混合動力客車自適應巡航控制研究*

馮 沖,張東好,羅禹貢,李克強

(清華大學,汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

混合動力客車自適應巡航控制研究*

馮 沖,張東好,羅禹貢,李克強

(清華大學,汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

為減輕駕駛員駕駛負擔,綜合改善車輛的行駛安全、節(jié)能和環(huán)保性能,針對所研究的混合動力客車,提出一種自適應巡航控制算法?？刂扑惴ú捎梅謱涌刂平Y構,由上層控制器和下層控制器組成。上層為多模式切換控制器,它根據(jù)本車與前車的行駛狀態(tài),得出整車期望加速度;下層為轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制器,它根據(jù)上層控制器得到的期望加速度,對發(fā)動機、起動發(fā)電集成電機和主電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩進行協(xié)調(diào)控制。開發(fā)了基于MICROAUTOBOX的整車控制器,并通過采用模擬雷達信號的轉(zhuǎn)鼓實驗臺實驗和采用真實雷達信號的實際道路實驗對所開發(fā)的控制系統(tǒng)進行驗證。結果表明,所開發(fā)的分層控制系統(tǒng)能實現(xiàn)混合動力客車的自適應巡航控制,不僅減輕了駕駛員的駕駛負擔和提高了行駛安全性,且在一定程度上實現(xiàn)了節(jié)能減排。

混合動力客車;自適應巡航;分層控制;多模式切換;協(xié)調(diào)控制

前言

新能源汽車的研究是節(jié)能環(huán)保車輛的研究熱點,主要集中在純電動汽車[1-2]、混合動力汽車[3-4]和燃料電池汽車[5-6]等方面的研究,另外還有研究機構將太陽能電池__[7]和車聯(lián)網(wǎng)[8]等技術應用于車輛的節(jié)能減排。對于交通安全方面的研究主要集中在安全輔助報警技術[9-10]、安全輔助駕駛技術[11-12]和全自動駕駛技術[13-14]等方面的研究。自適應巡航控制作為一種安全輔助駕駛技術,是實現(xiàn)交通安全的有效方法。將自適應巡航控制應用在混合動力車上可綜合改善車輛的節(jié)能環(huán)保和安全性能,現(xiàn)已在奔騰混合動力轎車上實現(xiàn)[15]。

為減輕大型客車駕駛員的駕駛負擔、綜合改善車輛的行駛安全、節(jié)能和環(huán)保性能,為混合動力客車提出了一種采用分層控制結構的自適應巡航控制算法。開發(fā)了基于MICROAUTOBOX的混合動力客車自適應巡航控制器,并通過轉(zhuǎn)鼓實驗臺實驗和實際道路實驗對所開發(fā)的控制系統(tǒng)進行了驗證。

1 自適應巡航分層控制系統(tǒng)

本文中的研究對象為一輛混聯(lián)混合動力客車,其結構如圖1所示。該混合動力客車的動力系統(tǒng)由發(fā)動機、ISG電機、主電機、離合器和電池組組成。該結構取消了變速器,通過協(xié)調(diào)發(fā)動機、ISG電機和主電機的工作滿足實際工況對動力系統(tǒng)的功率需求。

圖1 混合動力客車動力系統(tǒng)構成圖

混合動力客車的自適應巡航系統(tǒng)采用分層控制的結構,控制系統(tǒng)由上層多模式切換控制器和下層轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制器組成。其中:上層控制器根據(jù)本車與前車的車輛狀態(tài),確定整車期望加速度;下層控制器根據(jù)上層控制器得到的期望加速度,對發(fā)動機、ISG電機和主電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩進行協(xié)調(diào)控制。

1.1 上層多模式切換控制器控制策略

在多模式切換控制器中,將自適應巡航控制系統(tǒng)的控制模式劃分為:定速巡航模式、接近模式和距離保持模式。當本車與前車的距離大于設定的閾值時,本車進入定速巡航模式;當本車與前車的距離小于或等于設定的閾值時,本車根據(jù)當前狀態(tài)在上述模式中進行切換,不同模式之間的切換條件如圖2所示。圖中,v為本車速度,vc為駕駛員設定的巡航速度,vr為前車相對于本車的相對速度,adf為由距離保持模式計算得到的期望跟隨加速度,&&為邏輯與運算,||為邏輯或運算。

當駕駛員對加速踏板進行操作時,系統(tǒng)退出自適應巡航并響應駕駛員的加速需求,直到駕駛員停止對加速踏板的操作,系統(tǒng)再次進入自適應巡航狀態(tài);當駕駛員對制動踏板進行操作時,系統(tǒng)徹底退出自適應巡航并將駕駛權轉(zhuǎn)交給駕駛員。

