雙模式機電復合傳動系統電功率協調控制策略

項昌樂， 吳 洋， 王偉達， 劉 輝， 馬文杰

(1.北京理工大學 機械與車輛學院,北京100081；2.車輛傳動國家重點實驗室(北京理工大學),北京100081;3.內蒙古第一機械集團有限公司科研所, 內蒙古 包頭，140032)

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雙模式機電復合傳動系統電功率協調控制策略

項昌樂1,2， 吳 洋1， 王偉達1,2， 劉 輝1,2， 馬文杰3

(1.北京理工大學 機械與車輛學院,北京100081；2.車輛傳動國家重點實驗室(北京理工大學),北京100081;3.內蒙古第一機械集團有限公司科研所, 內蒙古 包頭，140032)

為提高重型車輛用功率分流式混合動力系統機電功率流調控精度,解決外界用電需求的動態控制問題，提出電功率協調控制策略.該策略利用電機快速響應和精確控制的特點，通過對發電機和電動機的閉環協調控制，調整二者的工作狀態，保證動力源功率分配的精確性以及對外供電的穩定性.仿真結果表明，提出的協調控制策略能夠使電池實際功率時刻跟隨其目標值，并且在外界有用電需求時，確保系統快速調整出相應的電功率以供使用，較好地解決了機電復合傳動系統機電功率分配的精確性問題以及對外供電功率響應的復雜動態控制問題.

雙模式機電復合傳動；電功率協調控制；能量管理優化；功率精確分配；穩定供電

雙模式機電復合傳動系統是混聯式混合動力汽車的一種重要形式.它通過切換動力耦合機構的工作模式，在輸入轉速不變的情況下，改變兩個電機的轉速狀態，使得輸出轉速連續不斷的進行變化，實現無級變速.雙模式機電復合傳動系統具有調速范圍寬，驅動功率大的優點，同時還能滿足輔助系統和特定功能系統的用電需求，并且降低了對車用電機的功率要求，因此具有良好的應用前景[1-2].

對于采用雙模式機電復合傳動系統的重型車輛，工況往往與民用車輛不同，存在許多特殊問題.首先，當能量管理策略對功率進行分配之后，各動力源能否精確地按照分配好的功率軌跡進行變化，對于整車的運行起著至關重要的作用.除此之外，重型車輛在運行過程中，往往對電功率有著較大需求，如何快速地讓系統協調出相應的電能，也是一個值得關注的問題.雖然目前很多學者都提出了相關的能量管理策略[3-4]，但是對其功率實際分配的精確性以及從一個穩定狀態到另外一個穩定狀態的動態調節過程，卻少有文獻提及.在飛行器領域，則有相關學者通過對控制分配技術的研究，提高了控制分配的精確性，從而提升了系統的整體性能[5-6]，但由于對象的本質區別，使其應用在車輛上的難度較大.同時，一般輕型車輛對電功率的需求較少，故部件間的協調控制研究大部分都集中于如何減小換段過程中的轉矩波動[7-13]，鮮有對協調供電的研究.

針對采用雙模式機電復合傳動系統的重型車輛，本文提出了電功率協調控制策略.利用電機響應速度快和控制精度好的特點，通過PID控制算法，協調電機A和電機B的工作狀態，使得各動力源按照預先分配好的穩態功率精確變化，保證電池穩定工作.同時當外界需要電功率輸出時，系統能夠快速協調出外界所需要的電能，從而達到對外供電的穩定性，提升供電品質.

1 系統介紹

圖1是雙模式機電復合傳動系統結構簡圖.

圖1 雙模式機電復合傳動系統結構簡圖

Fig.1 Structure of dual-mode electro-mechanical transmission system

由圖1可看出，發動機輸出的動力，經過前傳動，由k2排輸入至耦合機構.當離合器C1分離，制動器Z1結合時，發動機一部分功率直接輸出至車輪，驅動車輛行駛，另一部分則驅動電機A發電，為電機B和用電設備提供電功率，此時系統工作在EVT1模式；當制動器Z1分離，離合器C1結合時，電機A與電機B的發電/電動工作狀態互換，發動機的一部分功率仍然通過機械結構直接驅動車輛，而另一部分功率則驅動電機B發電，電機A處于電動狀態，此時系統工作在EVT2模式.

參考機電復合傳動系統結構簡圖，根據行星排的轉速轉矩關系式，可得電機A和電機B的轉速、轉矩與輸入輸出轉速、轉矩之間的關系.

EVT1：

EVT2：

式中：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分別為輸入的轉速和轉矩，no、To分別為輸出的轉速和轉矩.

