo)來完成模式轉(zhuǎn)換,并確保在系統(tǒng)運行過程中實現(xiàn)動力的穩(wěn)定傳輸。以等效燃油消耗最小策略(ECMS)獲得實時最優(yōu)模式以及不同運行工況下系統(tǒng)扭矩最優(yōu)結(jié)果,接著針對驅(qū)動發(fā)動機扭矩系數(shù)進行控制,將電池荷電(SOC)設(shè)置成狀態(tài)量,同時利用整車沖擊波強度構(gòu)成價值目標(biāo)函數(shù),經(jīng)遺傳算法(GA)優(yōu)化處理確定最優(yōu)扭矩參數(shù),由此獲得最優(yōu)的發(fā)動機扭矩條件。通過上述設(shè)計可以對沖擊程度起到有效控制,實現(xiàn)優(yōu)異的扭矩跟隨性能。

1 混合動力系統(tǒng)組成

本次構(gòu)建的混合動力系統(tǒng)是一種以行星排結(jié)構(gòu)完成動力耦合效果的傳輸系統(tǒng)(見圖1)[12]。發(fā)動機輸出軸和行星輪之間設(shè)置了單向離合器與濕式離合器作為連接結(jié)構(gòu)。利用行星架實現(xiàn)系統(tǒng)動力輸出,之后經(jīng)速度轉(zhuǎn)換器把動力傳輸?shù)杰囕啞？刂瓢l(fā)動機和發(fā)動機的啟閉條件,并針對單向離合器和濕式離合器建立相應(yīng)的連接結(jié)構(gòu),由此完成多模式混合動力系統(tǒng)驅(qū)動控制。

1—發(fā)動機;2—電池;3—逆變器;4—行星輪;5—減速器;6—變速器;7—轉(zhuǎn)換器;8—濕式離合器;9—單向離合器。圖1 混合動力系統(tǒng)

2 GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)控制

2.1 基于ECMS的扭矩分配

本研究運用發(fā)動機扭矩補償方法與發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)方法建立最優(yōu)的協(xié)調(diào)策略。模式切換過程中可能會出現(xiàn)發(fā)動機起動情況,起動階段會形成很大的阻力矩,這使得整車輸出扭矩與目標(biāo)扭矩形成較大偏差,引起扭矩波動的增加。由于發(fā)動機存在著響應(yīng)滯后缺陷,這使得發(fā)動機扭矩輸出與需求間會產(chǎn)生很大偏差,引起扭矩波動的快速加劇。可以通過發(fā)動機補償?shù)姆椒▉硐l(fā)動機輸出扭矩差值,確保變速器輸出扭矩達到與需求扭矩相同的狀態(tài),有效抑制扭矩波動。

利用經(jīng)濟性平衡原理來實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換,并保證運行階段動力傳遞過程穩(wěn)定過渡,同時利用GA-ECMS方法建立扭矩優(yōu)化模型,設(shè)計得到圖2所示的開發(fā)流程。

通過優(yōu)化得到混合動力系統(tǒng)等效燃油消耗隨著需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速的變化情況,從而劃分出混合動力系統(tǒng)工作模式區(qū)域(見圖3)。

圖2 協(xié)調(diào)控制策略

圖3 驅(qū)動模式劃分

可以將整車驅(qū)動模式分成運行過程切換和持續(xù)運行兩種狀態(tài)。其中,切換階段會出現(xiàn)發(fā)動機和發(fā)動機扭矩的突變;進入模式運行階段時,能量分配過程引起的扭矩調(diào)節(jié)會受到扭矩和發(fā)動機響應(yīng)滯后因素的作用,容易造成扭矩發(fā)生較大波動。為了確保模式切換過程中獲得更強的動力傳輸穩(wěn)定性,本研究開發(fā)了一種采用GA-ECMS扭矩優(yōu)化方法來實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的方案。

本方案以ECMS為基礎(chǔ)對需求扭矩進行分配并劃分驅(qū)動模式,引入了發(fā)動機扭矩系數(shù)λ,利用遺傳算法以整車沖擊波強度最小為目標(biāo)價值函數(shù)對發(fā)動機扭矩系數(shù)進行優(yōu)化;通過λ對需求扭矩的分配進行修正,得到新扭矩分配,以實現(xiàn)動力傳遞的平穩(wěn)性。

2.2 基于GA扭矩系數(shù)優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制

考慮到發(fā)動機可以對扭矩進行精確快速響應(yīng),因此對整車的扭矩與沖擊載荷作用進行調(diào)節(jié)時,可以通過發(fā)動機實現(xiàn)協(xié)調(diào)功能[13]。本研究選擇發(fā)動機扭矩系數(shù)λ(t)作為控制參數(shù),再根據(jù)式(1)設(shè)置電池SOC(t)作為狀態(tài)指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動機扭矩系數(shù)來調(diào)節(jié)模式運行過程的需求扭矩,從而減小對整車的沖擊作用。

(1)

式(2)給出了混合動力汽車控制性能狀態(tài)與控制變量的范圍。

x(t)={SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax}
u(t)={0.8≤λ(t)≤1.5}。

(2)

將ECMS方式計算的發(fā)動機扭矩看成是λ為1的優(yōu)化扭矩。之后通過式(3)設(shè)定約束參數(shù)。

Tmin≤Topt≤Tmax。

(3)

式中：Topt為經(jīng)過優(yōu)化處理得到的發(fā)動機扭矩;Tmin,Tmax分別為發(fā)動機最低與最高扭矩。

構(gòu)建的目標(biāo)價值函數(shù)如下：

(4)

