復(fù)合功率分流混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究

沈登峰,王 晨,2,于海生,張 彤,易顯科

(1.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司,上海 201501; 2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心,上海 200092)

復(fù)合功率分流混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究

沈登峰1,王 晨1,2,于海生1,張 彤1,易顯科1

(1.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司,上海 201501; 2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心,上海 200092)

基于龐氏最小值原理,并以等效瞬時(shí)燃油消耗量最小為目標(biāo)為某復(fù)合功率分流混合動(dòng)力汽車制定了能量管理策略。利用MATLAB仿真平臺(tái),建立了混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略的模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明,與現(xiàn)有邏輯門限控制策略相比,采用等效瞬時(shí)燃油消耗量最小化的控制策略能顯著提高燃油經(jīng)濟(jì)性?；诜抡娼Y(jié)果,將控制策略集成到整車控制器中進(jìn)行NEDC工況下的實(shí)車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)。結(jié)果顯示,采用的控制策略使實(shí)車當(dāng)量油耗降低了12.31%。

混合動(dòng)力汽車;功率分流;能量管理策略;燃油經(jīng)濟(jì)性

前言

混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)車輛能夠有效降低燃油消耗和尾氣排放。作為混合動(dòng)力汽車典型類型的功率分流式混合動(dòng)力汽車,由于其至少包含有發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池在內(nèi)的兩個(gè)動(dòng)力源,且需要合理分配各動(dòng)力源之間的功率,所以開發(fā)出高效且魯棒性強(qiáng)的能量管理控制策略是極其重要的[1]。作為常用的能量管理策略,最小值原理(pontryagin's minimum principle,PMP)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dynamic programming,DP)和等效燃油消耗最小策略(equivalent consumption minimization strategy,ECMS)都能求解出能量管理的最優(yōu)解。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中通過對(duì)比仿真結(jié)果得出,最小值原理的優(yōu)化結(jié)果接近于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化結(jié)果,且有效縮短了優(yōu)化計(jì)算時(shí)間。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]中結(jié)合具體工況通過假設(shè)初始拉格朗日算子經(jīng)打靶法仿真求解得到最優(yōu)解,雖然最小值原理能夠縮短優(yōu)化計(jì)算時(shí)間,但文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]中指出最小值原理不適用于工況無法預(yù)知的乘用車。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[5]中指出,由于等效燃油消耗最小策略從根本上可描述為歐拉-拉格朗日方程,且等效燃油消耗最小策略中的等效油耗可更好地被理解為最小值原理中的哈密頓函數(shù),所以可將其視為最小值原理控制在實(shí)車控制中的應(yīng)用。通過引入基于SOC的懲罰函數(shù),文獻(xiàn)[6]中解決了因單純的ECMS算法無法將動(dòng)力電池的SOC控制在理想工作區(qū)間內(nèi)的問題。文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中均選擇動(dòng)力電池功率為控制變量,SOC為狀態(tài)變量。選取動(dòng)力電池功率作為控制變量,實(shí)際是通過控制功率分配來決定混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量分配。通過預(yù)估回路中的電機(jī)功率,確定電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而得到實(shí)際回路中的電機(jī)功率,然而預(yù)估功率與實(shí)際功率之間的誤差導(dǎo)致SOC計(jì)算不準(zhǔn)確。

上述文獻(xiàn)大多針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行能量管理策略的仿真研究,并未對(duì)復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行能量管理策略仿真研究后的試驗(yàn)驗(yàn)證。因此,本文中首先對(duì)某新型功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型,并對(duì)其工作模式進(jìn)行分析,然后通過等功率法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化,并通過基于規(guī)則的控制策略與整車模型聯(lián)合仿真建立了SOC與當(dāng)量燃油消耗量之間的油電轉(zhuǎn)化關(guān)系,接著基于最小值原理得到等效瞬時(shí)燃油消耗量的目標(biāo)函數(shù),最終經(jīng)過Matlab/ Simulink平臺(tái)下仿真分析和實(shí)車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)驗(yàn)證本文中提出的能量管理控制策略。

1 復(fù)合功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如文獻(xiàn)[7]中所述,該新型復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)采用共用行星架和齒圈的雙行星排結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)與混合動(dòng)力變速器中的行星架通過扭轉(zhuǎn)減振器相連,電機(jī)E1和電機(jī)E2分別與混合動(dòng)力變速器中的小太陽(yáng)輪S1和大太陽(yáng)輪S2相連。制動(dòng)器B1和制動(dòng)器B2分別用于鎖止行星架和電機(jī)E1。動(dòng)力電池依據(jù)電機(jī)控制器的控制,驅(qū)動(dòng)電機(jī)或儲(chǔ)存電機(jī)產(chǎn)生的電能。圖1為該新型功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖2為其實(shí)物圖。表1為整車參數(shù)和動(dòng)力部件參數(shù)。