2 控制策略

2.1 整車穩態目標功率分配控制策略

為了實現行駛安全，實現輸出力矩的平穩和行駛過程的平順，考慮到發動機的最佳燃油經濟性，本文采用了基于規則的邏輯門限控制策略[14-16].在該策略中，對車輛的行駛模式進行了分類，并制定了相應的模式切換規則.在特定的行駛模式下，首先根據整車驅動要求和輔助用電設備的用電需求，確定總需求功率.然后，根據電池荷電狀態(SOC)、車輛行駛工況以及外界的電功率需求，考慮電池的供電能力，確定電池穩態目標功率；總需求功率與電池穩態目標功率之差，即為發動機穩態目標功率.在此說明，大部分工況下，驅動功率和用電功率均由發動機提供，電池只在大油門驅動等特殊工況下使用.然后，根據動力耦合機構轉速轉矩關系，確定各部件的動態控制目標，發動機為轉速控制，電機為轉矩控制.最后，將控制目標值通過CAN總線，發送至各部件的控制器，控制部件工作.整車穩態目標功率分配控制策略見圖2.

圖2 整車穩態目標功率分配控制策略

Fig.2 Steady-state target power allocation control strategy block diagram

2.2 電功率協調控制策略

通過整車穩態目標功率分配控制策略，確定了發動機和電池兩個動力源的穩態目標功率.但由于效率模型的不準確，以及發動機和電機動態響應特性的多重耦合作用，使得發動機和電池的實際功率不能按照分配好的穩態目標進行精確變化.此外，在重型車輛運行過程中，某些工況下，需要系統對外提供較大的電功率，而整車穩態目標功率分配控制策略不能解決動態過程的快速調控問題.本文提出電功率協調控制策略，其主要包括兩部分：電池功率閉環反饋控制策略，以及電機協調供電控制策略.

2.2.1 電池功率閉環反饋控制策略

在系統工作過程中，電池處于被動工作的狀態，必須通過對發電機功率和電動機功率的協調控制，實現對電池功率的控制與管理.而考慮到系統的復雜性，效率模型往往不夠準確，使得動力源的實際功率無法按照其穩態目標功率進行精確變化.同時，由于發動機的響應速度較慢，當工況產生變化時，功率無法快速進行變化.此時，功率不足的部分就需要電池去提供.這導致在動態過程中，電池功率始終偏離其之前的預定軌跡，無法跟隨穩態目標值進行變化.因此，提出電池功率閉環反饋控制策略.利用電機控制精度高和響應速度快的特點，通過對電機A和電機B的轉矩進行動態補償，彌補發動機在動態特性上的不足，以達到機電功率分配的精確調控和平穩控制.電池功率閉環反饋控制策略如圖3所示.

圖3 電池功率閉環反饋控制策略

該控制策略是基于電池功率進行的.在整個過程中，以電池穩態目標功率為目標值，實際功率由電池管理模塊給出的電池工作電壓和電流得到，根據電池實際功率與目標功率的偏差，確定電機A和電機B的動態補償轉矩.由電池的充放電情況，調整電機A和電機B的工作狀態，以確保電池功率能夠按照預期所分配的穩態目標功率進行變化，避免電池的過充過放，確保其動力性能和使用壽命.在電池功率閉環反饋控制策略中，閉環控制部分采用工業界常使用的PID控制算法進行調節與控制，根據控制對象的特性進行PID參數的整定，保證電池功率時刻跟隨目標值，不偏離其控制軌跡，達到功率的精確分配.

2.2.2 電機協調供電控制策略

在外界有用電需求時，為保證電池組電量穩定，一般情況下通過協調發電機和電動機的電功率差來實現對外供電，從而保證對外供電的主要來源為發動機的發電功率.

在2.2.1電池功率閉環反饋控制策略中提到，因為發動機的響應較慢，以及效率模型的不準確，所以當外界有用電需求時，往往需要電池多放電，以彌補功率不足的部分.而為了使電池按照預先分配好的穩態功率進行變化，就需要增大發動機功率，發電機增加發電，電動機減少用電，從而實現驅動功率和供電功率的平衡與穩定.在這個過程中，如果轉矩分配結果稍有偏差，功率耦合機構各構件的平衡關系就會被打破，電機A和電機B的轉速都會產生波動，進而影響到輸出轉速no和轉矩To，從而導致發動機的輸出功率不穩定，不能夠保證對外的平穩供電.

因此，電池功率閉環反饋控制策略，只能夠保證機電功率的精確分配，卻無法讓系統快速協調出外界所需求的電功率.故本文提出電機協調供電控制策略，如圖4所示，在保證車輛動力性的同時，使系統能夠快速輸出滿足用電需求的電功率，達到穩定供電.

圖4 電機協調供電策略

電機協調供電控制策略的基本控制原理為：根據當前工作模式下的轉速關系式，確定達到最終穩態運行時電機A的穩態目標轉速.將電機A的實際轉速與目標轉速的偏差作為輸入值，通過協調供電控制算法，得到電機B的協調補償轉矩.協調供電控制部分，通過PID算法實現.通過對電機B的轉矩進行協調補償控制，能夠使電機B產生符合穩態耦合關系的轉速.當電機A和電機B均達到最終的穩態目標轉速時，輸出轉速no也會維持在相應的穩態值，輸出轉矩To也不會減小.進而，當外界有用電需求時，發動機會在原來輸出功率的基礎上，額外發出滿足用電需求的功率，在保證其它性能的同時，持續穩定的對外進行供電.

