混聯式混合動力系統多能源綜合控制策略

王偉達，項昌樂，劉 輝，馬 越，韓立金

(北京理工大學機械與車輛學院車輛傳動國家重點實驗室，100081北京，wangwd0430@163.com)

近十多年來，科研人員非常關注新型節能環保汽車的研究與開發，在電池技術沒有取得重大突破的情況下，以成熟技術為基礎開發的油電混合動力汽車得到日益廣泛的研究與應用[1－2].混合動力系統包括串聯、并聯、混聯等多種型式.混聯式綜合了串聯式與并聯式，發動機功率通過機械功率流與電功率流共同傳遞，兼具這兩類系統的優點.雖然結構與控制復雜，成本較高，但隨著控制技術與制造技術的發展，一些現代混合動力電動汽車更傾向于選擇這種結構[3].對于整備質量大、驅動需求功率與轉矩要求高的重型車輛，混聯式方案更是實現電驅動的首選.多能源綜合控制策略作為混合動力系統的關鍵技術之一，成為研究的熱點領域[4－9].深入研究混合動力系統關鍵技術問題，促進其實用化與產業化，對縮小我國與世界先進汽車工業水平差距具有重要意義.

本文在研究混聯式混合動力系統結構基礎上，針對混合動力系統能量管理與控制及動態過程協調控制與控制品質要求，設計基于分層結構的多能源綜合控制策略，開發綜合控制器ECU軟硬件并進行典型工況下的硬件在環仿真測試.

1 混聯式混合動力系統結構

本文研究的混合動力系統是一種混聯式結構，系統由發動機、電動機、發電機、功率耦合裝置、自動變速器和減速器等部件組成，以滿足重型車輛驅動大功率與大轉矩等需求.系統機械結構如圖1所示.

圖1 混聯混合動力系統機械結構圖

發動機功率經過功率耦合裝置進行分流，一路傳遞給發電機進行發電，一路向后傳遞經過主離合器后和電動機輸出功率匯合;經過自動變速器和減速器后驅動車輪運轉.功率耦合裝置實現功率的分流與匯流.由于牽引車、越野車等重型車輛需求扭矩較大，所以系統還包括一個三擋機械式自動變速器.主離合器不結合時，可由電動機實現車輛的純電驅動.發電機可作為啟動電機使用，用來啟動發動機.

混合動力控制系統包括多能源綜合控制器、發動機控制器、發電機控制器、電動機控制器、電池管理單元等.綜合控制器通過CAN總線和其他ECU通信實現信息采集與控制信號傳遞.功率耦合裝置的操作元件(離合器與制動器等)由綜合控制器的驅動電路進行控制.

2 多能源綜合控制策略

2.1 綜合控制策略結構

混聯式混合動力系統包括多個控制子系統，各子系統協調配合工作，才能實現混合動力系統功能與經濟性、動力性等指標.如何實現多能源的能量管理與各子系統控制是綜合控制器的主要任務，在控制模式切換與換擋過程中控制各相關部件協調工作對系統控制品質有重大影響，也是能量管理邏輯實現的前提，這個功能也由綜合控制器實現.

鑒于綜合控制器功能的復雜性與多樣性，為保證綜合控制策略邏輯明晰、運行高效，本文采用分層結構設計了綜合控制策略，如圖2所示.

圖2 綜合控制策略分層結構圖

決策層也可稱為系統層，根據油門(或制動)踏板位置、換擋手柄信號及其他相關信息判斷駕駛員意圖，確定驅動(或制動)功率總需求，按照控制模式設定與切換策略決定駕駛員需求的混合動力系統控制模式.

中間層根據相關信息將總需求功率在各功率部件間進行功率分配，確定各部件預期的工作狀態.此工作狀態指在當前總功率需求下預期的穩定狀態，即穩態控制目標.

伺服層也可稱為部件層，根據各部件(或操作元件)的穩態控制目標和系統控制品質要求，按照一定邏輯設計到達穩態目標的動態過程，計算當前采樣時刻的瞬時控制目標.然后將控制指令通過CAN總線或驅動電路發送給相應部件.

