雙行星混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)瞬時最優(yōu)能量管理策略研究

戴宇童，馬瑋廷

雙行星混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)瞬時最優(yōu)能量管理策略研究

戴宇童，馬瑋廷

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

傳統(tǒng)的基于發(fā)動機最優(yōu)的控制策略目前只能使得發(fā)動機的效率達到最佳，它沒有優(yōu)化雙行星混合能源系統(tǒng)的整體的效率。因此來說能源節(jié)約的效果一般。為了使車輛在不同車速下都能保持較高的效率，此文將探討瞬時最優(yōu)的能量控制的方式，通過探尋全車速下都能保持較高效率的點，以此減少燃油消耗，提高其燃油經濟性。

混合動力客車；能量管理；瞬時最優(yōu)

1 系統(tǒng)效率分析

系統(tǒng)最優(yōu)控制策略的最重要部分是在最佳速度、扭矩曲線使發(fā)動機工作點能夠維持其上，通過mg1調整發(fā)動機轉速和扭矩，MG2彌補發(fā)動機輸出扭矩較低的情況。通過最佳的發(fā)動機效率改善車輛的燃油經濟型。但是，此處所提及的發(fā)動機的最佳目標，其只是發(fā)動機的各個部件的效率到達了最佳，而對傳動系統(tǒng)的效率對整體效率的改變效果并不明顯。

針對雙行星式混合動力系統(tǒng)的前行星排，應用杠桿法進行分析，見圖1。圖中，虛線表示每個動力源的轉速，實線表示箭頭表示電源轉矩，箭頭方向表示轉矩方向。有圖1可得，按照電動機MG1的轉速，混合模式被分為機械點，機械點之前的低速模式和機械點之后的高速模式。在這三種模式中，不同的模式會產生不同的情況。例如，當電動機MG1以正速工作時，系統(tǒng)位于機械點的前面的低速模式；當電動機MG1以負速工作時，系統(tǒng)在機械點后處于高速模式；當電動機MG1速度為0時，此時的系統(tǒng)則會與機械點重合。在低速模式情況下，此時的電動機MG1會處于正速，輸出的轉矩是負值，處于發(fā)電狀態(tài)[1]。在高速模式中，電動機MG1處于負速工作的狀態(tài)，其所輸出轉矩為負值，MG2進入發(fā)電模式來保持系統(tǒng)平衡。

圖1 機械點前后行星混動系統(tǒng)杠桿圖

無論是低速模式還是高速模式，發(fā)動機的動力都會通過電氣路徑或者機械路徑輸送至輸出軸，如圖所示，在圖2和3中，行星齒輪機構的效率會對機械路徑的功率產生直接影響，與此同時，電氣路徑又會影響到行星混動系統(tǒng)的綜合效率損失，這時由于行星混動系統(tǒng)在傳遞功率時需要由機械效率至電功率，然后再有電功率至機械效率，在此過程中進行能量的轉換，這種方式不僅轉換效率不高，而且在轉換過程中還會受到電路徑的影響非常大。

圖2 系統(tǒng)低速模式功率的分流圖

圖3 系統(tǒng)高速模式的功率分流圖

因此，本文列出了一種瞬時狀態(tài)下最優(yōu)的控制策略，由于整體的系統(tǒng)會受到傳動效率以及發(fā)動機效率的影響，因此，應找到整體效率的最佳的系統(tǒng)工作點，降低油耗策略的主要因素就是找到最優(yōu)的分離因子。

2 分離因子簡介

進一步可推導得到電機MG1功率g、發(fā)動機功率P之間關系，如式（1）所示。

上式中的即被定義為分離因子，也即式（3）：

同理，可以得出分離因子δ和機械路徑發(fā)動機輸出功率P的關系，即式（4）所示。

通過上述公式可以看出，分離因子的作用主要表現(xiàn)在將發(fā)動機機械路徑上的功率輸出比例進行分離。其中，機械功率的所占輸出比例就是分離因子，余下的部分（1-）是電功率，兩種功率的動力分配狀態(tài)圖4所示。分離因子的值會改變發(fā)動機的功率輸出的情況，<1時，電功率點功率以及機械功率都會占一定的輸出功率；而在=1時，則點功率會消失，此時機械功率占比變?yōu)?00%；>1時，電機的工作情況較前面會發(fā)生轉變，會伴隨著產生寄生功率。

圖4 行星混動系統(tǒng)功率分流圖

應用雙行星混聯(lián)式客車，當客車處于形式狀態(tài)時，需要將電池的電功率控制為0，這樣能夠提升電池的電量平衡性。此時，由發(fā)動機供給客車行駛所需的全部功率，在此過程中，系統(tǒng)傳動效率就可以定義成系統(tǒng)的輸出功率P和發(fā)動機輸出功率P比值，即式（5）。

由于P=P+P，電路輸出功率以及機械路徑的輸出功率，共同構成了系統(tǒng)的輸出功率。因此機械點前后，系統(tǒng)的輸出功率可以改寫成，式（6）所示。

由上式（6）可得，分離因子和系統(tǒng)傳動效率間關系，式（7）所示。

此處假設兩電機效率η=η=0.9，兩行星齒輪機構的效率η1=η2=0.95，可以得到行星混聯(lián)系統(tǒng)傳動效率和分離因子之間的關系曲線，如圖5所示。

根據(jù)圖5，分離因子會直接受到傳動效率的影響，傳遞效率要想保持在最大位置，只有在系統(tǒng)維持在機械點附近時才能實現(xiàn)，所以應注重選擇恰當?shù)墓ぷ鼽c，工作點的選擇需要結合動力源的工作狀態(tài)以及車輛的行駛狀況進行選擇，以達到系統(tǒng)效率的提升。

圖5 傳動效率隨分離因子的變化圖

3 系統(tǒng)瞬時效率尋優(yōu)

4 總結

為改善發(fā)動機的最優(yōu)控制策略的參數(shù)匹配目前只能使發(fā)動機的效率最優(yōu)的情況，再考慮到整體傳動效率對于系統(tǒng)效率的影響，本文提出一套雙行星混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)瞬時最優(yōu)能量管理策略，為了提高雙行星混合動力系統(tǒng)的燃油效率，改善其燃油經濟性，對于當前工程應用與學術研究都具有參考價值。

[1] 楊南南.基于歷史數(shù)據(jù)的行星混聯(lián)式客車在線優(yōu)化控制策略[D].吉林大學,2018.

[2] 楊南南.雙行星混聯(lián)式客車的優(yōu)化設計與動態(tài)控制[D].吉林大學, 2015.

Study on Instantaneous Optimal Energy Management Strategy for Dual Planetary Hybrid System

Dai Yutong, Ma Weiting

( China automobile research automobile inspection center (Tianjin) Co., LTD., Tianjin 300300 )

The traditional control strategy based on the optimal engine can only achieve the best efficiency of the engine, but it does not optimize the overall efficiency of the two-planet hybrid energy system. So the energy savings are modest. In order to maintain high efficiency of vehicles at different speeds, this paper will explore the instantaneous optimal energy control mode and explore the point where high efficiency can be maintained at full speeds, so as to reduce fuel consumption and improve fuel economy.

Hybrid bus; Energy management; The instantaneous optimal

U464

A

1671-7988(2019)18-64-03

U464

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1671-7988(2019)18-64-03

戴宇童，就職于中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.022