淺析行駛自適應(yīng)的PHEV能量在線實時優(yōu)化控制

王偉光

摘 要：隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展，全國私家車汽車保有量正不斷增加，與此同時石油消耗量也在不斷增加，新能源汽車開發(fā)迫在眉睫。插電式混合動力電動汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）作為傳統(tǒng)汽車向純電動汽車轉(zhuǎn)型的過渡產(chǎn)品，逐漸被人們所關(guān)注。本文通過分析PHEV汽車的各部件結(jié)構(gòu)關(guān)系及其工作原理，建立了模型，清晰的表述了汽車發(fā)動機、電動汽車的電動發(fā)電機和電動汽車電池組之間的功率流的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并建立了汽車在行駛工況自適應(yīng)的能量在線實時優(yōu)化控制仿真模型，為PHEV的能量優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PHEV;能量控制;工況預(yù)測

中圖分類號： TP393 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-141-4

0 ?引言

PHEV有兩種動力源，分別是發(fā)動機和電動機，兩種動力可以同時為車輛提供驅(qū)動力，也可以分別獨立為車輛提供驅(qū)動力，因此在不影響駕駛性能和安全性能的前提下，如何根據(jù)車輛功率需求科學(xué)的分配兩種動力源的功率分配是決定整車的燃油經(jīng)濟性的決定性因素，也是PHEV的核心。

1 ?PHEV的分類

PHEV是在HEV的基礎(chǔ)上進行[項目：山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖浚ň幪枺篔16LB66）;項目名稱：插電式并聯(lián)混合動力汽車能量控制策略研究]改進，增大了電池的容量并增加了一套為車載電池充電的外界充電裝置。根據(jù)PHEV的動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以將PHEV分為串聯(lián)式驅(qū)動模式、并聯(lián)式驅(qū)動模式和混聯(lián)式驅(qū)動模式三種。

1.1 串聯(lián)式的驅(qū)動模式

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的動力系統(tǒng)的主要零部件有汽車發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、鋰電池組和外接充電器。[1]由汽車發(fā)動機消耗燃油產(chǎn)生機械能，帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機驅(qū)動車輛或存儲到動力電池組中，車輛所需動力全部由電動機提供。其連接方式如圖1所示。

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圖1 ?串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有運行效率高，結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)成本低等優(yōu)點，但對發(fā)動機、發(fā)電機和電動機的額定功率和最大功率有較大的要求，需要較大的安裝空間，且發(fā)動機的能量需要轉(zhuǎn)換兩次，能量損耗較大，能量的利用率較低。該結(jié)構(gòu)適用于多行駛在道路復(fù)雜的城市工況的大型公交車和客車。

1.2 并聯(lián)式的驅(qū)動模式

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的主要零部件有汽車發(fā)動機、蓄電池組、電動機和外接充電器。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)車輛的驅(qū)動動力可以由發(fā)動機和電動機同時提供，也可以由汽車發(fā)動機或電動機單獨提供。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當處于爬坡工況時，需要較大的驅(qū)動力，需要的功率也較大，主要由汽車發(fā)動機提供驅(qū)動力，電動機提供輔助動力;當處于平坦工況或低速行駛時，需要驅(qū)動力較小，需求功率也較小，這時可以關(guān)閉發(fā)動機而僅由電動機來驅(qū)動車輛，減少發(fā)動機工作時間。通過變換驅(qū)動方式來使發(fā)動機保持高效工作，提高燃油利用率，降低燃油浪費。

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圖2 ?并聯(lián)式結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，當一個動力源出現(xiàn)故障時可以切換到另外一個動力源來驅(qū)動車輛，并且對電池容量及電動機功率要求較低，可以降低開發(fā)成本。其缺點是其結(jié)構(gòu)與串聯(lián)式相比較為復(fù)雜，整車布置難度較高，當行駛在工況變化較多較快的路段時，無法保證發(fā)動機高效運行。該結(jié)構(gòu)適用于在高速公路上行駛，發(fā)動機工作穩(wěn)定的小型車。

1.3 混聯(lián)式驅(qū)動模式

混聯(lián)式結(jié)構(gòu)既有串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點也具有并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)既可以根據(jù)不同的工況需求自由切換串聯(lián)模式或并聯(lián)模式。此外，該結(jié)構(gòu)在發(fā)動機、發(fā)電機、電動機和電池的布局上要求較低，可以保證各動力系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，可以明顯降低燃油消耗和二氧化碳的排放，達到節(jié)能減排的目的?；炻?lián)式結(jié)構(gòu)零部件較多，動力系統(tǒng)非常復(fù)雜，對能量控制策略的要求較高。