2.2 系統控制模式確定

一般混合動力控制策略中，將系統工作模式劃分為純電動、發動機單獨驅動、發動機驅動并發電、發動機電動機混合驅動、制動等，實際混合動力系統也確實工作在這些模式下.但考慮到使確定邏輯更加清晰簡明，在本文中的系統決策層將系統控制模式進行了簡化.在決策層，系統控制模式劃分為純電動、發動機啟動、混合驅動、制動、倒車、停車充電等幾種簡單模式，不對發動機工作時電動機、發電機的具體工作狀態進行區分.在中間層確定部件穩態控制目標時，才根據計算結果對部件模式進行準確的界定，例如電動機需求轉矩目標值的正、負、零，決定了系統是工作在發動機電動機混合驅動、發動機驅動并發電還是發動機單獨驅動模式.本文中系統控制模式相當于是由綜合控制策略的決策層與中間層共同完成的，這樣做簡化了系統控制模式確定規則與綜合控制邏輯.系統控制模式確定邏輯為:

1)根據換擋手柄信號，確定系統需要工作在制動、倒車還是正常驅動模式.如果為制動或倒車，下一步即進入相關的控制邏輯模塊.

2)如果為正常驅動模式，則首先根據油門踏板信號確定驅動功率總需求.然后根據需求功率值、車速、電池荷電狀態(SOC)值等確定系統需要工作在純電動模式還是需要發動機參與.如果需要發動機參與，再根據發動機的起停狀態確定系統是發動機啟動模式還是混合驅動模式.

3)如果發動機未啟動，通過發電機將之啟動，然后進入混合驅動模式.

4)如果驅動需求功率為零，且駕駛員按下了停車充電按鈕，則根據SOC狀態進入停車充電模式.

系統總功率需求由駕駛員踩下油門或制動踏板的程度決定.為了避免混合動力系統對踏板行程的功率響應過于敏感，本文采用“拋物線模型”描述需求功率與踏板行程的關系:

其中:Pn為需求功率;A為混合動力系統額定功率(或最大制動功率);x為踏板行程，以占總行程的百分比表示.

2.3 能量分配算法

在制動工況，綜合控制策略根據制動功率需求，將功率在電機功率與機械功率之間分配，一般原則為:在低制動強度下，優先采用電機制動，進行制動能量回收;在中高制動強度時，采用機電并聯制動，電機進行制動助力.

在驅動工況，以提高燃油經濟性為主要目標的能量分配算法流程如圖3所示.

圖3 能量分配算法流程圖

能量分配算法首先根據電池狀態確定電池需求功率.如果電池SOC偏低，則需要發動機對其進行充電;如果電池SOC較高，則電池功率用來調節發動機的工作點.根據發動機工作點的優劣確定車輛由發動機單獨驅動還是需要利用電池功率.由驅動需求功率和電池功率共同決定發動機需求功率.

確定發動機需求功率后發動機工作點根據發動機最優工作曲線進行查表得到，發動機最優工作曲線根據發動機萬有特性中的最低燃油消耗區域確定.

確定發動機工作點后，根據功率耦合機構約束關系與驅動功率需求，即可確定發電機與電動機的工作點.

2.4 動態過程協調控制

本文研究的動態過程包括兩種:一種為控制模式或擋位切換過程;另一種為總需求功率變化、控制模式或擋位切換等導致的部件目標轉速或轉矩的較大幅度變化過程.通過按照一定邏輯設計到達穩態目標的動態過程，在保證調節速度的前提下，減小轉速或轉矩突變，從而減小變化過程沖擊，保護系統部件.動態過程協調控制算法包括:主離合器接合調速算法、換擋調速算法及各部件轉速/轉矩變化速率限制算法.主要算法分述如下.

1)主離合器接合調速算法[10]:在純電動向混合驅動模式切換過程中，最重要的動作即為主離合器接合調速算法.由系統結構可知，發動機與發電機位于主離合器輸入端，電動機位于主離合器輸出端.電動機此時正單獨驅動車輛，轉速與當前車速成比例.所以，接合前必須先調節發動機與發電機轉速，它們的轉速在主離合器輸入端耦合后轉速與電動機小于門限值，才能發出主離合器供油控制電磁閥的操作指令.發動機目標轉速即為能量分配算法給出的工作轉速，發電機轉速根據功率耦合機構的轉速約束關系計算得出.

2)換擋調速算法[11]:本文研究的混合動力系統換擋通過操作離合器或制動器等元件實現.操作元件接合前需要調節主、被動端的轉速以減小沖擊.對于制動器，被動端轉速為零，對于離合器，被動端轉速是車速的函數.操作元件主動端的轉速由電動機決定，調速的目標值為使主、被動端轉速差小于門限值.

3)各部件轉速/轉矩變化速率限制算法:為避免部件轉速/轉矩變化過快對部件本身或系統其他部分的損害，設計了變化速率限制算法.根據沖擊度計算結果與相關因素影響出發，標定各部件轉速/轉矩變化速率系數.實際過程根據變化速率系數設定瞬時目標值，直至達到功率分配算法給定的穩態目標值.

