基于dSPACE并聯(lián)式混合動力汽車能量管理策略的研究

杜常清，徐懂懂

（武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

混合動力汽車既可以改善燃油經濟性，還可以降低排放，被認為是近期最有希望替代傳統(tǒng)汽車的方案。由于能量分配管理策略從根本上決定了混合動力電汽車整體性能的優(yōu)劣，按照形式工況需求，實時、合理、最優(yōu)地分配驅動裝置（發(fā)動機與電機）動力輸出成為整車控制策略的核心所在[1-2]。

目前，關于插電式混合動力汽車PHEV（plug-in hybrid electric vehicle）能量管理問題的許多研究僅僅停留在仿真階段，仿真能夠對控制策略進行初步的驗證，但由于仿真過程中對實際部件做了不同程度的簡化，各類信號干擾小，存在物理延遲、仿真時間與真實時間不一致等問題，導致仿真很難真實反映出控制效果，需要做進一步的實時驗證。而整車試驗雖然能夠將真實道路信息施加在車輛上，但在樣車上進行控制策略的實際測試與研究所需的成本和時間通常是不允許的，且若控制策略存在缺陷或者系統(tǒng)布置需要更改，其實現(xiàn)也相當困難。

確定規(guī)則控制策略的思想是根據(jù)發(fā)動機和電機的特性，其優(yōu)點是控制策略思路清晰，算法簡單，計算量小，也是第一種應用在商品化混合動力汽車的控制策略，在此采用了基于確定規(guī)則的控制策略[3-6]。結合現(xiàn)代控制器V字型開發(fā)流程，基于模型的設計MBD（model-based design）思想建立快速原型則能夠很好地解決仿真中存在的實時性與信號真實性問題，基于快速控制原型的臺架試驗相對于整車試驗在成本和時間上具有極大優(yōu)勢，且能夠接受系統(tǒng)不同的布置形式，可以進行多類型靈活的測試、試驗。最后，利用半實物仿真與控制器開發(fā)的軟硬件平臺dSPACE與Matlab/Simulink無縫連接，進行半實物仿真試驗，研究該能量管理策略對并聯(lián)式混合動力汽車的實效性和合理性，其試驗結果更加接近真實。

1 能量管理策略

在混合動力汽車前向仿真結構中引進了駕駛員模型，由駕駛員—控制器—車輛—駕駛員構成閉環(huán)回路，如圖1所示。前向仿真的能量流、信號傳遞與實際系統(tǒng)完全一致，其結構決定了前向仿真能夠進行瞬態(tài)與非線性過程的研究。因此，在控制器以及控制策略開發(fā)過程中，常使用前向仿真作為開發(fā)、測試基礎。

圖1 前向仿真中整車控制器結構Fig.1 Structure of vehicle controller in forward simulation

以電驅動自動變速器EMT（electric-drive mechanical transmission）的同軸并聯(lián)混合動力汽車為研究對象，系統(tǒng)搭載1臺四缸1.8 L汽油機，峰值轉矩33 kW的永磁同步電機集成在1臺四速自動變速器內，構成電驅動機械變速器系統(tǒng)，動力系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 動力系統(tǒng)結構Fig.2 Power system structure

1.1 能量管理策略分析

在PHEV控制過程中，首要任務是在滿足循環(huán)工況要求的前提下，降低發(fā)動機燃油消耗與排放。同時，為提高電池充放電效率并延長其使用壽命，在每次循環(huán)工況后，需使電池的荷電狀態(tài)SOC（state of charge，為剩余電量與額定電量的比值）的初始與終止值保持在較小的變化范圍內。另外，由于發(fā)動機作為涉及機械、流動、燃燒、傳熱的復雜非線性時變系統(tǒng)，其動態(tài)響應性和控制準確性都相對較差，而電機作為電力系統(tǒng)，具有敏捷的動態(tài)特性，且其控制技術也較為成熟，故在電池電量允許的情況下，應盡量采用電機帶動車輛起步，以提高整車的動態(tài)反應能力。若動力電池SOC很低時，電機不再參與工作，發(fā)動機單獨工作，且利用其富余轉矩給電池充電；而當電池SOC很高時，此時電池不再適合回收能量，制動能量回收暫時關閉。

1.2 驅動控制策略

混合動力系統(tǒng)轉矩分配包括以下內容：（1）總需求轉矩的確定；（2）系統(tǒng)模式的確定；（3）在特定工作模式下2套動力系統(tǒng)輸出轉矩的確定[7]。