圖2 多模式切換控制器結構圖

1.1.1 定速巡航模式

當本車與前車的距離大于設定的閾值或者本車和前車的狀態(tài)滿足圖2的判斷條件時,自適應巡航控制進入定速巡航模式。在該模式下,本車速度的控制目標為駕駛員設定的巡航車速,本車的期望加速度由一個PI控制器計算得到,即

式中:adc為定速巡航模式下本車的期望加速度;KP1為正的比例參數(shù);KI1為正的積分參數(shù)。

1.1.2 距離保持模式

當本車與前車的距離小于或等于設定的閾值并且系統(tǒng)滿足圖2中相應的判斷條件時,自適應巡航控制進入距離保持模式。在該模式下,車輛的控制目標為使本車與前車的相對距離跟隨安全距離。安全距離為

式中:d0為靜態(tài)安全距離;ts為安全時距。

在距離保持模式下,本車的期望加速度由一個PID控制器計算得到,即

式中:KP2為正的比例參數(shù);KI2為正的積分參數(shù);KD2為正的微分參數(shù);dr為前車對于本車的相對距離。

1.1.3 接近模式

當本車以高于前車的速度行駛且與前車的距離大于安全距離時,如果按照距離保持模式的算法對本車進行控制,則本車需要繼續(xù)加速向前行駛,但當距離誤差消除時,本車的速度會遠高于前車速度,這會導致本車向前過沖,甚至會產(chǎn)生危險。針對這種情況,設計了接近模式,該模式的設計原則是使本車減速駛向前車,當距離誤差消除時,本車速度與前車速度相等。本車的期望加速度為

最終本車的期望加速度可以表示為

1.2 下層轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制器控制策略

下層轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制器的作用是根據(jù)上層控制器得到的本車期望加速度,通過協(xié)調(diào)算法對發(fā)動機、ISG電機和電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩進行控制。根據(jù)車輛縱向動力學模型,可計算出發(fā)動機的期望轉(zhuǎn)矩為

式中:m為混合動力客車質(zhì)量;g為重力加速度;f為滾動阻力系數(shù);Cd為空氣阻力系數(shù);A為混合動力客車的迎風面積;R為混合動力客車的車輪半徑;gR為混合動力客車主減速器的減速比;η為混合動力客車傳動系統(tǒng)的傳動效率。

本文中控制算法的應用對象為圖1所示的混聯(lián)混合動力客車,下層控制器的控制目標是使動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的效果得以體現(xiàn),并實現(xiàn)混合動力客車的優(yōu)勢,使系統(tǒng)高效,平穩(wěn)運行,保證良好的經(jīng)濟性、動力性和舒適性。

1.2.1 驅(qū)動工況的協(xié)調(diào)控制策略

當Trq＞0時,混合動力客車處于驅(qū)動工況,由于研究對象的電機效率較高,所以轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略主要是基于發(fā)動機最優(yōu)工作曲線設計的,將驅(qū)動工況分為5種模式,分別是:純電動模式、串聯(lián)模式、并聯(lián)模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式和發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電模式。通過模式的劃分和切換使發(fā)動機大部分時間工作在它的最優(yōu)燃油消耗率曲線上。圖3為混合動力客車發(fā)動機的萬有特性圖,圖中將發(fā)動機的工作區(qū)域分為A,B,C和D 4個區(qū)域,圖中的粗虛線為發(fā)動機最優(yōu)燃油效率曲線。協(xié)調(diào)控制策略的控制目標是在車輛行駛過程中,無論整車處于何種驅(qū)動狀態(tài),都能控制發(fā)動機工作在燃油經(jīng)濟性較好的C區(qū)域內(nèi)。為達到這個目標,當發(fā)動機處于不同區(qū)域時,需要控制和調(diào)節(jié)發(fā)動機、主電機及 ISG電機的工作狀態(tài)。

混合動力系統(tǒng)5種驅(qū)動模式之間的判斷流程如圖4所示。圖中,n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速,ni為發(fā)動機參與驅(qū)動的轉(zhuǎn)速門限值,SOC為電池組的荷電狀態(tài), SOClow為電池組SOC值的低門限值,SOCmid為電池組SOC值的允許充電門限值,Tlow為發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域的轉(zhuǎn)矩下限,Thigh為發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域的轉(zhuǎn)矩上限。

