混聯式混合電動車輛最佳動力配置策略

J－Y Park Y－K Park J－H Park

1 前言

把混合電動車輛（HEV）作為能最有效地解決全球變暖和油價飛漲的手段之一，它可降低燃油消耗和減少CO2排放。一種HEV采用電動機（EM）可提高其系統的效率，可封閉內燃機（ICE）無效的工作范圍。

構建一個HEV有很多結構，各結構都具有各自固有的優點和缺點。在這些結構中有一個混聯式HEV，它采用行星齒輪傳動組合了一臺內燃機（ICE）和兩臺電機（EMS），導致兩混聯混合驅動系統的很多特性［1］。例如，這種混聯式HEV系統在選擇ICE工作點，控制充/放電功率和實踐電動車輛模式作為一串聯HEV方面具有優勢，同時這種混聯式HEV還繼承了并聯HEV的優點，在功率傳遞方面它具有高的效率，相對電機（EM1）較小。為了使混聯式HEV產生這些優點，重點要建立一個有效的控制策略，提供給駕駛員要求的ICE和EMS高效的功率。

目前已經提出了許多HEV控制策略，其中大多數可粗略歸類于規則基礎，普遍的和瞬時優化的策略。該規則基礎策略［2］根據專門知識；采用模糊邏輯選取控制規則，但在判別過程中不能定量。所以在該策略中，為制訂各構件功能的最佳形式，要求一個附加的處理工序。該普遍的優化策略［3］采用一個優化工序如動力原程序，它在各時間段可制訂最佳的控制動作。然而它用于實際時間控制器上是不合適的，因此要求預先了解詳細的全行程資料。該瞬時優化策略是選擇系統考慮兩ICE和功率傳遞在各個控制時間效率最大的工作點［4－7］。但在不同的HEV結構形式，如混聯式HEV，在實際時間內不容易完成。因為對于給定驅動條件的最有效的工作點必須經過大量計算工作才能找到，其中還包括要參照ICE和EMS的效率圖數據。

本研究基于瞬時優化和確保實際時間性能的控制圖導出一功率配置策略。該控制圖是用優化處理輸出ICE的工作點求得的，它對于給定的車輛速度，駕駛員要求的轉矩和蓄電池充/放電功率考慮兩者ICE和功率傳遞效率系統的效率最大。此外該圖可有助于對一目標驅動路線建立一能量策略，具有很容易控制充/放功率的能力。

2 混聯式HEV

2.1 混聯式HEV的功率配置

本文所述混聯式HEV的構造是ICE，第1EM和第2EM分別和行星齒輪傳動的轉臂、太陽輪和齒圈相連接（圖1）。在該HEV系統中，ICE的功率一部分傳到齒圈，它與驅動軸機械連接。ICE的另一部分功率變換成第一電機的電能，它與太陽輪聯接。而后這部分功率再在第二電機中變換成機械能，它與驅動軸聯接。前者稱為并聯功率分支，后者稱為串聯功率分支（圖2）。提高并聯功率對串聯功率的比值，可使功率傳遞的效率較高，因為齒輪的傳遞效率大大高于通過EMS的機械和電功率之間轉換的效率。

圖1 混聯式HEVFig.1 Series－parallel HEV

圖2 混聯式功率配置Fig.2 Series－parallel power distribution

當蓄電池中沒有功率流時，可根據行星傳動各齒輪間的穩態速度關系式（方程式（1））和轉矩關系（方程式（2）和（3））算出串聯和并聯功率的大小。如式（4）所示，當齒圈的轉速與車輛已知車速一致時，串聯功率對并聯功率的比值依據于ICE的轉速變化。這意味著串聯和并聯功率的配置可以用ICE的工作點控制。此外，ICE根據其工作點可以有一個最佳的效率，如圖3所示。因此，ICE的工作點不僅影響了ICE的效率，同時還影響了功率傳遞的效率。

圖3 發動機效率圖Fig.3 Engine efficiency map

2.2 效率再循環

當ICE速度與齒圈速度之比小于R/（1＋R）時，見方程式（4），那么串聯功率與并聯功率之比有一個負值。在這種狀況，太陽輪速度有一個負值（方程式（11），而與太陽輪聯接第一電機消耗電能。如果蓄電池沒有功率流，要求驅動第一電機的功率產生于第二電機部分并聯機械能。結果功率發生再循環，如圖4所示。這種功率再循環降低了功率傳遞的效率，因為功率由ICE循環。然而當車速很高時，該功率再循環必須控制ICE在高效工作區。該功率再循環一個很好的實例表明，為了兼顧ICE和功率轉變的效率，必須選擇好工作點。

圖4 功率再循環Fig.4 Power recirculation

3 推薦的方法

3.1 控制圖

由ICE傳送到驅動軸功率的大小是根據串聯功率和并聯功率的比值以及第一和第二EM在該時間的效率變化的。因此，尋找最有效的工作點，它滿足駕駛員要求的功率，當涉及到各組成的效率數據時，要求一個反復過程。采用其中含有最有效工作點的控制圖，可減小該計算工作量。對于不同的驅動條件預先計算工作點，輸入該圖中的驅動工況是駕駛員要求的轉矩，現有車輛速度和目標充/放電功率。該圖采用輸出ICE的目標速度和轉矩實現功率配置。