式中：Treq為利用ECMS計算獲得的發(fā)動機需求扭矩;i0,ig分別為主減速器與變速器的傳動比;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算參數(shù);m為汽車質(zhì)量;r為車輪的半徑。

發(fā)動機可以實時調(diào)節(jié)扭矩系數(shù)達到最優(yōu)狀態(tài),各時刻下荷電狀態(tài)對應(yīng)的扭矩參數(shù)也存在較大差異,此時可以通過扭矩參數(shù)以及建立車速模型的方式來達到實時調(diào)節(jié)扭矩優(yōu)化系數(shù)的效果[12]。扭矩優(yōu)化系數(shù)表達式如下：

λ(t)=f(SOC,v(t))。

(5)

3 試驗驗證

3.1 整車協(xié)調(diào)控制驗證及分析

為驗證扭矩優(yōu)化調(diào)節(jié)的策略優(yōu)勢,綜合運用Matlab和Simulink設(shè)計整車運動模型,同時針對發(fā)動機以及動力電池分別確定了模型參數(shù)和系統(tǒng)機構(gòu),并確定了合適的理論模型[14]。在NEDC城市道路條件下進行了運行工況的仿真測試。

圖4示出在NEDC工況下,扭矩優(yōu)化前與優(yōu)化后開展協(xié)調(diào)控制時的扭矩仿真結(jié)果。對圖4進行分析可以發(fā)現(xiàn),加入扭矩分配參數(shù)后再進行混合驅(qū)動,相對于優(yōu)化前形成了更穩(wěn)定的發(fā)動機扭矩,扭矩波動幅度更小。采用GA優(yōu)化方法能夠?qū)Πl(fā)動機扭矩起到削峰填谷的作用,獲得更高的整車動力穩(wěn)定性。

圖4 優(yōu)化前后的發(fā)動機扭矩對比

扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化前后的整車沖擊波強度對比情況見圖5。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在NEDC工況下GA優(yōu)化可以發(fā)揮更顯著的效果,能夠有效減小沖擊程度,沖擊波強度從初始的19.2 m/s3下降至10.8 m/s3,下降了近45%。

圖5 優(yōu)化前后沖擊波強度對比

3.2 整車經(jīng)濟性驗證

在NEDC等循環(huán)工況下開展經(jīng)濟性驗證,針對GA-ECMS協(xié)調(diào)策略與ECMS方法對比測試了等效燃油消耗情況,結(jié)果見圖6。圖6測試結(jié)果表明,通過GA-ECMS控制獲得的等效百公里燃油消耗明顯小于ECMS控制策略,與僅針對經(jīng)濟性進行優(yōu)化的ECMS控制策略相比具有顯著優(yōu)勢,能夠增強模式切換品質(zhì),也可以有效改善混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

圖6 等效燃油消耗對比

3.3 試驗驗證

3.3.1 試驗系統(tǒng)

采用硬件在環(huán)測試的方法對GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)策略開展有效性驗證。圖7示出建立在D2P上的硬件系統(tǒng)。根據(jù)圖7可知,在D2P基礎(chǔ)上建立的硬件在環(huán)系統(tǒng)中存在雙發(fā)動機臺架,發(fā)動機可以提供動力輸出,結(jié)合發(fā)動機運行特性仿真數(shù)據(jù)在發(fā)動機ECU中設(shè)置控制參數(shù)。以CAN總線在硬件、軟件間建立通信聯(lián)系,在試驗臺架上配備傳感器后再構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)信號實時采集,并把結(jié)果傳輸至控制柜的屏幕區(qū)域。

圖7 試驗硬件系統(tǒng)

利用MotoTune調(diào)節(jié)策略確保硬件ECU可以自主產(chǎn)生C代碼,同時利用USB代碼器使各項參數(shù)寫入控制器再開展系統(tǒng)功能調(diào)試驗證。將操作臺踏板和擋位設(shè)置到合適位置,再將負(fù)載傳輸?shù)紺AN總線內(nèi)使其完成交互過程,VCU采集得到負(fù)載信號時,再把之前的控制指令傳輸?shù)桨l(fā)動機ECU和BMS中,最終實現(xiàn)對測試臺各部件進行調(diào)控的效果。

3.3.2 實際行駛工況驗證

以赤峰市某路段工況(見圖8)為例,設(shè)置工況驗證GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)過程。圖9示出了GA優(yōu)化前后的扭矩結(jié)果。通過分析發(fā)現(xiàn),完成GA優(yōu)化處理后再開展混合驅(qū)動時,形成了更加穩(wěn)定發(fā)動機扭矩輸出。

圖8 赤峰市某路段測試工況

圖9 GA優(yōu)化前后的發(fā)動機扭矩對比

圖10示出GA優(yōu)化前后沖擊波強度的對比。結(jié)果顯示,GA優(yōu)化能夠有效降低整車沖擊作用。因此,選擇GA-ECMS開展扭矩優(yōu)化能夠達到優(yōu)異的協(xié)調(diào)控制性能。

圖10 GA優(yōu)化前后的沖擊波強度對比

4 結(jié)論

a) 采用GA優(yōu)化能夠?qū)Πl(fā)動機扭矩起到削峰填谷作用,獲得更高的整車動力穩(wěn)定性;對于NEDC工況,采用GA優(yōu)化能夠有效減小沖擊,沖擊波強度下降了近45%;

b) GA-ECMS控制策略下百公里等效燃油消耗明顯小于ECMS控制策略,說明利用GA-ECMS協(xié)調(diào)控制方案能夠增強模式切換品質(zhì),也可以有效改善混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟性;

c) 采用赤峰工況驗證GA-ECMS扭矩優(yōu)化協(xié)調(diào)效果,GA優(yōu)化能夠達到優(yōu)異的協(xié)調(diào)控制性能。