圖3 發(fā)動機萬有特性圖

圖4 混合動力系統(tǒng)5種驅(qū)動模式的判斷流程

由于混合動力客車的傳動系統(tǒng)中沒有設計變速器,當車速低于20km/h時,對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于700r/min,此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于怠速轉(zhuǎn)速,不能參與驅(qū)動,而發(fā)動機轉(zhuǎn)速在怠速轉(zhuǎn)速附近效率較低,所以當發(fā)動機在轉(zhuǎn)速低于ni(1 200r/min左右)時不參與驅(qū)動。在圖3中,這種狀態(tài)對應A區(qū)域。因此當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于ni時,混合動力系統(tǒng)為純電動模式或串聯(lián)模式,這兩種模式之間的切換由電池組SOC值決定。當SOC≤SOClow時,電池組的剩余電量較低,則發(fā)動機帶動ISG電機給電池組充電,驅(qū)動系統(tǒng)工作在串聯(lián)模式下;當SOC＞SOClow時,電池組不需要充電,則驅(qū)動系統(tǒng)工作在純電動模式下,在純電動和串聯(lián)模式下,驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由主電機提供,主電機的轉(zhuǎn)矩為

發(fā)動機在轉(zhuǎn)速高于ni時可參與驅(qū)動,如果驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求較小,發(fā)動機處于B區(qū)域,如果此時SOC＜SOCmid,則驅(qū)動系統(tǒng)切換到發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電模式,通過ISG電機消耗掉發(fā)動機的一部分轉(zhuǎn)矩,從而提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩,使發(fā)動機工作在C區(qū)域內(nèi)的燃油效率最優(yōu)曲線上,此時發(fā)動機和ISG電機的轉(zhuǎn)矩為

式中:TECO(n)為當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速下燃油效率最優(yōu)曲線對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩;TISG的值為負,表示ISG電機提供的是與驅(qū)動方向相反的轉(zhuǎn)矩。

如果SOC≥SOCmid,驅(qū)動系統(tǒng)切換到純電動模式,主電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為

驅(qū)動系統(tǒng)切換到純電動模式的主要原因為發(fā)動機帶動ISG電機發(fā)電的綜合效率不高,系統(tǒng)設計時盡量通過主電機回饋制動來為電池充電,減少發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電的充電方式,以達到節(jié)能的目的。

當驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求較大時,如果發(fā)動機單獨驅(qū)動將工作在D區(qū)域,這種情況下如果SOC＞SOClow,驅(qū)動系統(tǒng)以聯(lián)合驅(qū)動模式工作,主電機參與驅(qū)動并提供一部分轉(zhuǎn)矩,使發(fā)動機工作在C區(qū)域內(nèi)的燃油效率最優(yōu)曲線上,此時發(fā)動機和主電機的轉(zhuǎn)矩為

如果SOC≤SOClow,為避免電池組的剩余電量過低而損壞電池組,主電機不參與驅(qū)動,驅(qū)動系統(tǒng)切換到發(fā)動機單獨驅(qū)動模式,發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的大小與式(9)相同。

除上述工況的其它工況,則驅(qū)動系統(tǒng)在發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下工作,此時發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為

根據(jù)上述的控制思想,只要電池組的SOC值高于SOClow,即可使發(fā)動機工作在高效的C區(qū)域內(nèi)。

當驅(qū)動系統(tǒng)在不同模式之間切換時,按照上述控制算法計算出的各執(zhí)行機構(包括發(fā)動機、ISG電機和主電機)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)突變的情況,為避免驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的突變帶來的沖擊,在模式切換的動態(tài)過程中,執(zhí)行機構的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為

式中:Tx(k)為動態(tài)過程中執(zhí)行機構的控制轉(zhuǎn)矩; Txa(k)為動態(tài)過程中執(zhí)行機構的實際轉(zhuǎn)矩;Txd(k)為切換后執(zhí)行機構的目標轉(zhuǎn)矩;tn為切換動態(tài)過程的過渡時間;δ為程序執(zhí)行的時間步長。

1.2.2 制動工況的協(xié)調(diào)控制策略

當Trq＜0時,混合動力客車處于制動工況。在此工況下,混合動力客車可通過氣壓制動系統(tǒng)和主電機進行制動,但要實現(xiàn)氣壓制動系統(tǒng)的制動需要對制動系統(tǒng)進行改裝。由于改裝工作較復雜,而且不成熟的改裝會影響行車安全,目前在進行實驗時,混合動力客車只采用主電機進行制動,所以在制動工況下主電機的控制轉(zhuǎn)矩為

2 控制策略的實驗驗證

圖5 混合動力實驗客車

為驗證混合動力客車自適應巡航控制算法的有效性和可靠性,開發(fā)了基于MICROAUTOBOX的整車控制器,并在如圖5所示的實驗車上對所設計的控制算法進行驗證。該實驗車為本課題組與廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司共同開發(fā)的混聯(lián)混合動力客車。驗證實驗包括采用模擬雷達信號的轉(zhuǎn)鼓實驗臺實驗和采用真實雷達信號的實際道路實驗。