圖1 新型復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 整車和動(dòng)力部件參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

結(jié)合文獻(xiàn)[7]中所述動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和電功率平衡方程,得到該新型功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型:

式中:TPC,JPC和αPC分別表示行星架PC的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度;TS1,JS1和αS1分別表示小太陽(yáng)輪S1的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度;TS2,JS2和αS2分別表示大太陽(yáng)輪S2的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度;TR,Jout和αR分別表示外齒圈R的轉(zhuǎn)矩、輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度;TICE,TE1和TE2分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)E1和電機(jī)E2的轉(zhuǎn)矩;TL表示整車的行駛阻力矩;PB表示動(dòng)力電池功率;PVB,PVB1和PVB2分別表示動(dòng)力電池、電機(jī)E1和電機(jī)E2的損耗功率; ωE1和ωE2分別表示電機(jī)E1和電機(jī)E2的角速度。

1.3 工作模式

雙行星排動(dòng)力系統(tǒng)具有5種工作模式[8],如圖3所示,分別為模式1純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、模式2發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、模式3制動(dòng)能量回收、模式4混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和模式5 B2鎖止混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

圖3 新型復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力變速器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩杠桿原理圖

2 基于最小值原理的等效燃油消耗最小能量管理控制策略設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型優(yōu)化

在發(fā)動(dòng)機(jī)模型中,發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)及其燃油消耗量由轉(zhuǎn)速nICE和轉(zhuǎn)矩TICE決定。對(duì)新型復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力汽車而言,通過行星排機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與整車車速解耦,發(fā)動(dòng)機(jī)擁有轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩兩個(gè)自由度。如文獻(xiàn)[9]中所述,對(duì)于e-CVT混合動(dòng)力汽車,發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失遠(yuǎn)大于電路功率損耗,以發(fā)動(dòng)機(jī)工作在優(yōu)化工作點(diǎn)(最佳效率點(diǎn))為控制目標(biāo)是合理的。本文中采用基于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方式確定發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線[9]:

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍內(nèi),均分為P1,P2,…,Pk,…,Pm等m個(gè)功率點(diǎn);

(2)對(duì)于某個(gè)功率點(diǎn)Pk,發(fā)動(dòng)機(jī)等功率曲線上多個(gè)工況點(diǎn)滿足TICE×nICE=Pk,每個(gè)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)燃油消耗率be(Pk),從多個(gè)工況點(diǎn)中尋找發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量最低的點(diǎn)Qk;

(3)在多個(gè)功率點(diǎn)下,求得對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量最低點(diǎn)Q1,Q2,…,Qk,…,Qm,油耗最低點(diǎn)順序相連所得到的曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線。

圖4為基于發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線。

2.2 油電轉(zhuǎn)化系數(shù)

油電轉(zhuǎn)化系數(shù)是單位動(dòng)力電池SOC變化量對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量,單位為g/(100%SOC)。油電轉(zhuǎn)化系數(shù)作為動(dòng)力電池電量與發(fā)動(dòng)機(jī)油耗之間的轉(zhuǎn)化因子,可表示動(dòng)力電池電量對(duì)整車助力能力與續(xù)航能力的影響。本文中結(jié)合基于邏輯規(guī)則的整車控制策略與整車模型聯(lián)合仿真,建立SOC與當(dāng)量燃油消耗量在NEDC工況下的轉(zhuǎn)化關(guān)系,仿真結(jié)果如表2所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線

表2 不同初始SOC下燃油修正系數(shù)仿真數(shù)據(jù)

按照國(guó)標(biāo)[10]要求,由式(2)計(jì)算得到燃料消耗量修正系數(shù)Kfuel=0.857 3(L/100km)/(A·h)。

式中:Ci為第 i次試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的燃料消耗量, L/100km;Qi為第i次試驗(yàn)的電量平衡值,A·h,電池充電為正值,放電為負(fù)值;n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),n≥6。

根據(jù)油電轉(zhuǎn)化系數(shù)的含義,其與燃料消耗量修正系數(shù)Kfuel的換算關(guān)系為

式中:ρ為92#汽油密度,ρ=730 g/L;d為NEDC運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)行程總駕駛里程,d=11.022 7km;QN為電池額定容量,QN=6A·h。由式(3)算得