電池功率閉環反饋控制策略和電機協調供電控制策略，共同組成了電功率協調控制策略.該策略既保證了達到穩態時各動力元件功率分配的精確性，又能夠在用電設備有用電需求時，快速而準確地協調出相應的電功率，以供使用.

3 仿真驗證與結果分析

為了驗證電功率協調控制策略的效果，在Matlab環境下,利用Simulink、Simdriveline以及Simpowersystem等中的相關模塊，搭建了發動機、電池、動力耦合機構、電機、整車以及控制策略等模型，并利用該模型進行不同工況下的仿真，驗證電功率協調控制策略的可行性.

針對有電功率協調控制策略和無電功率協調控制策略，進行數字仿真與分析對比.油門踏板行程達到60%的數據對比曲線如圖5～9所示.

圖5 60%油門開度，發動機功率曲線

圖6 60%油門開度，電機A功率曲線

圖7 60%油門開度，電機B功率曲線

圖8 60%油門開度，電池功率曲線

由圖5～9可知，在100 s時，用電設備要求系統提供300 kW的電能，此時，由于發動機的響應較慢，所以由電池瞬時功率提供.之后在發動機逐漸達到預期目標，額外增加300 kW功率的過程中，電機A和電機B配合工作，改變自身運行狀態，調整發電功率和供電功率，從而對外提供300 kW的電能，以供用電設備使用，而電池則快速恢復至目標功率狀態.通過圖8可以明顯看出，在有電功率協調控制策略的情況下，電池功率的調整速度明顯增加，并且達到穩態時，與穩態分配目標功率相同，實現了分配的精確性.無電功率協調控制策略，不但調節速度慢，而且最終控制狀態可能會偏離穩態控制目標，例如圖8所示，系統達到穩態時，電池并未停止工作，而是以62.8 kW的功率繼續放電，長此下去，會造成電池的過放，損害其動態性能.在偏差校正和對外供電的過程中，車輛的動力性并未受到影響，整車依舊正常驅動.

圖9 60%油門開度，車速曲線

油門踏板行程達到100%的電功率協調控制策略下的車輛行駛狀態如圖10～12所示.

圖10 100%油門開度，發動機功率曲線

圖11 100%油門開度，電池功率曲線

圖12 100%油門開度，車速曲線

在油門踏板行程為100%時，在100 s處，同樣有300 kW的用電功率需求.由圖11看出，電池在瞬時提供了300 kW的電功率.之后發動機發揮出了最大功率，同時通過電機A和電機B的協調，電池實際功率又按照預先分派好的目標功率進行變化，不會產生偏差.但是由于發動機已經到了最大功率，供電功率和驅動功率需求的總和超出了系統可提供的功率范圍，因此，在優先滿足對外供電的優先級要求下，只能犧牲一定的動力性，致使車速降低.在滿足對外功率需求的情況下，整車達到新的驅動平衡，該工況下車輛最終以68 km/h速度行駛.這是100%油門工況和60%油門工況的不同之處.

4 結 論

1)電功率協調控制策略利用電機響應速度快和控制精度高的特點，彌補發動機響應慢和機電復合傳動各傳遞環節效率模型不準確的缺點.當系統處于穩態時，機電功率達到精確分配，各動力源按照預先分配好的穩態目標功率進行變化；系統發生動態變化時，響應速度更快，調整更加迅速.

2)由整車穩態目標功率分配控制策略得到各動力部件的穩態功率目標值，電功率協調控制策略則通過協調電機A和電機B的工作，實現驅動功率與供電功率的協調分配，可兼顧穩態功率分配的精確性和動態調控的響應速度，能夠比較好地解決機電復合傳動系統機電功率精確分配和對外供電功率響應的復雜動態控制問題.

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(編輯 楊 波)

Electric power coordinated control strategy of dual-mode electro-mechanical transmission system

XIANG Changle1, 2, WU Yang1, WANG Weida1, 2, LIU Hui1, 2, MA Wenjie3

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.National Key Lab.of Vehicular Transmission(Beijing Institute of Technology), Beijing 100081, China;3.Research Institute, Inner Mongolia First Machinery Group Co.Ltd., Baotou 140032, Inner Mongolia, China)

The dual-mode electro-mechanical transmission system for heavy duty vehicles is a power split hybrid system, which transmits engine power through mechanical and electrical power flow.Aiming at the precision of mechanical and electrical power distribution and the responding speed of electrical power supply, the electric power coordinated control strategy is proposed.Making use of quick response and accuracy control of motors, the strategy can realize the precise power distribution of engine and battery and supply steady electric power by coordinating the working state of generator and motor.The simulation results indicate that the actual power of battery will follow its target value in real time and the electric power will be supplied rapidly when it is needed.The electric power coordinated control strategy can achieve the precise distribution of mechanical and electrical power and the high responding speed of electrical power supply in complex dynamic control system.

dual-mode electro-mechanical transmission; electric power coordinated control; energy management optimization; precise power distribution; steady electric power supply

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.017

2016-01-29

國家自然科學基金(51005017,51575043,U1564210); 教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-0048)

項昌樂(1963—)，男，教授，博士生導師

王偉達，wangwd0430@163.com

U469.72

A

0367-6234(2017)01-0120-06