混合動力汽車瞬時等效油耗最低控制策略*

宮喚春 徐勝云

（燕京理工學院）

瞬時等效油耗是衡量混合動力汽車燃油經濟性的重要指標，由于混合動力汽車工況變化復雜，存在傳動動力和電動動力等2種以上動力模式組合驅動，所以在瞬時工況下燃油消耗問題成為混合動力汽車研究的熱點問題。目前關于混合動力汽車瞬時等效油耗的研究還比較少，文章利用Advisor軟件建立瞬時等效油耗相關參數模型，分析優化瞬時等效油耗的控制方法。

1 瞬時等效油耗最低控制策略

瞬時等效油耗最低控制策略（ECMS）包含兩層含義[1]：1）等效油耗。對于電量維持型混合動力汽車，消耗的電池電能（除再生制動回收的電能外）需要在汽車后面的行駛中消耗一定量的燃油進行補充，因此需要建立所消耗電池電能與補償這些電能所需燃油的等效關系，將某一瞬時發動機消耗燃油與所消耗電池電能的等效燃油量歸結為統一的能耗指標，作為優化控制的控制目標，是瞬時優化控制策略的核心。2）瞬時優化。根據混合動力汽車的實際運行狀態，在每一控制時間內對汽車行駛需求的驅動功率在發動機和電機之間的分配進行實時優化，以使作為控制目標的等效油耗最低，從而確定動力總成的工作模式和功率分配。

混合動力汽車ECMS可以表述為[2]：

同時需滿足機械和結構約束的條件：

ΔSOC——行駛工況開始和結束時電池荷電狀態的變化；

Tfc（t），Tmc（t），——t步驟時，發動機、電機的輸出扭矩，N·m；

Twh（t）——t步驟時，車輪處的驅動需求扭矩，N·m；

ωfc（t），ωmc（t），ωwh（t）——t步驟時，發動機、電機、車輪轉速，rad/s；

SOC（t）——t步驟時，電池的SOC；

SOC（0）——電池帶電狀態；

ηtx——傳動效率；

Δt——控制周期時間，s；

N——統計平均再生制動功率的控制周期的個數；

mmc_eq——等效油耗，g/s；

ρ——燃油密度，kg/L；

i（k（t））——瞬時工況變化率。

式（1）的解雖然不是混合動力汽車在目標行駛工況下油耗最低問題的全局最優解，但是它能夠真實反映混合動力汽車的實際行駛情況和混合動力汽車能量管理控制策略技術研究的現狀，可以用于對混合動力汽車實際性能的評估，也可將其研究結果或方法用于混合動力汽車的實際控制。

瞬時優化能量管理控制策略通過對每個控制周期內駕駛員需求功率在發動機和電機之間分配的局部優化，在滿足驅動功率的前提下，使得該控制周期內動力總成的能量消耗（包括發動機消耗的燃油能量和電機消耗的電池電能）最小，從而在混合動力汽車行駛工況的全局上提高汽車的燃油經濟性。

因此應構建能夠真實反映混合動力汽車各能量源特性與使用特點的瞬時能量消耗優化目標函數，如果構建的目標函數僅包含傳統驅動系統消耗的燃油能量或直接將電驅動系統消耗的電池電能與傳統驅動系統消耗的燃油能量直接相加，均不能真正反映采用電量維持策略的混合動力汽車電池電量來源與使用的實際情況。其原因是混合動力汽車電驅動系統將電池電能轉化為機械能的效率遠高于將燃油化學能轉化為機械能的傳統驅動系統的效率，如果將所消耗的電池電能和燃油能量直接相加作為優化目標函數，其結果將會使能量控制策略傾向于優先使用電能，直到將電池的電能耗盡。

根據混合動力汽車電池電能使用和補償情況，用電池電能未來補償（即當前電池放電）和電池電能未來消耗（即當前對電池充電）2種基本工況表示電池在混合動力汽車行駛過程中的復雜工況，然后根據混合動力汽車的節能機理和各部件總成的效率特性，計算這2種基本工況下電池電能的等效油耗。

2 電池電能未來補償

電池電能未來補償[3]是指由于電機消耗電池電能驅動汽車行駛，造成電池SOC降低，偏離目標值，需要在汽車未來的行駛過程中通過消耗燃油對電池進行充電，以補償所耗的電能，使電池SOC恢復到目標值。電池SOC過高或過低都會引起電池的充放電效率降低，因此要避免在電池SOC過高時進行充電和在SOC過低時繼續放電。文章引入懲罰函數對電池電量的等效油耗進行修正，以調整控制策略對電能的使用傾向，使電池SOC維持在合理范圍內。

