基于模糊控制的自適應(yīng)等效油耗最小能量管理策略

增程式汽車作為插電式混合動(dòng)力汽車中的一種，具備高效率、低成本、低排放等優(yōu)點(diǎn)。與純電動(dòng)汽車相比，增程式汽車沒有續(xù)航里程焦慮，在動(dòng)力電池電量不足時(shí)可由增程器進(jìn)行補(bǔ)充，不受限于充電設(shè)施，且動(dòng)力電池的容量比純電動(dòng)汽車小得多，成本更低。與其他混合動(dòng)力汽車相比，增程式汽車的動(dòng)力電池能源可由外部輸入，且增程式汽車結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，維修成本低；增程式汽車所用發(fā)動(dòng)機(jī)比其他混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率更小，體積、質(zhì)量更小，整車燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)[]。

基于確定規(guī)則的能量管理控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)的起停以及輸出功率的大小由邏輯門限值確定，通常以電池SOC和驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率為控制參數(shù)，最常用的有單點(diǎn)恒溫器控制和功率跟隨控制兩種[2]，近年來(lái)也發(fā)展出發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)控制策略[3]。王興發(fā)[4結(jié)合整車基本結(jié)構(gòu)和控制策略設(shè)計(jì)原則分析了單點(diǎn)控制策略與功率跟隨控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗與電池壽命，制定了發(fā)動(dòng)機(jī)多工作點(diǎn)控制策略。田麗媛等5針對(duì)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力電池壽命問題，研究三元鋰電池壽命衰減機(jī)制并搭建恒功率控制和功率跟隨控制策略。肖仁鑫等6提出了增程器三工作點(diǎn)改進(jìn)控制策略，采用非支配排序遺傳算法，以動(dòng)力性能、綜合能耗及裝配成本為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件及控制策略進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

基于瞬時(shí)優(yōu)化的能量管理控制策略是基于當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和未來(lái)預(yù)期條件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的控制策略。這種策略利用即時(shí)信息，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最大化或降低總能源成本。等效燃油消耗最小能量管理策略（ECMS）最早由G.PAGANELLI等提出，是典型的瞬時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略。巢香云8針對(duì)不同工況等效因子難以確定的問題，設(shè)計(jì)了基于SOC反饋PI調(diào)節(jié)的自適應(yīng)等效因子算法，進(jìn)而構(gòu)建了自適應(yīng)A-ECMS增程能量管理策略并與恒溫器、功率跟隨等規(guī)則化能量管理策略進(jìn)行仿真對(duì)比。徐成善等9在循環(huán)工況已知的前提下，分別研究動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略和瞬時(shí)等效燃油消耗最小策略，得到兩者的行駛成本并與采用基于規(guī)則的恒溫器管理策略的行駛成本進(jìn)行比較。

其中，對(duì)于等效因子的調(diào)節(jié)，以往的研究著重于比例系數(shù)的計(jì)算，但車輛在行駛過程中眾多因素會(huì)對(duì)比例系數(shù)產(chǎn)生影響，難以精確計(jì)算，效果不好。因此，針對(duì)以上缺點(diǎn)，引入了模糊控制方法，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則庫(kù)在線調(diào)節(jié)等效因子，與基礎(chǔ)的ECMS能量管理策略相比，具有更強(qiáng)的自適應(yīng)能力和更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1整車模型建立

1.1增程式汽車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型及基本參數(shù)

增程式汽車的動(dòng)力部分由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和增程器組成。其中增程器由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)剛性連接組成。整車結(jié)構(gòu)形式和能量流向如圖1所示。

當(dāng)增程器未啟動(dòng)時(shí)，由動(dòng)力電池提供整車行駛所需功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛，為純電動(dòng)模式；當(dāng)增程器啟動(dòng)時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給動(dòng)力電池充能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛，動(dòng)力電池提供整車行駛所需功率并由增程器進(jìn)行補(bǔ)充，為增程模式。

本研究以國(guó)內(nèi)某增程式電動(dòng)汽車為參考對(duì)象并使用其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整車基本參數(shù)如表1所示。

