基于信息預測的機電復合傳動發動機起動控制*

鄭海亮,項昌樂,2,王偉達,2,韓立金,2,張東好

(1.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081； 2.車輛傳動重點實驗室,北京 100081)

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2015088

基于信息預測的機電復合傳動發動機起動控制*

鄭海亮1,項昌樂1,2,王偉達1,2,韓立金1,2,張東好1

(1.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081； 2.車輛傳動重點實驗室,北京 100081)

機電復合傳動系統由純電模式切換為混合驅動模式時，須要拖轉起動發動機。由于發動機響應的滯后性，通常由電機提供額外的驅動轉矩，以保證車輛的動力性。但過大的電機轉矩會導致電池的放電電流過大，特別是電池的溫度較低時，會影響電池的使用壽命。本文中提出了一種基于信息預測的機電復合傳動系統發動機起動控制策略。首先，通過采集機電復合傳動系統當前和過去的轉矩需求信息，應用自適應遞歸多步預測算法，完成對機電復合傳動系統的需求轉矩的在線預測。然后利用預測的機電復合傳動系統轉矩需求信息，對發動機的起動過程進行控制，避免了電池的過載現象。在保證車輛動力性的前提下，能有效延長電池的使用壽命。

發動機起動控制；機電復合傳動；信息預測

前言

機電復合傳動系統是混聯式混合動力電動汽車傳動系統的一種形式，它利用行星機構將兩個電機集成到傳動系統中，在傳動系統輸入轉速基本不變的情況下，通過改變兩個電機的轉速狀態，使傳動系統輸出轉速連續變化，因此又被稱為機電無級變速器(EVT)[1-4]。機電復合傳動系統根據駕駛員的踏板信息提供驅動轉矩，車輛速度較低時，一般工作在純電驅動模式，由電機提供驅動轉矩。隨著車速的增加，系統的需求功率超過電池允許的輸出功率時，起動發動機進入混合驅動模式。當系統的操縱狀態發生改變時，由于發動機響應滯后，通常由電機提供額外的需求轉矩，以保證車輛的動力性[5]。當車輛冷起動，而電池的溫度又比較低時，過大的電機轉矩可能導致電池的放電電流超過最大允許電流，會縮短電池的使用壽命[6]。如果車輛的需求轉矩可以預測，基于預測的需求轉矩對發動機輸出動力進行控制，能夠有效延長電池的使用壽命。因此，本文中基于預測信息的機電復合傳動系統進行發動機起動控制策略研究。

關于系統需求信息的預測，在統計和信號處理中，有外界輸入的自回歸(ARX)模型被廣泛用來代表一定的隨機過程，如描述輸出變量線性依賴于先前數據和輸入的時變隨機過程[7-8]。借鑒于這些預測算法，本文中基于機電復合傳動系統當前和過去的數據，采用有外界輸入的自回歸(ARX)模型，應用自適應遞歸多步預測算法，完成對機電復合傳動系統的需求轉矩信息的預測，然后利用預測的機電復合傳動系統需求信息，對發動機的起動過程進行控制，改善系統中電池的工作狀態，延長電池的使用壽命。

1 機電復合傳動系統

1.1 機電復合傳動系統的結構

本文中研究的機電復合傳動系統主要用以滿足重型車輛驅動大功率、大轉矩的需求，系統結構如圖1所示。系統由電機A、電機B、3個行星排、離合器CL0、離合器CL1、制動器B1和動力輸入與輸出等部分組成。R、C、S分別代表行星排的齒圈、行星架和太陽輪。

1.2 機電復合傳動系統的工作模式

機電復合傳動系統的工作模式主要有純電驅動模式、發動機起動模式、混合驅動EVT1模式、混合驅動EVT2模式和制動能量回收模式等，前4個模式下各部件的工作情況如表1所示。

1.3 發動機起動過程及其動力學分析

車輛處于純電驅動狀態時，由于加速或爬坡等情況系統需求功率增加，須起動發動機，以共同驅動車輛。在離合器CL0接合后，電機A提供起動發動機所需轉矩，保證發動機從靜止到設定轉速的過程不超過0.4s，使發動機正常及時地起動[9]。

表1 機電復合傳動系統工作模式

注：●表示接合；○表示分離。

CL0離合器接合后，機電復合傳動系統的轉速、轉矩關系為

(1)

(2)