λ=413.89[g/(100%SOC)]

2.3 基于最小值原理的等效燃油消耗最小能量管理控制策略求解方法描述

為克服文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中研究的局限,結(jié)合該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化模型,選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制變量,SOC為狀態(tài)變量,將該系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度控制問題,即

針對(duì)在一段有限時(shí)長(zhǎng)為[t0,tf]的循環(huán)工況下燃油消耗最小的控制,選取性能指標(biāo)函數(shù)為積分型性能指標(biāo)函數(shù),可表示為

式中L(x(t),u(t),t)為與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)有關(guān)的瞬時(shí)燃油消耗量,可表示為

式中PICE為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率。

控制變量u(t)的控制域?yàn)?/p>

狀態(tài)變量x(t)的初始條件為

由該系統(tǒng)采用的鎳氫動(dòng)力電池參數(shù)可知,SOC的調(diào)節(jié)范圍必須被約束在電池內(nèi)阻最小、熱損耗最少的常用工作區(qū)間,所以狀態(tài)變量x(t)的約束條件為

由鎳氫動(dòng)力電池模型和安時(shí)計(jì)量法可得SOC變化量:

則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

至此,復(fù)合功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制策略的問題可描述為在一段有限時(shí)長(zhǎng)為[t0,tf]的循環(huán)工況里,在狀態(tài)變量x(t)的約束條件下,在控制變量 u(t)的控制域中尋求一系列控制規(guī)則u(t),使燃油消耗最小和電池SOC維持在最佳工作區(qū)間內(nèi),其具體目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

根據(jù)式(13)建立哈密頓函數(shù):

式中λ(t)為伴隨乘子向量函數(shù)。

式(14)可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為

根據(jù)文獻(xiàn)[6],需要滿足如下條件才能運(yùn)用最小值原理獲得燃油消耗最小的能量管理控制策略。

(1)在一段有限時(shí)長(zhǎng)為[t0,tf]的循環(huán)工況里,存在最佳控制變量u*(t)∈[nICE(t)min,nICE(t)max]使H(x*,u*,λ,t)成為全局最優(yōu)解,即

(2)系統(tǒng)滿足邊界條件,即

如文獻(xiàn)[1]中所述,由于鎳氫動(dòng)力電池的內(nèi)阻和充放電電壓在一定SOC范圍內(nèi)可近似看作不變,所以動(dòng)力電池電流只與動(dòng)力電池功率有關(guān),與SOC無關(guān),即

由于最小值原理的優(yōu)化算法需要提前預(yù)知整個(gè)循環(huán)工況,無法運(yùn)用在車輛的實(shí)際控制中。為克服該局限,現(xiàn)將基于該優(yōu)化算法擴(kuò)展出的等效燃油消耗最小能量管理控制策略運(yùn)用于實(shí)時(shí)控制。

等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略(ECMS)的核心是構(gòu)造能表征每個(gè)時(shí)刻下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量與等效燃油消耗量之和最小的實(shí)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。為減少因打靶法帶來的龐大計(jì)算量,同時(shí)又能使算法更符合車輛的實(shí)際運(yùn)行狀況,取λ為覆蓋城市和郊區(qū)工況的NEDC循環(huán)的油電轉(zhuǎn)化系數(shù)時(shí),在基于最小值原理等效燃油消耗最小能量管理控制策略中構(gòu)建的哈密頓函數(shù)恰好準(zhǔn)確地描述該實(shí)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在該哈密頓函數(shù)的前半部分為發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)燃油消耗量,后半部分為動(dòng)力電池電量增加或者減少對(duì)應(yīng)的等效瞬時(shí)燃油消耗量,兩部分之和即為等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略的目標(biāo)函數(shù)。通過求解當(dāng)前瞬時(shí)哈密頓函數(shù)的最小值,進(jìn)而求解出該最小值所對(duì)應(yīng)的控制變量nICE(t)。

本文中引入基于動(dòng)力電池SOC的懲罰函數(shù),用于調(diào)整控制策略對(duì)電能使用的傾向。本文中采用的懲罰函數(shù)是由三次曲線函數(shù)和四次曲線函數(shù)擬合而成的分段S形曲線函數(shù),如圖5所示。設(shè)該懲罰函數(shù)的表達(dá)式為