1.2.1 總需求轉矩

車輛總需求轉矩確定方式有多種，在此計算總需求轉矩的方法[7]如下：

a.驅動模式下，油門踏板開度 γ∈［0，1］，nm為電機轉速，Treq為需求轉矩。根據(jù)nm查表得到當前轉速下發(fā)動機和電機的最大輸出轉矩分別為Te，max，Tm，max，則驅動模式下總需求轉矩為

b.制動模式下總需求轉矩如式（2）所示，制動踏板行程 α∈［-1，0］，

式中：Tb，max為最大汽車制動需求轉矩 （按國家規(guī)定80 km/h制動距離為50 m，加速度為-4.9 m/s2換算得到）。

駕駛員模型一般根據(jù)目標車速與實際車速做差，以所得的差值來判斷速度跟隨效果，通常使用PID控制器調節(jié)油門、制動踏板開度，若單純使用比例模塊調節(jié)，速度跟隨效果顯然不理想。使用PID調節(jié)時，參數(shù)整定是其關鍵，通常需要反復整定、模型仿真比較，才能得到符合需求的參數(shù)。

1.2.2 系統(tǒng)模式

根據(jù)系統(tǒng)工作模式分析，系統(tǒng)工作模式主要根據(jù)動力電池SOC的值（包括設定電池允許進行行車充電的SOC最大值Sc，max及電池允許放電的最小值Sc，min），系統(tǒng)總需求轉矩Treq，當前轉速下發(fā)動機最小、最大輸出轉矩值 Te，max和 Tm，min，車輛運行速度，等確定。

在確定發(fā)動機最大、最小工作轉矩的基礎上適當擴大模式切換范圍，即由單一的某一數(shù)值轉變?yōu)橐訲e，max，Te，min為中心的一小段區(qū)間，從而避免需求轉矩小范圍波動導致的系統(tǒng)工作模式來回切換，保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運行。使用上一時刻的系統(tǒng)工作模式作為反饋信號，當系統(tǒng)引入反饋信號時，會出現(xiàn)輸出量直接賦值給輸入量的情況，從而產生代數(shù)環(huán)。為避免仿真過程中代數(shù)環(huán)的出現(xiàn)，在仿真模型中添加Memory模塊。系統(tǒng)模式確定邏輯（針對Sc>Sc，min）見表1。

表1 驅動模式下模式變化邏輯Tab.1 Mode change logic in drive mode

在離線仿真時，嘗試使用不同的上下界限，經過比較發(fā)現(xiàn)a=b=c=d=5時具有較好的仿真效果。

除了正常驅動模式，還需要考慮其他幾種特殊模式：當Sc

表2 特殊模式變化邏輯Tab.2 Special mode change logic

1.2.3 轉矩分配策略

為了轉矩分配分析更加清晰，在此忽略傳動系統(tǒng)中的能量損失，其效率記為100%。表3為相關控制量的定義及其含義。

表3 控制量的定義及其含義Tab.3 Definition and meaning of control quantity

轉矩分配規(guī)則如下：

①系統(tǒng)處于純電動模式，即hevmod=1，且motmod=1，此時電機提供車輛的需求轉矩為

若motmod=-1，此時車輛有制動需求，系統(tǒng)處于制動能量回收狀態(tài)，若 abs（Treq）

若 motmod=-1，且 abs（Treq）>Tm，max，此時電機以最大的負轉矩輸出，剩余的制動轉矩由機械制動器提供，即

②系統(tǒng)處于發(fā)動機單獨工作模式時，即hevmod=1，且motmod=0，此時發(fā)動機提供車輛的需求轉矩為

當hevmod=1，且motmod=-1時，系統(tǒng)處于行車充電模式，此時發(fā)動機輸出轉矩驅動車輛且利用剩余轉矩給動力電池進行充電；

若0

若 Te，min

若 Te，opt

③系統(tǒng)處于發(fā)動機與電機聯(lián)合驅動模式時，即hevmod=3，此時發(fā)動機和電機同時提供車輛的需求轉矩；

若 Treq

若 Treq≥Tm，max+Te，opt， 發(fā)動機以最大轉矩輸出，電機提供的額外轉矩為車輛需求轉矩與發(fā)動機最優(yōu)轉矩的差值以及電機最大轉矩的較小者，即