2.5 控制器設計

針對基于電池SOC保持的能量管理策略，設計開發了混合動力系統綜合控制器ECU軟硬件.綜合控制器硬件功能包括:模擬信號、車速脈沖信號、開關信號采集與處理，控制軟件存儲與運行，系統換擋與模式切換操作元件液壓電磁閥驅動，與系統其他ECU的CAN總線通訊，以及與上位機通訊等.硬件結構如圖4所示.

圖4 綜合控制器硬件結構

ECU軟件主要包括:系統參數初始化模塊，上電過程控制模塊，信息讀入與處理模塊，在線故障診斷模塊，故障處理模塊，參考車速計算模塊，冷卻風扇電機控制模塊，控制決策模塊，控制指令輸出模塊等.控制軟件程序總體流程如圖5所示.

圖5 軟件程序總體流程圖

3 ECU硬件在環仿真

HILS系統由綜合控制器 ECU、dSPACE系統、信號接口電路、車輛系統數字模型、加速與制動踏板組成[7]，其結構如圖6所示.

圖6 HILS系統原理圖

圖6中，實際的控制器ECU被嵌入HILS系統中，車輛系統與試驗環境等Simulink模型被轉換成C語言代碼后下到dSPACE板卡中運行.dSPACE系統通過它具有的實時仿真接口(RTI)模塊與ECU進行信息傳遞，信息形式為車速脈沖信號與CAN信號.

在設計的混合動力HILS平臺上對開發的整車綜合控制器ECU進行了典型工況的在線測試.測試工況包括駕駛循環工況與某極限工況(反復急加速急減速)，測試結果如圖7～8所示.其中，油門/制動踏板位置進行了歸一化處理，范圍為[－100%，+100%];正值表示油門踏板位置，負值代表制動踏板位置.系統工作模式編號:0表示停車模式;2表示純電動模式;3表示發動機啟動模式;4表示混合驅動模式;7表示制動模式.擋位編號:0表示空擋;1表示Ⅰ擋;2表示Ⅱ擋:3表示Ⅲ擋.

3.1 駕駛循環工況仿真

如圖7所示，采用平均車速較高、頻繁加速減速且加速度較大的UDDS(美國市區駕駛循環)工況對設計的綜合控制策略進行了更全面、更高要求的測試.從車速曲線看(圖7a)，除車輛由加速轉換為減速等轉折點因為駕駛員操作踏板響應的滯后導致實際車速出現超調或滯后外，大部分時刻實際車速都和目標車速吻合很好.這表明，研究的混合動力系統實現了動力性指標，滿足車輛驅動與制動的需要.發動機主要工作在轉速為1 100～1 700 r/min、轉矩為700～1 100 N·m的經濟工作區域，提高了系統的燃油經濟性，如圖7(c)、(f)所示.在循環工況的前期，電池SOC基本保持平衡，由于后期車輛加速度很大，有較多的大油門開度工況(如圖7(b)所示)，所以SOC出現較大幅度下降，如圖7(d)所示.系統控制模式反復在純電動、混合驅動、制動及短時停車等模式間切換，驗證了綜合控制策略控制功能的有效性，如圖7(e)所示.

3.2 極限工況仿真

圖8所示為某種假想的極限行駛工況，車輛反復進行急加速和緊急制動.車速、SOC和工作模式變化曲線表明綜合控制器較好地實現了在此極限工況下的控制作用.在實際車輛系統中，這樣的操作可能會對車輛部件造成嚴重的損壞或嚴重影響使用壽命;特定條件下，還可能發生危險.但此種工況下，需要混合動力綜合控制器頻繁在啟動、純電動、混合驅動、制動、停車等工作模式之間切換，這對于考核控制功能具有重要參考意義.此工況仿真充分體現了HILS的優勢，即可以方便地在室內模擬各種控制系統測試工況，尤其是某些具有危險性、或非常難以實現甚至不可能實現但卻具有特殊參考價值的試驗工況.

圖7 某種極限工況測試結果

圖8 某種極限工況測試結果

4 結論

1)設計的混聯式混合動力系統多能源綜合控制策略實現了混合動力車輛的能量管理與控制，發動機工作點得到優化配置，提高了燃油經濟性.控制策略的分層結構設計方法，使控制邏輯更為簡明、清晰，同時兼顧了功率流的優化配置與動態過程的品質控制.

2)混合動力系統典型工況測試體現了硬件在環仿真方法進行ECU調整與驗證的優勢.極限工況測試使ECU中的控制策略得到更為充分、全面的測試，驗證了控制策略在復雜工況下的控制性能.

3)由于道路試驗工況更為復雜多變，硬件在環仿真所用車輛模型是實際系統典型性質的抽象與簡化，所以針對具體車型的實車標定與驗證是應用所設計的ECU必不可少的步驟.

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