一種驅動工況，該要求的轉矩可以用ICE和第二電機EM的轉矩來滿足，如方程式（5）所示。根據另一驅動工況，該車速可以求得第二電機EM的速度，因為第二電機EM和驅動軸相聯接。ICE和EM的速度之間關系（見式（6））也可以由方程式（1）求得。另一種工況是蓄電池功率可滿足于第一和第二EM的消耗或產生的功率之和，如以后方程式（7）之和，該消耗或產生的功率可以由EM的效率圖數據求得，它根據轉矩和速度變化。第一EM的轉矩可以由行星傳動的轉矩關系式導出，如以下方程式（8）所示。因為第一EM在穩態對ICE轉矩提供反作用轉矩。

具有4個穩態方程式表示混聯式HEV的特性，這些方程式有3個給定的常數（τdem，ωm2和Pbat）和5個未確定的變數（τe，ωe，ωm1，τm1和τm2）。因為該問題有一個自由度，故有無限多的解。用以下式（9）和（10）求出效率，在這些解中找到最有效的工作點。系統效率為定值，因為該問題工況僅給定τdem，ωm2和Pbat可變，故燃油的化學功率隨工作點改變。在方程式中，Kchg和Kdch是分別估算電池功率的當量齒輪和燃油功率的常系數［8］。因為當Pfuel有一個最小值時，系統效率有一個最大值，Pfuel取作為該優化問題的一個目標函數。所述4種穩態方程作為約束條件，目標函數和約束條件包含實驗數據如制動燃油馬力消耗比（BSFC）圖和EMS的效率圖，這種解用直接搜索法可以求得。因優化過程中，對于所有有效的工作點都可進行估算，如式（11）所示。因此，該優化過程的結果，可以當作一個普遍的優化點［9］。圖5示由優化處理繪制的控制圖。

3.2 控制結構

圖6示采用控制圖的控制結構，該圖為通用的驅動工況輸出ICE的目標速度和轉矩。該目標發動機轉矩是用發動機控制單元（ECU）實現的，而目標發動機速度是用第一EM速度控制實現的。該實際發動機轉矩可由第一EM和第二EM的反作用轉矩計算得到的，達到要求轉矩和加于驅動軸上的發動機轉矩之間的差值。

圖5 最佳功率配置控制圖Fig.5 Control maps for optimal power distribution

圖6 控制結構Fig.6 Control structure

3.3 能量策略

因控制圖控制了所有功率的目標速度和轉矩值，用該圖可以分析系統的特性。圖7示根據驅動工況和電池功率如何改變串聯功率和并聯功率的比值。在該圖中，負值意味著發生功率再循環，并依據蓄電池的充/放電功率而發生或不發生功率再循環。例如，當車輛在A點被驅動，如果蓄電池釋放9kW，大約有14%功率再循環。但是，如果蓄電池充9kW，那么將不發生功率再循環。因此，可以推斷，采用在低負載區增加充電功率，可以避免不必要的功率循環損失。在另一方面，對于驅動工況B，釋放9kW，具有更有效的功率傳遞優勢，因為串聯功率比有一個比充9kW值小的情況。圖8示HEV系統效率根據驅動工況A和B蓄池功率的變化狀況，該圖還表示分別對于驅動狀況A和B充/放電功率9kW為最佳。在這方面，對所有驅動狀況有可能指定最佳蓄電池功率，如圖9所示。根據最佳電池功率圖作為HEV的能量策略的一個條件實現蓄電池功率，從而由儲存或消耗電池功率來改進系統效率。

圖7 優化混聯式功率配置Fig.7 Optimized series－parrallel power distribution

圖8 HEV系統效率與蓄電池功率和驅動工況關系Fig.8 HEV system efficiency dependent on battery power and driving conditions