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圖3 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)

2 ?PHEV的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵零部件

PHEV結(jié)合了將傳統(tǒng)汽油汽車的發(fā)動機技術(shù)、純電動汽車的電池、發(fā)電機技術(shù)、電動汽車電池充電技術(shù)、電池管理系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)等，通過電動機來降低燃油消耗，達到經(jīng)濟燃油的目的。

整車能量控制是根據(jù)整車行駛時的能量需求，優(yōu)化匹配各部件參數(shù)來控制發(fā)動機和電動機的動力輸出的控制策略，也是PHEV的重點研究對象。

3 ?PHEV新結(jié)構(gòu)與工作原理

混聯(lián)式結(jié)構(gòu)包含了并聯(lián)式、串聯(lián)式的優(yōu)點并已經(jīng)應(yīng)用于市場，豐田普銳斯混合動力電動汽車應(yīng)用了混聯(lián)式結(jié)構(gòu)。[2]PHEV混聯(lián)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是采用行星齒輪作為動力耦合器，實現(xiàn)發(fā)動機、兩個電動發(fā)電機的連接，動力系統(tǒng)連接方式如圖4所示。主要參數(shù)如表1所示。

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圖4 ?豐田普銳斯混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)圖

從圖4中可以看出，不同工作模式切換是通過兩個離合器來實現(xiàn)。當發(fā)動機離合器分離軸承分離，電動機離合器壓盤結(jié)合，電動發(fā)電機作為電動機時直接驅(qū)動車輪，提供動力輸出;當發(fā)動機離合器壓盤結(jié)合，電動機離合器分離軸承分離，發(fā)動機以消耗汽油來轉(zhuǎn)化為機械能，一部分可通過行星齒輪的傳遞驅(qū)動車輪，提供動力輸出，另一部分機械能帶動發(fā)電機發(fā)電為鋰電池提供電能充電。[3]

表1 ?PHEV主要參數(shù)

[部件＼&內(nèi)容＼&參數(shù)＼&整車＼&類型＼&SUV＼&發(fā)動機＼&類型

峰值功率＼&汽油發(fā)動機5.8L

250kW 5400r/min＼&電動機＼&類型

峰值功率＼&交流永磁同步電機

70kW 41000r/min＼&發(fā)動機＼&類型

峰值功率＼&交流永磁同步電機

70kW 41000r/min＼&電池組＼&類型

額定容量

額定電壓

重量＼&鋰離子電池

10kW

240V

85kg＼&]

4 ?PHEV驅(qū)動能量優(yōu)化控制

PHEV的驅(qū)動方式為電池電動機或發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛，或兩者同時驅(qū)動車輛對驅(qū)動能量進行控制的優(yōu)化結(jié)果決定了PHEV能量利用率。目前對于能量控制全局優(yōu)化的方法都是在已知路況的前提下，對能量控制進行離線優(yōu)化，對在線實時優(yōu)化控制還缺少有效的優(yōu)化方法。本文從能量流動的角度，對再生制動能量和驅(qū)動能量的分配方式進行優(yōu)化，并釆用DP算法對驅(qū)動能量進行全局離線優(yōu)化，以電池電動機和發(fā)動機功率最優(yōu)解來保證車輛駕駛性能，使燃油經(jīng)濟性達到最佳。

5 ?DP控制策略研究

DP理論的優(yōu)化原理是對復(fù)雜的問題進行分組，將復(fù)雜的變量拆分，將復(fù)雜的多變量的關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡單的單變量問題，本文利用DP理論對PHEV驅(qū)動能量優(yōu)化控制進行拆分簡化，分解多階段的過程，分段求解即可得到問題的全局極大或極小值。通過正序和逆序兩種尋優(yōu)方式進行尋優(yōu)，當已知初始狀態(tài)時，用逆序的方式逆向求解;當終止狀態(tài)給定時，用正序的方式正向求解。

