智能網聯環(huán)境下的混合動力汽車分層能量管理

文/孫靜霞，山東交通職業(yè)學院

1 引言

混合動力汽車的能量管理控制方法直接影響整車的動力性、經濟性、舒適性和排放，是混合動力汽車領域研究的重點和難點。目前，已經實現產業(yè)化應用的是基于規(guī)則的控制方法，但這種控制方法依賴專家經驗，不具備良好的工況適應性，因此，學者們重點研究了基于優(yōu)化的控制方法。

2 上層控制器的數學模型

本文中設計的分層控制系統(tǒng)中，上層控制器基于交通信號燈正時計算目標車速的范圍，基于快速模型預測算法，求解給定時間窗口的最優(yōu)目標車速序列。

本文中利用交通信號燈正時求解目標車速的范圍，避免混合動力汽車紅燈停車。當下一路口為綠燈且滿足最高行駛車速約束時，汽車可提高其行駛車速至不超過最大允許車速的最大可能值以保證在紅燈到來之前經過某一交叉路口，或者降低行駛車速保證經過交叉路口時該路口剛好由紅燈變?yōu)橄乱粋€綠燈。當下一路口為紅燈時，汽車須減速以保證在經過該路口時剛好由紅燈變?yōu)榫G燈，或者在下一個綠燈結束之前經過該交叉路口。為了在盡可能避免紅燈停車的基礎上減少汽車行駛的時間，汽車目標車速的初始值一般設定為目標車速范圍的上限。

3 下層控制器的數學模型

本文中設計的下層控制器集成能量管理優(yōu)化算法，利用接收到的駕駛員加速和制動信息，計算當前時刻動力部件的最優(yōu)轉矩或功率分配，然后將最優(yōu)控制指令發(fā)送給動力部件控制器。各動力部件控制器根據控制指令控制動力部件執(zhí)行相關操作，并將其實際輸出反饋給下層控制器進行閉環(huán)修正。為在保證實時控制的基礎上實現混合動力汽車最優(yōu)轉矩分配，本文中采用一種基于 Willans Line方法的等效燃油消耗最小策略。WL-ECMS 的基本原理是在控制系統(tǒng)建模時，基于發(fā)動機和電機的 Willans Line 模型，將依賴于查表的參數近似規(guī)則化，從而將基于搜索的 ECMS 算法簡化為與基于規(guī)則類似的算法，在保證近似最優(yōu)解的前提下大大節(jié)省時間成本。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗設置

采用美國克萊姆森大學的大型服務器 Palmetto(本次試驗采用計算模塊為 HP DL580，處理器為 24核 Intel Xeon7542，RAM為 128G) 計算上層控制器的最優(yōu)目標車速，用于下層能量管理控制方法的硬件在環(huán)試驗。本次硬件在環(huán)試驗，發(fā)動機及與其同軸耦合的 ISG 電機為實物，其余部件均采用 dSPACE 模擬。采用 dSP ACE Micro-Au tobox 作為控制器原型，與主機連接；采用 CLP11 04AD /DA 板通過 CAN 總線連接 Autobox 與 AVL 試驗臺架，傳輸發(fā)動機和 ISG 電機控制指令并反饋其實際輸出值至 dSPACE仿真模型。將控制代碼編譯并下載到 Autobox 后，進行實時的硬件在環(huán)試驗，試驗時間設置為 450s。

在測試程序中，設置車隊中有 10 輛同型號的混合動力車且都在同一條車道上運行；汽車的初始位置為［1211099885706045. 566630. 229315. 91960. 8724］，單位為 m；初始車速為［14. 5161516. 316. 712. 0813. 004714. 178810. 373012. 0473］，單位為 m / s；模型預測的時間窗口為 6s，計算的步長為0.5s；設置信號燈數量為15，紅燈持續(xù)時間為40s，綠燈持續(xù)時間為15s，兩個交通信號燈的距離為 500m；設置汽車的最大、最小車速分別為 20m / s 和 0。設置每輛車的整車整備質量為 1 750kg，迎風面積為2. 36m2，空氣阻力系數為 0. 32，滾動阻力系數為0. 015，道路坡度為 0，發(fā)動機功率為 103kW，電機的額定功率為 40 kW，峰值功率為 80kW。

4.2 仿真與試驗結果

采用 F—MPC 的上層控制器最優(yōu)預測車速與采用 MPC 的最優(yōu)預測車速大致相同，從而驗證了本文中的上層控制方法控制效果良好。由下層控制器的車速跟隨曲線可知，基于 WL—ECMS 的下層控制器的跟隨車速與上層控制器的最優(yōu)預測車速基本一致，說明基于 WL-ECMS 的下層控制器可以保證良好的車速跟隨，實現混合動力汽車基本的能量管理。

5 結語

上層控制器基于 F-MPC 與基于 MPC 得到的最優(yōu)車速曲線基本保持一致。對于一個時間步長，程序的計算時間降低到 MPC的 7. 2% ，且上層控制器采用 F-MPC 與采用 MPC 時的百公里油耗相差較小。下層控制器采用 WL-ECMS 時動力電池SOC 波動在合理的范圍內，車速跟隨誤差較小，百公里油耗接近基于 ECMS的百公里油耗。對于一個時間步長，基于 WL-ECMS 下層能量管理控制方法 的計算時間降低到ECMS 的1.48% 。采用基于車聯網的控制方法求解最優(yōu)目標車速，混合動力汽車在經過交通信號燈時可以有效的避免紅燈停車。