1.2整車仿真模型建立

仿真平臺(tái)的搭建是對(duì)增程式汽車能量管理策略進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。本研究采用AVL_Crusie與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真的方式搭建仿真平臺(tái)，Crusie模型如圖2所示。

2 ECMS策略

ECMS的底層原理是在滿足系統(tǒng)各約束條件的前提下，通過求解最優(yōu)控制序列使得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。該方法是在龐特里亞金最小值原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)[10]。

在增程式汽車中，ECMS可用于優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間的能量分配，使車輛在動(dòng)力電池電量充足時(shí)更多地依賴電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，在高速行駛或需要更大動(dòng)力輸出時(shí)則依賴內(nèi)燃機(jī)。這種智能的能源管理策略可以提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率，并在不同駕駛情況下提供最佳性能和燃料經(jīng)濟(jì)性。ECMS在增程式汽車上的

應(yīng)用主要是增程模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的動(dòng)力來(lái)源，而動(dòng)力電池只作為輔助性儲(chǔ)能部件使用，其基本原理如圖3所示[11]。

ECMS計(jì)算的等效燃油消耗量是瞬時(shí)等效燃油消耗量，整車等燃油消耗量可看作由發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池提供，如式（1）所示。

式中： 為整車等效燃油消耗量； m為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量； 為動(dòng)力電池等效燃油消耗量。

動(dòng)力電池等效燃油消耗量由動(dòng)力電池的輸出功率計(jì)算得到，見式（2）。

式中： s 為等效因子； 為動(dòng)力電池輸出功率；

為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油低熱值，取值 42700kJ/kg 。

等效因子 s 代表的是發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃油和動(dòng)力電池輸出的電能之間的轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)等效因子大小的不同，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力電池之間輸出功率的分配。等效因子 s 分為充電等效因子和放電等效因子。動(dòng)力電池在放電情況時(shí)滿足式（3）。

式中： 為動(dòng)力電池輸出電能； P為動(dòng)力電池放電功率； 為動(dòng)力電池放電效率，取值0.97。

動(dòng)力電池輸出的這部分電能需要由增程器進(jìn)行補(bǔ)償，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃油由式（4）計(jì)算。

式中： 為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量； 為發(fā)動(dòng)機(jī)用于補(bǔ)償電能所消耗的燃油量； 為動(dòng)力電池充電電能。

式中： 為動(dòng)力電池充電時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率，取值 0.98batchg為動(dòng)力電池充電效率，取值0.97； 為動(dòng)力電池實(shí)際充電功率。

由式（1）至式（6）可推導(dǎo)出放電等效因子 ：

同理可得充電等效因子 ，由于本研究采用的ECMS策略是在電池放電情況下使用，故等效因子是指放電等效因子 。初定等效因子 。

3 ECMS策略優(yōu)化

3.1 等效因子 的影響

對(duì)于ECMS控制策略的優(yōu)化，本研究采用自適應(yīng)等效因子的方式，在此之前需探究等效因子對(duì)整車性能的影響。在WLTC工況下進(jìn)行仿真，等效因子 分別為2.2，2.8，3.0，3.3時(shí)，動(dòng)力電池荷電狀態(tài)（stateofcharge，SOC）和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化情況見圖4。

表2列出WLTC工況下，等效因子 分別為2.2，2.8，3.0，3.3時(shí)的整車百公里燃油消耗量和百公里耗電量。

由仿真結(jié)果分析可知，等效因子越大，使用電能的代價(jià)越大，ECMS控制策略偏向于使用燃油，增程器輸出功率更大，電池SOC呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，動(dòng)力電池起緩沖裝置及能源補(bǔ)充輔助裝置的作用；等效因子越小，使用電能的代價(jià)越小，ECMS控制策略偏向于使用電池的電能，增程器起補(bǔ)充能量的輔助作用。若等效因子過大，整個(gè)行程主要使用增程器供能，電池SOC未能在行程終止時(shí)維持在較低的水平，不利于充分利用電網(wǎng)上的電能進(jìn)行充電。同時(shí)，通過增程器給動(dòng)力電池充電，過高的動(dòng)力電池SOC易造成能量浪費(fèi)，降低了能量利用率。若等效因子過小，SOC在行駛過程中持續(xù)降低，在動(dòng)力電池電量較低時(shí)依舊進(jìn)行大功率放電，動(dòng)力電池SOC容易掉出安全工作范圍，影響其使用壽命。因此，在每一瞬時(shí)都采用合理的等效因子，不僅有利于動(dòng)力電池的使用壽命，還能提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性[12]。