2 仿真結果及分析

為測試控制策略在真實系統(tǒng)中的控制效果，搭建了EMT試驗臺架。臺架由如下幾部分構成：①EMT，負載電機及其相應的控制器、高壓電池及BMS等高壓系統(tǒng)；②dSPACE控制系統(tǒng)；③油泵、電磁閥、各類傳感器及其低壓供電系統(tǒng)；④聯(lián)軸器、固定支架、冷卻回路等物理系統(tǒng)。EMT臺架測試系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 試驗臺架原理Fig.3 Schematic of test bench

從成本和慣性負載兩方面考慮，在設計試驗臺架時，使用了另一臺電機作為負載（功能與測功機類似，稱為負載電機）。測功機能夠在動力系統(tǒng)試驗中，施加載荷并對所測對象進行全面綜合的測試，但主流的測功機成本相對較高，許多用戶沒有條件接受；真實系統(tǒng)在換檔過程中車輛雖然中斷動力傳遞但繼續(xù)依靠慣性前行，速度基本保持不變，在試驗臺架中如果EMT輸出軸無法提供合適的轉動慣量，這將與實際車輛換檔過程存在較大差異。負載電機的存在為變速器輸出軸提供了合適的負載，并能夠模擬實際車速為換檔提供條件，其成本較主流測功機大幅度降低。試驗臺架實物如圖4所示。

圖4 試驗臺架實物Fig.4 Test bench physical

能量管理控制策略完成計算機仿真后，將控制策略嵌入到dSPACE系統(tǒng)中，進行快速控制原型的試驗。限于試驗條件限制，輸出的指令雖然無法直接傳輸給發(fā)動機等真實部件，但在dSPACE系統(tǒng)中的仿真與在Matlab中已經有本質區(qū)別。系統(tǒng)輸入為真實的加速、制動踏板信號，車輛速度與當前檔位；系統(tǒng)輸出為發(fā)動機與電機轉矩以及各類開關信號，如圖5所示。

圖5 能量管理控制原型Fig.5 Energy management control prototype

在此，選取加速和制動2種情況進行能量管理控制原型試驗，系統(tǒng)歷經純電動模式、發(fā)動機單獨驅動模式和聯(lián)合驅動模式，其中包括制動能量回收階段。

從電動汽車試車工作過程出發(fā)，將轉矩量作為整車能量管理的落腳點，提出了基于規(guī)則的能量管理策略。圖6為在加速情況下，隨著加速踏板開度的不斷增大，系統(tǒng)從純電動模式過渡到發(fā)動機單獨驅動模式最后到聯(lián)合驅動模式下發(fā)動機、電機轉矩及離合器狀態(tài)的變化。

加速踏板開度較小系統(tǒng)處于純電動模式時，發(fā)動機不工作，電機單獨輸出轉矩驅動車輛前行，離合器分離；當轉矩需求逐漸增大，系統(tǒng)進入發(fā)動機單獨驅動模式，離合器結合，發(fā)動機輸出轉矩，電機停止工作；而系統(tǒng)有大轉矩需求時，電機和發(fā)動機共同驅動車輛前行，離合器結合，系統(tǒng)處于聯(lián)合驅動模式，且此時發(fā)動機能夠按照最優(yōu)轉矩曲線輸出。

圖7為系統(tǒng)減速制動時進行制動能量回收時電機輸出轉矩與電池Sc變化曲線，電機輸出的負轉矩隨著踏板開度的增加而增大，而電池Sc因為制動能量回收而逐漸升高，驗證了所建控制系統(tǒng)的制動能量回收功能。

圖6 加速試驗不同模式下發(fā)動機、電機轉矩及離合器狀態(tài)的變化Fig.6 Change of engine，motor torque and clutch state under different modes in the accelerated test

圖7 系統(tǒng)制動試驗Fig.7 System braking test

3 結語

基于dSPACE平臺進行并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量管理策略的研究，采用了基于規(guī)則的能量管理控制策略，重點研究了MBD思想建立快速原型解決仿真中存在的實時性與信號真實性問題；在半實物仿真與控制器開發(fā)的軟硬件平臺dSPACE上進行半實物仿真試驗，在加速和制動兩種典型情況下進行轉矩分配，臺架直接連接了實車的加速、制動踏板信號，針對轉矩分配難以動態(tài)驗證的情況，在離線仿真的基礎上引入了實際部件，使得結果更加接近實際，達到了預期目標。后續(xù)將對控制策略進行優(yōu)化，并在實際車輛上進行試驗，通過硬件在環(huán)仿真對能量管理控制策略的有效性進行驗證，并進一步優(yōu)化控制參數(shù)。

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