式中：ki為各行星排特性參數，是齒圈齒數與太陽輪齒數的比值，i=1,2,3；nA，TA分別為電機A的轉速和轉矩；nB，TB分別為電機B的轉速和轉矩；ni，Ti分別為系統的輸入(發動機輸出的)轉速和轉矩；no，To分別為系統輸出的轉速和轉矩。

要求發動機快速平穩地起動，電機A須在規定的時間內(設定為0.4s)將發動機拖轉起動，并以怠速轉速(設定為800r/min)穩定運行。通過上文分析可知，要使發動機在一定的時間內達到設定轉速，電機A的轉矩需求和相關的約束條件為

(3)

2 機電復合傳動系統仿真模型

機電復合傳動系統的仿真模型由車輛控制系統模型、系統各部件仿真模型和車輛系統動力學模型等組成，結構如圖2所示。

在車輛控制系統模型中，駕駛員模型用于模擬駕駛員的操作，以跟蹤給定的期望車速；車輛控制器模型用于控制發動機和電機分別輸出動力，以滿足駕駛員的驅動轉矩需求，包含能量管理策略和動態協調控制算法。

系統部件仿真模型包括發動機及控制器模型、電機及控制器模型、動力電池組模型和耦合機構模型等。車輛的動力學模型應用車輛行駛動力學方程進行表示。仿真模型中，系統各種參數如表2所示。

表2 機電復合傳動系統相關參數

3 系統需求轉矩預測

基于機電復合傳動系統的當前和過去的轉矩需求和踏板行程信息，采用ARX模型，對機電復合傳動系統的需求轉矩信息進行預測，預測流程如圖3所示。

在k時刻，ARX預測模型的表達式為

(4)

式中：u為踏板信息；y為系統的需求轉矩信息；yp為預測的需求轉矩信息；ai，bi分別為y和u的權重系數；m為設定預測信息的步長。

為了建立預測輸出與已知輸出之間的關系，式(4)可以改寫為

(5)

其中：

分別定義向量Yp(k)、Y(k)和Φ(k)為

Yp(k)=[yp(0)yp(1) …yp(k)]T

Y(k)=[y(0)y(1) …y(k)]T

Φ(k)=[φn(0)φn(1) …φn(k)]T

ARX模型多步自適應遞歸預測可以定義為

(6)

式中α∈(θ,1](θ>0)和β≥1為迭代回歸預測算法的權重系數。α<1，用于遺忘過去的采樣數據削弱過去數據對于預測結果的影響，α越小過去數據遺忘越快，但過快的遺忘會導致過去信息的缺乏，導致預測的精度變差；β≥1用于增加當前采樣數據的權重，使得預測結果更加符合當前的實際工況。通過參數α和β可以調節過去和現在數據在回歸算法中的貢獻度，以適應不同的車輛行駛工況，提高預測算法的自適應性。

為了計算每步的回歸權重系數，定義價值函數為

(7)

應用最小二乘法求解可得

[α2ΦT(k-m-1)Y(k-1)+

(8)

綜合式(4)～式(8)，應用文獻[10]中的推導過程，自適應遞歸預測算法可歸納為

(9)

同時，為了防止權重系數α過小導致過去數據的過多丟失，使得預測的精度變差，須對系數α進行限制，采取以下規則：

(10)

式中：satα(·)為α(k)的飽和函數，確保α(k)∈(θ,1]；sate(·)為e(k)的飽和函數，確保-errmax≤e(k)≤errmax,errmax>0；γ>0為可調增益；Pn為矩陣P(k)F范數的目標值。

自適應遞歸多步預測算法的計算流程如圖4所示。

預測算法的預測步長為0.01s，根據發動機的起動時間需求，預測步數設定為40步。針對FTP循環工況，自適應遞歸多步預測算法仿真結果如圖5所示。轉矩的預測誤差約為4%，可以滿足實際的應用需求。

4 發動機起動控制策略

基于預測的系統需求信息，對發動機起動過程進行控制，控制策略流程圖如圖6所示。

控制策略主要由電池供電能力的判斷和發動機的拖轉起動兩部分組成。首先，根據電池的溫度和SOC信息計算當前狀態下電池的供電能力，與通過預測獲得的機電復合傳動系統需求信息進行比較，判斷電池的供電能力是否滿足系統的驅動需求。當電池功率不足以提供預測的系統需求功率時，提前拖轉起動發動機進入混合驅動模式，避免電池功率的過載。系統控制策略給出發動機起動指令后，根據式(3)對電機A的輸出轉矩進行控制，快速平穩地實現發動機的拖轉起動。