3.2 模糊A-ECMS策略

目前，等效因子自適應(yīng)方式有基于工況預(yù)測(cè)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)、基于工況識(shí)別的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和基于動(dòng)力電池SOC反饋的自適應(yīng)調(diào)節(jié)等，本研究采用的等效因子自適應(yīng)方式是基于當(dāng)前工況、基于工況預(yù)測(cè)和基于動(dòng)力電池SOC反饋三者融合的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。采用整車需求功率（VRP）來(lái)表征當(dāng)前時(shí)刻的工況，采用加速度（a）的大小來(lái)表征下一時(shí)刻需求功率的變化大小，采用動(dòng)力電池SOC反饋來(lái)判斷當(dāng)前動(dòng)力電池所存儲(chǔ)能量的大小。根據(jù)三者確定當(dāng)前整車狀態(tài)下的最佳等效因子，并通過模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)該等效因子的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

模糊控制器的輸入?yún)?shù)分別為動(dòng)力電池SOC、整車需求功率和加速度，輸出為等效因子的大小，其論域?yàn)閇2，3.3]，劃分為5個(gè)模糊子集：很小（VS）、小（S）、中（M）、大（B），很大（VB）。具體規(guī)則如表3所示[13]

1）當(dāng)加速度不大時(shí)，等效因子的大小由動(dòng)力電池SOC和整車需求功率共同決定：當(dāng)動(dòng)力電池SOC小且整車需求功率小時(shí)，此時(shí)動(dòng)力電池足夠提供整車需求功率，等效因子取小值，此刻消耗電能的代價(jià)小于消耗燃油的代價(jià)，整車偏向采用動(dòng)力電池提供整車需求功率；當(dāng)動(dòng)力電電池SOC小而整車需求功率大時(shí)，需要由增程器來(lái)提供整車需求功率，等效因子取大值，此刻消耗電能的代價(jià)大于消耗燃油的代價(jià)，整車偏向采用增程器來(lái)提供整車需求功率；若動(dòng)力電池SOC大時(shí)，此時(shí)動(dòng)力電池存儲(chǔ)的能量能夠提供整車需求功率，等效因子的大小根據(jù)整車需求功率的大小在中等值位置取值，此時(shí)消耗電能的代價(jià)略低于消耗燃油的代價(jià)，動(dòng)力電池為主要能源輸出，增程器起到補(bǔ)充作用。

2）當(dāng)加速度大時(shí)，由于整車需要應(yīng)對(duì)下一時(shí)刻大加速度的需求，需要由增程器輸出功率進(jìn)行補(bǔ)充，等效因子的取值原則與加速度不大時(shí)類似，不同的是取值需更大。例如，當(dāng)動(dòng)力電池SOC小且整車需求功率小時(shí)，此時(shí)動(dòng)力電池足夠提供整車需求功率，但是為了應(yīng)對(duì)下一時(shí)刻加速度變大的需求，需提前讓增程器輸出更多的功率，提供更多的能量作為儲(chǔ)備，此時(shí)等效因子不再是取小值，而是應(yīng)在中等取值范圍內(nèi)。其他情況同理。

4仿真分析

速度跟隨是驗(yàn)證控制策略有效性的方法之一，同時(shí)也可檢驗(yàn)整車動(dòng)力性能。圖5示出使用優(yōu)化的ECMS控制策略時(shí)速度跟隨情況。

由仿真結(jié)果可知，速度跟隨情況良好，證明控制策略有效。

圖6示出自適應(yīng)等效因子控制結(jié)果。如圖6所示，在WLTC工況下，動(dòng)力電池SOC在 20%～40% 之間波動(dòng)，處于安全工作范圍內(nèi)。在整個(gè)工況中，等效因子的取值集中在2.15與2.5左右，等效因子為2.15時(shí)，趨向于采用動(dòng)力電池提供整車需求功率，等效因子為2.5時(shí)，趨向于采用增程器提供整車需求功率。在WLTC工況下，等效因子取小值的情況比取大值的情況多，符合第3.2節(jié)所制定的模糊規(guī)則。