圖9 最佳蓄電池充/放電功率圖Fig.9 Optimal battery charge/discharge power map

4 仿真

為了證實所推薦的控制策略的效率進行仿真，采用了Mathwork simulink開發了一個混聯式HEV模型，如圖10所示。該模型包含了ICE，EMS，蓄電池和車輛模型。開發ICE模型著重于計算轉矩響應和燃油消耗。轉矩響應特性可接近于一個線性系統，基于試驗結果和采用BSFC圖可增加計算精度。采用效率數據開發了EM模型，包含了一個變換器，當EM工作時，它計算消耗和產生的電功率。蓄電池模型用EM上電功率消耗和產生計算充電狀態（SOC）。在本研究中，采用簡單通用的積分法估算SOC。車輛模型由行星齒輪傳動動力學和車輛阻力組成。模型中采用的典型的阻力有車輪滾動阻力，空氣動力阻力，爬坡阻力和液壓制動轉矩［10］。在本研究中考慮的基礎車輛是一臺中等尺寸客車，其發動機排量為2.4L，總重為1760kg。該基礎車輛混合驅動采用一50kW電機和30kW蓄電池。在該仿真中，采用保持一個固定的SOC值。同時確定一目標電池功率調整該SOC。功率配置在FTP75方式中對改善每哩油耗的影響示于表1。采用一系列仿真估算不同HEV特性的影響，其中HEV特性依次不中斷，HEV特性如EV驅動，復原等，功率配置策略結果全面改進30%。全面改進燃油經濟性用HEV達到76%，而這種改進對驅動性能毫無損害。圖11示按FTP75驅動循環動力源速度和轉矩，混聯式功率比和發動機效率的仿真結果。圖12表示驅動循環一小段區間的仿真結果，并表示出雖然車輛（第二EM）速度和總要求轉矩是變化的（見圖12（a）和（b）），ICE速度和轉矩仍保持在確定范圍之內。在該區段，ICE是工作在一個十分高效的范圍（圖12（d））。但混聯方式的功率比變化很快以實現ICE的高效工作。如上所述，增加混聯功率比，意味著減少HEV的功率傳遞效率。該實例說明了ICE效率和功率傳遞效率之間的變換過程。圖13表明驅動循環時ICE的工作點在速度和轉矩范圍內，對于大多數仿真時間，ICE是工作在一高效區，但在初始工作區和ICE的最佳工作線有一確定的偏差，這是由于應用于本仿真能量策略。因該策略僅試圖保持特定的SOC值，它不能利用蓄電池改進總HEV系統效率。結果使ICE不能在更有效的工作區工作。

表1 在HEV系統中單位里程燃油改進Table1 Improvement of fuel mileage in HEV system

圖10 仿真的外部條件Fig.10 Simulation environment

圖11 FTP75循環仿真結果Fig.11 Simulation results for FTP75cycle

圖12 FTP75循環（驅動循環A段）仿真結果Fig.12 Simulation results for FTP75cycle（A section of the drive cycle）

5 實驗

應用功率配置策略進行實驗證實其有效性，實驗結果和仿真結果十分近似，如圖14和15所示。圖14示在時間0－300s中有不同的差值，這種差值是由于ICE的溫升因數，而它在仿真模型中不能實現。在圖15中，還可找到與仿真結果有一小的偏差，這是由于非模擬動力學。優化能量策略用充/放電池應用于實驗中改進HEV系統效率。由于對于能量策略，ICE最佳點可以在最佳工作線上給定，如圖16所示。在實驗中FTP75模擬哩油耗為18.3km/l。

圖13 仿真中發動機工作區Fig.13 Engine operating area in the simulation

圖14 FTP75循環車輛試驗結果Fig.14 Vehicle test results for FTP75cycle

6 結論

本文對混聯式HEV功率分布策略推薦了使系統效率最大的ICE工作點，通過各種不同的仿真和實驗證實了所述策略的有效性。該策略采用控制圖確保實際時間特性，它縮短了控制單元的計算工作量。該策略的另一個優點是按圖充放電功率作為一個輸入數據來控制電池功率。此外，優化能量策略由優化控制圖選取出電池的充放電功率值來改進HEV系統的效率。（劉青澤自Proc.IMechE Vol.222Part D：J.Automobile Engineering）

圖15 FTP循環（驅動循環A段）車輛試驗結果Fig.15 Vehicle test results for FTP75cycle（A section of the drive cycle）

圖16 車輛試驗中發動機工作區Fig.16 Engine operating area in the vehicle test

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第一馬達電功率消耗或產生P electrical power consumed or generated m1 by the first motor第二馬達電功率消耗或產生Pm2electrical power consumed or generated by the second motor沿并聯路線傳遞機械功率Pparallelmechanical power transferred along the parallel path沿串聯路線傳遞的機械功率Pseriesmechanical power transferred along the series path R速比（齒圈－太陽輪）gear ratio（ring－sun gear）η第一馬達效率mlefficiency of the first motor η第二馬達效率m2efficiency of the second motor η充電狀況系統效率sys＿chargesystem efficiency at charge state η放電狀況系統效率sys＿dischargesystem efficiency at discharge state電池功率當量齒輪功率的估算系數κchgfactor to estimate equivalent wheel power of the battery power電池功率的當量燃油功率估算系數κdchfactor to estimate equivalent fuel power of the battery power駕駛員要求的齒圈轉矩τdemdriver’s demand torque on the ring gear engine torque發動機轉矩τeengine torque第一馬達轉矩τm1first motor torque τ第二馬達轉矩m2second motor torque加于齒圈的發動機轉矩τrengine torque exerted on ring gear加于太陽輪的發動機轉矩τsengine torque exerted on sun gear ω發動機轉速e engine rotation speed ω第一馬達轉速m1first motor rotation speed ω第二馬達轉速m2second motor rotation speed ω齒圈轉速r ring gear rotation speed太陽輪轉速ωssun gear rotation speed