5 硬件在環仿真

5.1 硬件在環仿真平臺

硬件在環仿真平臺由綜合控制器ECU、dSPACE實時仿真系統、雙模式機電復合系統動力學模型和駕駛員與轉矩預測模型組成，其結構如圖7所示。

駕駛員控制信號通過實時仿真接口模塊(RTI)的A/D接口輸入到含有系統控制策略的綜合控制器中，機電復合系統Simulink仿真模型被轉換成C語言代碼后下載到dSPACE硬件板卡中運行，dSPACE系統通過RTI模塊的CAN通信接口實現與綜合控制器之間的信息交互，包括模型狀態和預測信息的反饋和控制信號的傳遞。

實時仿真界面能動態實時地顯示仿真過程中系統的關鍵參數和各個部件的運行狀態。

5.2 硬件在環仿真測試

基于硬件在環仿真平臺，對基于預測的機電復合傳動系統發動機起動控制策略進行了性能驗證。普通駕駛工況仿真結果如圖8所示。其中，加速/制動踏板行程進行了統一處理，范圍為[-100%，+100%]，正值為加速踏板行程，負值為制動踏板行程。系統工作模式編號：0為駐車模式；1為純電驅動模式；2為混合驅動EVT1模式；4為混合驅動EVT2模式；5為制動模式。

在仿真的駕駛工況下，根據反復變化的踏板行程反映駕駛員的加速/制動意圖，雙模式機電復合傳動系統驅動車輛以不同的車速行駛，如圖8(a)和圖8(b)所示。根據車輛速度和系統需求驅動功率的變化，系統在不同的工作模式間切換，如圖8(c)所示。車輛速度較低、機電復合傳動系統需求功率較小時，系統工作在純電驅動工況，車輛速度增加系統需求功率較大時，發動機起動，系統進入混合驅動模式?；陬A測的機電復合傳動系統發動機起動控制策略，根據預測的系統需求信息，提前起動發動機完成了純電驅動到混合驅動的模式切換。

在系統模式由純電驅動向混合驅動模式轉變時，由于發動機動力的響應遲滯，為了保證車輛的動力性，需要電池提供額外的補償功率。系統電池功率的變化如圖8(d)所示，基于預測的發動機起動控制策略，在11.6s時提前進入混合驅動模式，將電池的極值功率由221降至162kW，改善功率需求26.7%，能夠有效減少電池功率的過載現象，延長電池的使用壽命。

為了進一步驗證發動機起動控制策略，分別針對NYCC、US06、FTP、IM240等4種典型循環工況進行了仿真，結果如表3所示。

表3 典型循環工況仿真結果

6 結論

(1) 基于機電復合傳動系統的當前和過去的數據，采用有外界輸入的自回歸模型，應用自適應遞歸多步預測算法，完成了對機電復合傳動系統的需求轉矩信息的預測。

(2) 利用預測的機電復合傳動系統需求信息，建立了基于預測信息的機電復合傳動系統發動機起動控制策略。

(3) 硬件在環仿真結果表明，開發的基于預測的機電復合傳動系統發動機起動控制策略降低了電池的極值功率，減少了電池功率的過載，能有效延長電池的使用壽命。

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Engine Start Control for Electro-mechanical TransmissionSystem Based on Information Prediction

Zheng Hailiang1, Xiang Changle1,2, Wang Weida1,2, Han Lijin1,2& Zhang Donghao1

1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;2.NationalKeyLabofVehicularTransmission,Beijing100081

When the electro-mechanical transmission (EMT) system switches to hybrid drive mode from pure electric mode, it is required to crank and start the engine. Due to the response lag of engine, the motor usually provides additional driving torque to ensure the power performance of vehicle. However, the excessive motor torque can cause too large a battery discharge current, in particular, when battery temperature is relatively low, may affecting the service life of battery. In this paper, an engine start control strategy for EMT system is proposed based on predictive information. Firstly by sampling the present and past information on system torque requirement and applying adaptive recursive multi-step predictive algorithm, the online prediction on the required torque of system is completed. Then the predicted information on the torque requirement of system is used to control engine starting process with the phenomenon of battery overload avoided. Hence on the premise of ensuring vehicle power performance, battery life can be effectively extended.

engine start control; EMT; information prediction

*國家自然科學基金(51305026)資助。

原稿收到日期為2014年4月3日，修改稿收到日期為2014年8月25日。