其中DEVSOC=SOC-(SOCL+SOCH)/2

式中:SOCL為理想工作區(qū)的下限值;SOCH為理想工作區(qū)的上限值。

圖5 SOC懲罰函數(shù)

通過修改函數(shù)中參數(shù)a和b的值對(duì)懲罰函數(shù)的形狀進(jìn)行調(diào)整,具體的函數(shù)表達(dá)式如下。

當(dāng)DEVSOC≥0.2,即SOC≥0.7時(shí),

當(dāng)DEVSOC＜-0.2,即SOC＜0.3時(shí),

當(dāng) -0.2≤DEVSOC＜0.2,即0.3≤SOC＜0.7時(shí),

因此,經(jīng)SOC懲罰函數(shù)修正后的動(dòng)力電池SOC變化量對(duì)應(yīng)的等效油耗為

等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

具體描述:在當(dāng)前控制變量和狀態(tài)變量的允許范圍內(nèi),根據(jù)當(dāng)前動(dòng)力電池的SOC查表得到動(dòng)力電池的內(nèi)阻、開路電壓等關(guān)鍵參數(shù)。將控制變量的可行域等分,任一可行域內(nèi)的等分點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩值。根據(jù)當(dāng)前的車速、整車需求轉(zhuǎn)矩和可行域的等分點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,利用該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以求得兩個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,再結(jié)合動(dòng)力電池此刻的關(guān)鍵參數(shù)值、懲罰函數(shù)值和油電轉(zhuǎn)化系數(shù)可求得到當(dāng)前的瞬時(shí)等效油耗量。該瞬時(shí)等效油耗量和發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前瞬時(shí)油耗量之和最小值所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,即為當(dāng)前時(shí)刻混合驅(qū)動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作點(diǎn)。由于車速小于100km/h時(shí),整車可處于純電動(dòng)模式,所以當(dāng)車速小于100km/h時(shí),等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化算法還會(huì)利用類似上述的算法去求解滿足當(dāng)前驅(qū)動(dòng)需求的純電動(dòng)瞬時(shí)等效油耗量。通過對(duì)比混合驅(qū)動(dòng)模式下的等效燃油消耗和純電動(dòng)模式下的等效燃油消耗,進(jìn)而可以控制車速低于100km/h時(shí)是否起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖6 等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化算法流程圖

3 仿真結(jié)果與分析

本文中在Matlab仿真平臺(tái)上采用.m文件和Simulink聯(lián)合仿真,得到NEDC工況下的等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略和現(xiàn)有邏輯控制算法能量管理策略的控制效果。

3.1 仿真結(jié)果分析

圖7為NEDC工況初始SOC為0.7時(shí)邏輯控制算法能量管理策略和等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略仿真結(jié)果對(duì)比圖。

圖7 邏輯控制算法和等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化算法仿真結(jié)果對(duì)比

邏輯控制算法能量管理策略中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)多,每次起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間短,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高。等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的起停時(shí)機(jī),在整個(gè)行駛工況中優(yōu)先使用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng),當(dāng)SOC偏低時(shí),在懲罰函數(shù)的作用下整車起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),利用發(fā)動(dòng)機(jī)滿足整車驅(qū)動(dòng),避免在低驅(qū)動(dòng)功率需求下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)根據(jù)2.1節(jié)優(yōu)化得到的發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線,在該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)總是被控制在最優(yōu)工作點(diǎn),提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

表3為初始SOC為0.7時(shí)兩種算法能量消耗結(jié)果對(duì)比。相比現(xiàn)有邏輯控制策略,通過ECMS算法得到初始SOC為0.7的NEDC工況最優(yōu)控制策略,當(dāng)量油耗可降低21.47%。

表3 ECMS與邏輯算法能量消耗結(jié)果

3.2 能量管理控制策略的實(shí)車應(yīng)用

圖8 不同SOC下車速小于100km/h的發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式標(biāo)志位

由于基于最小值原理瞬時(shí)等效燃油消耗最小能量管理控制策略的計(jì)算量較大,運(yùn)算周期長(zhǎng),無法直接移植到現(xiàn)有的實(shí)車控制器中進(jìn)行應(yīng)用。為了能夠發(fā)揮基于最小值原理瞬時(shí)等效燃油消耗最小能量管理控制策略的優(yōu)勢(shì),同時(shí)又能達(dá)到在實(shí)車控制單元中使用的目的,現(xiàn)將其在每個(gè)SOC下仿真計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)起停標(biāo)志位和發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn)的結(jié)果擬合成車速和加速踏板開度的函數(shù),并制成map圖植入到整車控制單元中,通過車速信號(hào)和加速踏板開度信號(hào)查表來進(jìn)行實(shí)車控制。圖8為在每10%SOC間隔下車速低于100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式標(biāo)志位Mod_flg的map圖。當(dāng)Mod_flg等于1時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)須起動(dòng),整車須處于混合驅(qū)動(dòng)模式;反之,整車須處于純電動(dòng)模式。圖9為在每10%SOC間隔下車速低于100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)。圖10為在每10%SOC間隔下車速高于100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

