插電式混合動(dòng)力客車能量管理最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)研究

岳興蓮, 張紅黨,2, 劉勺華,2

(1. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程學(xué)院, 江蘇 常州 213164； 2. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在新能源汽車發(fā)展中,插電式混合動(dòng)力客車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)具有動(dòng)力電池容量大、有便捷的外部充電插口而備受歡迎?，F(xiàn)已被廣泛接受的混合動(dòng)力客車(hybrid electric vehicle,HEV)主流構(gòu)型有串聯(lián)構(gòu)型、同軸并聯(lián)構(gòu)型、雙軸并聯(lián)構(gòu)型、同軸混聯(lián)構(gòu)型以及基于行星齒輪系功率分流構(gòu)型等[1]?；旌蟿?dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)、并聯(lián)以及混聯(lián)3種。串聯(lián)式混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)相結(jié)合,產(chǎn)生的能量直接驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)或給動(dòng)力電池充電；并聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng),在車輛處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),電動(dòng)機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)的角色給動(dòng)力電池充電；混聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)有串聯(lián)、并聯(lián)兩條不同的路徑來給動(dòng)力電池充電。

但不論何種構(gòu)型,都是為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)工作效率的綜合優(yōu)化,從而提高整車的經(jīng)濟(jì)性和排放性能[2]。在插電式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)不僅為車輪提供扭矩,也是捕獲整車再生制動(dòng)能量、給動(dòng)力電池充電的重要部件。因此,采用適當(dāng)?shù)哪芰抗芾聿呗?能夠?qū)崿F(xiàn)插電式混合動(dòng)力客車最優(yōu)能量分配,減緩動(dòng)力電池容量衰減,提高續(xù)駛里程。

目前主流的能量管理策略有基于規(guī)則式的能量管理策略[3]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量管理策略[4]、龐德里亞金極小值原理的全局優(yōu)化策略[5]、模糊控制優(yōu)化策略[6]等。本文提出工況識(shí)別的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化能量管理策略,并在氣-電混合動(dòng)力客車實(shí)車上驗(yàn)證了能量管理策略的有效性。

1 插電式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)

無論插電式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)采用何種構(gòu)型,其主要組成部件均包括發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、ISG電機(jī)、逆變器、輔助功率器件(水泵、油泵、氣泵、助力電機(jī)等)、變速器,這些功率部件通過機(jī)械連接和電氣連接構(gòu)成了整車動(dòng)力系統(tǒng)。

1.1 PHEV動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

本文的研究對(duì)象是插電式混合動(dòng)力客車,采用同軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu),采用CAN總線方式進(jìn)行通信。同軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)合與分離,提高能量的利用率。同軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)由鎳氫動(dòng)力電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、逆變器、變速箱、ISG電機(jī)以及各自動(dòng)力部件的控制單元(electric control unit,ECU)構(gòu)成,發(fā)動(dòng)機(jī)與低速大扭矩永磁同步電機(jī)同軸布置,在離合器后端耦合,如圖1所示。

圖1 同軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)PHEV動(dòng)力系統(tǒng)

由圖1可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)整車控制器指令實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能量的自由切換,靈活應(yīng)對(duì)各種行駛工況,尤其是在車輛需頻繁起停的城市路況中,避免了大電流脈沖對(duì)動(dòng)力電池的沖擊。試驗(yàn)樣車整車參數(shù)見表1。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

表1(續(xù))

1.2 PHEV動(dòng)力系統(tǒng)工況模式

同軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)式PHEV動(dòng)力系統(tǒng)具有4種典型的工況模式,分別是發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式、純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式和再生制動(dòng)模式,如圖2所示。

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。該工況模式適用于車輛爬坡、加速等行駛工況,為整車提供足夠的動(dòng)力。此時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),離合器閉合,將扭矩輸入變速箱；動(dòng)力電池組釋放電能,經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,給動(dòng)力電機(jī)供電,動(dòng)力電機(jī)也將扭矩輸入變速箱驅(qū)動(dòng)電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同將動(dòng)力輸入變速箱、后橋,從而驅(qū)動(dòng)車輛加速行駛。

(2) 純電動(dòng)模式。該工況模式適用于車輛起步時(shí)。由電機(jī)單獨(dú)將動(dòng)力輸入變速箱、驅(qū)動(dòng)橋,車輛起步。此時(shí)離合器處于分離狀態(tài),由動(dòng)力電池組給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供給動(dòng)力。

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。該工況模式適用于車輛一般行駛工況。發(fā)動(dòng)機(jī)處于中低速運(yùn)轉(zhuǎn),離合器閉合,將扭矩輸入電機(jī)、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋,從而驅(qū)動(dòng)車輛行駛。電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作狀態(tài),所發(fā)出的交流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為直流電,給動(dòng)力電池組充電。