懲罰函數的調整方法[4]是當電池SOC接近目標SOC時，懲罰函數的取值基本為1，即當電池SOC接近目標SOC時，基本不對電池電量的有效進行修正，以便控制策略能夠按照最低等效油耗對需求功率進行分配。而且SOC懲罰函數在目標SOC附近取值的變化應該相對較為平緩，以使實際的規律分配盡可能接近最優扭矩分配；當電池SOC接近SOC工作區間的上下限值時，SOC懲罰函數的取值應該迅速加大對電池電量等效油耗的修正，以防止出現電池過充或過放，使電池SOC盡快恢復到目標SOC。

文章采用的SOC懲罰函數是由3次曲線和4次曲線函數擬合而成的S形函數，可以通過修改系數對曲線形狀進行調整。

式中：DEVSOC——電池SOC相對于目標SOC的偏移量；

SOCL，SOCH——電池SOC工作區間的下上限；

KSOC——電池電量等效油耗修正系數；

a，b，c——相關修正系數。

圖1示出電池SOC狀態參數在混合動力汽車運行工況下的變化曲線，根據不同SOC參數分析優化瞬時等效油耗的控制策略。

3 再生制動回收能量的修正

混合動力汽車在行駛過程中會回收一部分制動能量，電機消耗電池電能驅動汽車行駛后，在未來的行駛中需要發動機消耗燃油補償的電池電能將會小于電機驅動汽車行駛所消耗的電能，因此要對這部分再生制動回收能量對電池電能消耗與補償關系進行修正，以真實反映混合動力汽車能量消耗與使用的實際情況。

對于汽車的某一行駛工況，再生制動能量的回收是不斷變化的，很難精確地確定從電機參與驅動汽車到發動機完成電池電量補償期間，電機通過再生制動回收的電量。因此文章對當前計算時刻的前面一段時間內再生制動功率進行統計，取該段時間內再生制動功率的平均值，對需要補償的電機驅動功率進行修正。

再生制動功率統計時段內的平均再生制動功率表達式為[5]：

Pge_brk_i——再生制動功率統計時段內第i個控制周期的再生制動功率，kW；

Δt——控制周期時間，s；

N——統計平均再生制動功率的控制周期的個數。

4 ECMS的算法實現與驗證

文章在Advisor軟件下修改相應模塊以實現ECMS算法，ECMS算法主要包括用于電池SOC維持的SOC懲罰函數修正模塊和最優工作點計算模塊。SOC懲罰函數修正模塊采用查表的方式，根據當前的電池SOC值確定電池電量等效油耗修正系數。最優工作點計算模塊根據汽車行駛的需求扭矩與轉速、Advisor整車模型前面計算得到的當前需求轉速下電機和發動機能夠提供的輸出或輸入扭矩范圍、平均預期再生制動功率和KSOC，以及通過Matlab工作空間獲得的發動機和電機的效率特性數據計算獲得發動機的最優輸出扭矩分配，并根據扭矩平衡由電機提供剩余的扭矩。

圖2示出整車行駛過程電池實際SOC的變化。從圖2可知，SOC在0.65～0.70之間變化，與圖1電池目標SOC的變化范圍基本一致。在1 500 s以后，由于車速較低，顯然對電池充電更能夠提高整車能量的利用效率，主要以發動機為主驅動汽車行駛，并同時給電池充電，以使發動機工作在高效率區域。圖3示出發動機燃油消耗率曲線，從圖3可以看出，在電機的調整下，發動機基本工作在燃油消耗率適中的區域。

5 確定ECMS算法控制參數的取值范圍

Advisor具有通過m文件控制進行批量仿真計算的功能，利用這項功能對瞬時等效油耗最低控制策略未來補償工況和電池電能未來消耗工況的等效油耗轉換系數進行正交優化試驗，以確定ECMS算法中控制參數的取值范圍。表1示出城市工況燃油經濟性參數正交優化計算結果。

表1 城市工況燃油經濟性參數正交優化計算結果 L/100 km

從表1可以看出：電池電能未來消耗工況的等效油耗轉換系數（feq_chg）值越大，表示未來電能消耗越多，那么當前充電功率相應提高以備將來使用，而過多的使用電能將會使整體油耗也隨之增加。同樣如果電池電能未來補償工況的等效油耗轉換系數（feq_dischg）取值過高也會引起整體油耗增加。由表1中的仿真計算數據可以初步確定ECMS算法控制參數feq_chg和feq_dischg的取值范圍為（0，2]。當feq_chg和feq_dischg中一個或全部為0時，ECMS算法將失去對電池電能調節的能力，因此控制參數的取值范圍不應包括0點。

6 結論

文章利用Advisor軟件建立了混合動力汽車瞬時等效油耗計算模型，采用正交優化算法計算得出瞬時等效油耗最低控制策略，結果表明計算結果精度較高，為混合動力汽車瞬時等效油耗的進一步研究提供了依據。文章只是在軟件平臺進行仿真模擬計算，還需進一步在實車上測試驗證該方法的可行性。