圖9 不同SOC下車速小于100km/h的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在初始SOC為0.7,發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高于80℃的條件下開始轉(zhuǎn)鼓油耗試驗(yàn)。圖11為整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)圖。試驗(yàn)中數(shù)據(jù)通過ETAS公司的軟件INCA和硬件ES592進(jìn)行采集。

圖12為基于現(xiàn)有的整車邏輯控制策略和基于ECMS算法整車邏輯控制策略進(jìn)行的NEDC油耗試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),邏輯門限控制策略下的SOC下降了0.15,發(fā)動(dòng)機(jī)100km油耗為6.62L,等效100km油耗為7.39L。ECMS控制策略下的SOC下降了0.39,發(fā)動(dòng)機(jī)100km油耗為4.45L,等效100km油耗為6.48L。

圖10 不同SOC下車速高于100km/h的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)

圖11 整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)圖

相比原有策略,采用ECMS算法控制策略時(shí),在NEDC城市駕駛循環(huán)下大部分使用純電動(dòng)模式運(yùn)行,減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的起停次數(shù),僅在SOC較低時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在整車需求功率較低的工況,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際油耗。在城郊工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最優(yōu)工作點(diǎn),其功率基本滿足整車驅(qū)動(dòng)功率,動(dòng)力電池在中低速階段提供助力功率,在高速階段充電并回收能量。總的效果為當(dāng)量油耗降低了12.31%。

試驗(yàn)結(jié)果表明,中、低速下使用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng),高速下利用發(fā)動(dòng)機(jī)滿足整車驅(qū)動(dòng)功率需求的能量管理策略有利于降低整車的能量損耗。

圖12 邏輯算法和ECMS算法NEDC油耗試驗(yàn)

5 結(jié)論

本文中旨在提出一種基于最小值原理適用于新型復(fù)合功率分流混合動(dòng)力汽車的實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略。通過對(duì)該混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型,結(jié)合優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)模型,確定了以SOC為狀態(tài)變量,以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制變量的算法優(yōu)化方案?；谧钚≈翟淼墓茴D函數(shù),結(jié)合NEDC工況下的油電轉(zhuǎn)化系數(shù),得到等效燃油消耗最小實(shí)時(shí)優(yōu)化能量管理控制策略的實(shí)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。通過引入基于動(dòng)力電池SOC的懲罰函數(shù),用于調(diào)整控制策略對(duì)電能使用的傾向。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明,基于最小值原理的等效燃油消耗最小能量管理控制策略明顯減少了燃油消耗。與原有邏輯控制策略相比,在SOC初始值為0.7和NEDC循環(huán)工況條件下所得到的基于最小值原理的等效燃油消耗最小能量管理控制策略可降低12.31%的當(dāng)量油耗。

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A Study on Energy Management Strategy for Compound Power-split Hybrid Electric Vehicle

Shen Dengfeng1,Wang Chen1,2,Yu Haisheng1,Zhang Tong1&Yi Xianke1
1.Corun Hybrid Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201501; 2.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804

Based on Pontryagin's minimum principle and with minimizing equivalent instantaneous fuel consumption as objective,the energy management strategy for a compound power-split hybrid electric vehicle is formulated.A model for that energy management strategy of HEV is set up with MATLAB platform and a simulation is conducted.The results indicate that compared with existing logic threshold control strategy,using equivalent instantaneous fuel consumption minimization strategy can significantly enhance fuel economy.Based on simulation results, the control strategy formulated is integrated into vehicle controller and a real vehicle drum test is performed under NEDC driving cycle with a result showing that using the control strategy formulated make the equivalent fuel consumption of vehicle reduces by 12.31%.

HEV;power-split;energy management strategy;fuel economy

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.003

原稿收到日期為2016年1月6日,修改稿收到日期為2016年3月10日。

沈登峰,博士研究生,E-mail:dengfeng.shen@campus.tu-berlin.de。