(4) 再生制動(dòng)工況模式。該工況模式適用在車輛制動(dòng)、減速駐車時(shí)。當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí),驅(qū)動(dòng)橋傳來的慣性扭矩,回收制動(dòng)能量并經(jīng)變速箱帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作狀態(tài),所發(fā)出的交流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為直流電,對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行充電,節(jié)約能源且減少了剎車片的磨損。

2 插電式混合動(dòng)力客車能量管理

混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的本質(zhì)區(qū)別在于其不再由單獨(dú)的一套發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng),電機(jī)起到另一驅(qū)動(dòng)源和發(fā)電機(jī)的雙重角色。插電式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)能量形式和來源多樣化,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率和高效區(qū)間均優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)[7]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)工作效率、頻率響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)矩特性等固有特性的差異性,導(dǎo)致能量管理策略對(duì)PHEV的整車性能提升具有決定性作用[8]。動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法是一種重要的提高混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和其他性能的優(yōu)化控制技術(shù)[9],能對(duì)離散時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行分割最優(yōu)控制,而插電式混合動(dòng)力客車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性時(shí)變系統(tǒng)。

圖2 同軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)PHEV典型工況模式

本文采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)插電式混合動(dòng)力客車能量管理進(jìn)行最優(yōu)控制。

2.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量管理策略

動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法是貝爾曼(Bellman)最早提出的一種研究多階段決策問題的理論和方法[10]。動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法基于最優(yōu)性原理、分段求解最優(yōu)值,是一種解決多段決策優(yōu)化的先進(jìn)算法[11]。在動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的多段決策過程中,初始階段、初始狀態(tài)以及初始決策的變化不能影響余下階段決策的最優(yōu)化。

PHEV的動(dòng)力系統(tǒng)能量管理需在保證整車的動(dòng)力性能的同時(shí),最大限度地回收制動(dòng)產(chǎn)生的能量,并且所產(chǎn)生的大電流脈沖對(duì)動(dòng)力電池的沖擊最小?；旌蟿?dòng)力汽車的混合度直接表征了兩種動(dòng)力源的功率組合和分配比例,是混合動(dòng)力汽車的重要設(shè)計(jì)參數(shù),也是混合動(dòng)力汽車特性參數(shù)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容[12]。整車混合度表征了發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及動(dòng)力電池等關(guān)鍵部件的節(jié)能與動(dòng)力性能。

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力汽車的混合度H定義如式1所示,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量管理策略的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)

動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的動(dòng)態(tài)求解過程有前向和后向2種求解方法。本文采用后向求解最優(yōu)控制序列,選取發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率、電機(jī)需求功率以及控制約束為狀態(tài)矢量；選取動(dòng)力電池荷電狀態(tài)為決策變量。

首先設(shè)定PHEV能量最優(yōu)管理系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

(2)

其次,根據(jù)最優(yōu)原理以及最優(yōu)管理策略的基本原則,選取能量管理目標(biāo)函數(shù)：

(3)

2.2 復(fù)雜工況識(shí)別

PHEV對(duì)復(fù)雜行駛工況的識(shí)別能夠有效地提升能量管理效率,避免車輛在頻繁啟停過程中大電流脈沖對(duì)動(dòng)力電池的沖擊。結(jié)合并聯(lián)式PHEV不同的工況模式,以PHEV整車混合度以及動(dòng)力電池荷電狀態(tài)為優(yōu)化對(duì)象和優(yōu)化目標(biāo),制定與工況模式相適應(yīng)的能量管理策略：

圖3 動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量管理策略的控制結(jié)構(gòu)

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)

(2) 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

(4) 再生制動(dòng)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用的基于工況模式識(shí)別的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法,利用混合度這一性能參數(shù)對(duì)PHEV能量最優(yōu)化進(jìn)行表征。在能量管理策略優(yōu)化過程中,以氣-電混合型PHEV作為研究對(duì)象,對(duì)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)規(guī)劃策略的適用性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果如圖4—圖7所示。

圖4 PHEV車速

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)輸出功率

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖7 動(dòng)力電池荷電狀態(tài)

由圖4—圖6可知,車輛在整個(gè)行駛工況中經(jīng)歷了加速行駛、一般速度行駛、減速剎車、制動(dòng)駐車等狀態(tài)。在發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的協(xié)同工作過程中,很好地執(zhí)行了能量管理策略的最優(yōu)分配。在減速剎車過程中回收了制動(dòng)能量,電池SOC增大,能增加車輛的續(xù)駛里程。由圖7動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)結(jié)果圖可知,車輛在行駛工況下電池回收能量,SOC上升,且制動(dòng)時(shí)電流對(duì)電池的沖擊減緩,實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力電池的保護(hù)。

4 結(jié)語

在混合動(dòng)力汽車的能量管理中,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法作為能量最優(yōu)分配的管理策略,可以減緩大電流對(duì)動(dòng)力電池的沖擊和電池容量的衰減。通過實(shí)車驗(yàn)證表明：以混合度作為性能表征參數(shù),采取的能量管理策略能夠提升車輛的續(xù)駛里程,減小對(duì)動(dòng)力電池的沖擊。