本文以PHEV混聯(lián)式結(jié)構(gòu)汽車在行駛過程中電池的充放電為研究對象，利用DP理論進行優(yōu)化。鋰電池的充放電參數(shù)為已知的初始條件，因此需采用逆序的尋優(yōu)方式。[4]具體優(yōu)化過程如下： 首先根據(jù)時間順序?qū)⒄麄€工況過程劃分為n段，每階段都由發(fā)動機或電動機單獨或共同提供，從終點（第n段）從后向前尋優(yōu)，至向始點（第1段）尋找全局的極小或極大值。以第k段為例，根據(jù)該段發(fā)動機和電動機提供的驅(qū)動能量值作為變量dk，得到該段的能量消耗值k。再對所有階段的能量消耗求解，其中最優(yōu)的k值即為車輛行駛中的最優(yōu)解。如圖5所示。

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圖5 ?DP尋優(yōu)流程

6 ?目標函數(shù)的構(gòu)造

將已知整個工況的時間段t，離散化成n個時間點，即

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式中N表示自然數(shù)。

在每一時間段k（0≤k≤n）讓發(fā)動機的輸出功率△P從0趨向與Pr，電動機的輸出功率則由Pr趨向0。所有時間段內(nèi)每一時刻的輸出總功率組成一個燃油消耗矩陣，對每一時刻的燃油消耗率mf（k）構(gòu)成整個過程的燃油消耗，即

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PHEV的目標是以最小的燃油消耗為車輛提供足夠的驅(qū)動力，即

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PHEV能量優(yōu)化控制的函數(shù)具有離散性，屬于非線性函數(shù)。根據(jù)函數(shù)找出矩陣中的最小值即為燃油消耗最少的時刻所對應(yīng)的輸出功率，得到最優(yōu)解。燃油消耗率矩陣與電池剩余容量的關(guān)系如圖6所示。

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圖6 ?DP優(yōu)化過程

7 ?PHEV能量在線實時控制策略

車輛能量控制隨工況的變化而變化，且受工況影響很大。目前大多優(yōu)化是根據(jù)已知工況的離線信息來優(yōu)化能量控制，對于實時動態(tài)控制還沒有較好的控制策略。本文都通過DP理論來優(yōu)化在線實時控制策略。

7.1 PHEV能量實時優(yōu)化控制流程圖

基于DP的PHEV能量實時優(yōu)化控制流程，如圖7表示。圖中調(diào)用子融合網(wǎng)絡(luò)得到發(fā)動機和電池的輸出功率部分調(diào)用基于DP優(yōu)化結(jié)果訓(xùn)練得到的融合網(wǎng)絡(luò)。

7.2 PHEV能量在線實時控制的仿真實驗

以豐田普銳斯混合動力電動汽為研究對象，對高、中、低速擋3種工況，運用DP算法進行優(yōu)化。[5]對PHEV能量在線實時控制進行實車驗證，汽車發(fā)動機參數(shù)如表1。優(yōu)化結(jié)果如表2、表3、表4。

8 ?結(jié)論

本文分析了PHEV結(jié)構(gòu)及工作原理，對PHEV的關(guān)鍵技術(shù)能量控制策略和關(guān)鍵零部件發(fā)動機、電動機的功率優(yōu)化控制進行了介紹，基于DP理論提出了在線實時能量控制優(yōu)化的仿真模型，通過模型對不同工況下PHEV能量在線控制優(yōu)化進行驗證，為商用PHEV的能量在線實時優(yōu)化控制提供了新的方法。在石油消耗量日益增加的情況下，PHEV的能量控制優(yōu)化，是提高燃油經(jīng)濟性的重要途徑，是汽車相關(guān)科研的主要努力方向。

參 考 文 獻

[1] 鄧堅，江慧，全書海.電動車電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計與SOC預(yù)測研究[J].儀表技術(shù)，2010（12）.

[2] 馮連勇，王建良，趙林.預(yù)測天然氣產(chǎn)量的多循環(huán)模型的構(gòu)建及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2010（07）.

[3] 岳仁超，王艷.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].低壓電器，

2010（11）.

[4] 趙廣俊，呂建剛，宋彬，劉云.履帶車輛液壓儲能式制動能量再生系統(tǒng)建模與仿真分析[J].機電工程，2010（03）.

[5] 林海軍，滕召勝，遲海，吳陽平，唐立軍.基于多傳感器相關(guān)性的汽車衡智能容錯方法[J].儀器儀表學(xué)報，2009（11）.