在CLTC工況下，動(dòng)力電池SOC在 20%～ 55% 之間波動(dòng)，相較于WLTC工況而言，動(dòng)力電池SOC上升的幅度更大，依舊處于安全工作范圍內(nèi)。在整個(gè)工況中，雖等效因子的取值同樣集中在2.15與2.5左右，但相較于WLTC工況，等效因子取大值的情況比取小值的情況多。這是因?yàn)镃LTC工況整車需求功率與加速度的變化幅度都比較大的情況較WLTC工況多，趨向采用增程器提供整車需求功率，亦符合第3.2節(jié)所制定的模糊規(guī)則。上述規(guī)律亦可從發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率中總結(jié)得到，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率如圖7所示。

從圖7可知，采用優(yōu)化后的ECMS控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率集中在 8～20kW 范圍。這是由于優(yōu)化后的等效因子是一個(gè)能夠隨整車需求工況、動(dòng)力電池SOC大小和加速度大小自適應(yīng)變化的變量，能夠在每一瞬時(shí)得到更合理的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。表4列出控制策略優(yōu)化前后整車燃油消耗量對(duì)比。

由表4知，采用優(yōu)化后的ECMS控制策略，在WLTC工況下整車經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)化前提高了 3% ，在CLTC工況下整車經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)化前提高了 1.94% 。

5 結(jié)論

a）通過研究等效因子對(duì)增程式汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響發(fā)現(xiàn)，等效因子取值不同，整車的燃油消耗量也不同，且采用自適應(yīng)等效因子可有效減少燃油消耗量，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性；

b）仿真結(jié)果表明，整車在WLTC、CLTC工況下速度跟隨情況良好；對(duì)自適應(yīng)等效因子的控制能夠較好滿足整車需求功率且SOC始終維持在安全范圍內(nèi)；控制策略優(yōu)化后整車燃油經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)化前得到了一定的提升；

c）采用模糊控制器可實(shí)現(xiàn)等效因子的自適應(yīng)控制。

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Energy Management Strategy of Minimum Adaptive Equivalent Fuel Consumption Based on Fuzzy Control

：AO Longlong1，ZHONG Yong1，QIU Huangle1，F(xiàn)AN Zhouhui1，GAO Jianhang1，LIU Chenglong2

（1.KeyLaboratory for Automotive Electronics and Electric Drive of Fujian Province （FujianUniversity of Technology），F(xiàn)uzhou 35oll8，China； 2.Schoolof Mechanicaland AutomotiveEngineering，F(xiàn)ujian Universityof Technology，F(xiàn)uzhou35ol18，China）

Abstract：Inordertoimprovetheeconomyofextended-rangeelectricvehiclesandsolvetheproblem thatthebasicequivalent consumption minimization strategy（ECMS）couldnot achieve theoptimal economy，an improved ECMS energy management optimization strategy was proposed.Therequired powerof vehiclewas usedtocharacterizethecurrent working condition，the acelerationwasusedtocharacterizethechangeofrequiredpoweratthenextmoment，andtheSOCfeedbackofpowerbatery wasusedtojudgethestoredenergyofpowerbatery.Acordingtothethreefactors，theoptimalequivalentfactorinthecurrentvehiclestatewasdetermined，andtheadaptiveadjustmentofequivalentfactor wasrealized bymeansoffuzzycontroler. ThecontrolstrategymodelwasbuiltbyMatlab/SimulinkandtheAVL_Cruisesoftwarewasco-simulated.Theresultsshowed that the equivalent fuel consumptions per 100km were 8.50L and 8.07L respectively under WLTC and CLTC working conditions，which improved by 3% and 1.94% respectively，indicating that the improved adaptive ECMS could effectively reduce fuel consumption.

KeyWords：range-extended electric vehicle；fuel economy；fuzzy control；adaptive control；equivalent factor

[編輯：袁曉燕]