2.1 采用模擬雷達信號的轉(zhuǎn)鼓實驗臺實驗

在轉(zhuǎn)鼓實驗臺上采用模擬的雷達信號進行實驗,模擬的前車車速以正弦波和三角波形式變化。對不同的信號周期和速度范圍的模擬信號進行了大量實驗,圖6和圖7分別為前車速度范圍為30～50km/h,信號周期為50s,信號形式為正弦波和三角波的實驗結果。在實驗中,將本車的巡航速度設定為60km/h。

由圖可以看出,當自適應巡航控制達到穩(wěn)定后,本車車速對目標車速的跟隨性能很好,距離誤差也很小,本車可以很好地跟隨前車行駛。由于在實驗時,電池的SOC值較高,混合動力客車的驅(qū)動系統(tǒng)沒有工作在發(fā)動機驅(qū)動且發(fā)電的模式,因此ISG電機的轉(zhuǎn)矩一直為0,在圖中沒有表示。圖6(d)和圖7(d)為主電機和發(fā)動機之間的轉(zhuǎn)矩分配,由圖中可以看出發(fā)動機在大部分時間都工作在燃油效率最優(yōu)曲線上。由電池的SOC值可以看出,當主電機回饋制動時,電池的SOC升高,雖然主電機參與了驅(qū)動,但由于主電機回饋制動的作用,電池的SOC在整個實驗過程中基本沒有降低。圖6(f)和圖7(f)為自適應巡航系統(tǒng)的工作模式,其中:0表示未進入巡航控制;1表示定速巡航模式;2表示距離保持模式;4表示接近模式。

2.2 采用真實雷達信號的實際道路實驗

為進一步驗證控制算法的有效性和可靠性,在實際道路上采用真實的雷達信號進行了大量實驗。圖8為一組實驗結果,在實驗時,前車以一定加速度進行加速和減速,本車的巡航速度設定為60km/h,跟隨前車行駛。

由圖中可以看出,當自適應巡航控制進入距離保持模式后,本車對前車的速度跟隨效果很好,距離誤差也很小。圖8(d)為各執(zhí)行機構的轉(zhuǎn)矩分配,由于在實驗時電池的SOC值相對較低,ISG電機進行了發(fā)電控制,發(fā)動機在整個實驗過程中都處于起動狀態(tài),這是由于在實驗時開啟了空調(diào)系統(tǒng),發(fā)動機被強制起動的緣故。

圖6 正弦波輸入工況實驗結果

3 結論

針對混聯(lián)混合動力客車的特點,設計了自適應巡航控制算法,在轉(zhuǎn)鼓實驗臺和實際道路上對控制算法進行了實驗驗證,根據(jù)實驗結果可得出以下結論。

(1)所設計的控制算法可實現(xiàn)混合動力客車的自適應巡航控制。

圖7 三角波輸入工況實驗結果

(2)所設計的控制算法可保證本車很好地跟隨前車行駛,提高了本車的行駛安全性,并減輕了駕駛員的駕駛負擔。

圖8 真實雷達信號輸入實驗結果

(3)所設計的控制算法可使發(fā)動機工作在燃油效率較高的區(qū)域,并可通過主電機回饋制動回收能量,提高了整車的燃油經(jīng)濟性。

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A Research on Adaptive Cruise Control for Hybrid Electric Bus

Feng Chong,Zhang Donghao,Luo Yugong&Li Keqiang
Tsinghua University,State Key Laboratory of Automotive Safety&Energy,Beijing 100084

In order to lower the driving burden of driver and comprehensively improve the driving safety, energy saving and environmental protection performances of vehicle,an adaptive cruise control(ACC)algorithm is proposed for a hybrid electric bus.The control algorithm adopts a hierarchical control structure,in which the upper layer,multi-mode switching controller,is for obtaining desired vehicle acceleration according to the driving state of ego vehicle and front vehicle,while the lower layer,torque coordination controller,is for fulfilling the coordination control of the driving torques of engine,integrated starter/generator and driving motor according to the desired acceleration obtained from the upper layer controller.A vehicle controller is developed based on MICROAUTOBOX and is verified through both drum test with simulated radar signal and actual road test using real radar signal.The results show that the hierarchical control system developed can realize the adaptive cruise control of hybrid electric bus,not only reducing driver's burden,improving driving safety,but also realizing the energy saving and emission reduction of vehicle to a certain extent.

HEB;ACC;hierarchical control;multi-mode switching;coordination control

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.011

*國家自然科學基金(51575295)資助。

原稿收到日期為2015年12月28日。

馮沖,博士,E-mail:bhfengchong@163.com。