基于轉矩分配的混合動力汽車控制策略的優化研究

孫家文 劉勝永 王建超 黃俊華

摘 要：針對汽車仿真軟件ADVISOR2002中并聯式混合動力汽車的默認電力輔助控制策略（EACS）未對發動機轉矩進行良好的分配以及未限制電池運行狀態，導致的發動機工作效率較低及電池可能出現過沖與過放現象等問題，通過基于發動機轉矩分配的思想制定了一系列規則，提出一種新的基于轉矩分配的改進控制策略（TDCS），將發動機的輸出轉矩限制在高效區域，并同時控制電池的開關狀態.仿真結果表明，在特定工況下，改進的控制策略不僅能有效提高發動機工作效率，而且對蓄電池也有一定保護作用.

關鍵詞：并聯式混合動力汽車；電力輔助控制；轉矩分配；控制策略

中圖分類號：U469.72 文獻標志碼：A

0 引言

目前，并聯式混合動力汽車控制策略已逐漸趨于成熟，基于規則的控制[1]、基于功率的控制、模糊控制[2-4]、神經網絡控制[5]、實時優化控制、電力輔助控制等被廣泛應用于并聯式混合動力汽車控制策略.基于規則的控制與基于功率的控制都比較簡單，不能保證各部件得到最佳匹配，無法有效地提高整車效率；模糊控制不依賴系統的精確數學模型，具有較好的魯棒性與實時性，但過于依賴經驗，容易陷入局部最優；神經網絡控制可以通過訓練在理論上達到最優，但在硬件實現方面較為困難[6]；實時優化控制計算量太大，根本無法在實際車輛中實現實時控制[7].電力輔助控制策略（EACS）利用電機驅動系統作為輔助驅動源，根據工況，對發動機的輸出功率進行“削峰填谷”，從而優化發動機的運行，應用較為廣泛，已在現實的混合動力系統中實現，如本田Insight和雪鐵龍XSARA，在ADVISOR軟件中，將其設置為并聯混合動力車型的默認控制策略.本文詳細介紹分析了電力輔助控制策略，指出其存在的不足，并利用基于發動機轉矩分配的思想對其進行優化，得出新的基于轉矩分配的控制策略，改進的控制策略對汽車需求功率以及電池的荷電狀態（State of Charge）（即SOC值）都設定了一定的門限值，當它們取得不同的區域內的值時，發動機輸出相應的轉矩，如此，可以保證發動機始終工作于高效區域，而電池也能避免過沖過放帶來的損害.

1 電力輔助控制策略分析

ADVISOR中默認的并聯混合動力汽車控制策略為電力輔助控制策略.該策略的主要思路是：以發動機作為汽車的主驅動源，電機作為輔助驅動源，在車輛行駛過程中，根據蓄電池SOC值大小的不同，電機或處于電動狀態和發動機共同驅動汽車，或處于發電狀態，利用一部分發動機能量為蓄電池充電，將蓄電池SOC值保持在一中限制附近[8].在發動機工作的情況下，T=[Tr+Tchg，Tmin]max，其中，T為發動機輸出轉矩，Tr為汽車的需求轉矩，Tchg為給電池的補充轉矩，Tmin為當前車速下的發動機轉矩下限.默認的控制策略思想是：大多數情況下，將電池的SOC維持在一個中線值附近，即給電機施加一個補充轉矩Tchg，當Tchg>0時，電機處于發電狀態，給電池充電；當Tchg<0時，電機處于電動狀態，提供輔助能源.Tchg的計算公式如下：

其中，Tc表示發動機對電機的充電轉矩，SOChi，SOClo，SOCm分別表示電池SOC高限值、SOC低限值以及SOC的中限值.由此公式可以看出，電力輔助控制策略的目的是使電池SOC盡量平衡在中線附近.

綜上分析得知，電力輔助控制策略比較簡單，但也比較有效地完成了混合動力汽車中的能量分配.該控制策略也有不少缺陷，在ADVISOR2002的默認參數中，ess_on始終為“1”，即代表電池是始終處于工作狀態，沒有將需求功率與電池SOC值進行動態的結合考慮，只是單純地將SOC值分為高于中限制與低于中限制兩種情況. HEV在實際工況中，需求功率不停變的，當需求功率較小，而SOC值屬于大時，電機仍向發動機提供輔助能量，造成了能量浪費.當需求功率很大，發動機不能單獨提供足夠動力時，需要電機提供輔助能量，若此時SOC值低于電池安全放電范圍，如20%，電池仍放電，就會對蓄電池的性能、壽命都有很大損害，另外，當需求轉矩在發動機最小轉矩與最大轉矩之間時，發動機默認輸出需求轉矩而非效率最高的最大轉矩.針對這些情況，本文在默認控制策略的基礎之上進行了優化，結合車輛需求轉矩與電池SOC值制定了一套轉矩分配策略.

2 基于轉矩分配的控制策略

根據車速進行查表，可得到當前車速下發動機的最大轉矩Tmax，再用最大轉矩乘以最小轉矩系數可以得到該車速下發動機的轉矩下限Tmin.發動機只有工作在兩轉矩范圍內，才能保持較高的效率，而工作在最大轉矩時效率最高[9-10].

改進的控制策略結合車輛需求轉矩與電池SOC值制定一系列規則，目的是使發動機能持續工作在高效狀態，同時對電池進行一定的保護.分別將SOCmin與SOCmax設定為電池的SOC低限值與高限值.TDCS的基本方案如表1所示，體現了不同需求轉矩以及SOC的取值下發動機的取值以及電池開關狀態，ess_on=0表示關閉電池開關.

當前車速下的需求轉矩低于發動機最小轉矩下限時，如果SOCSOCmax，此時發動機仍輸出最小轉矩，但為避免蓄電池過充，需關閉電池開關。

當前車速下的需求轉矩處于最大轉矩與最小轉矩下限之間時，如果SOC≤SOCmax，則發動機輸出最大轉矩，同時電機工作處于發電狀態；如果SOC>SOCmax，則發動機輸出需求轉矩，同時關閉電池開關.

當前車速下的需求轉矩大于最大轉矩時，發動機需輸出最大轉矩，同時，電機應工作于電動狀態，提供輔助動力，但如果SOC

當汽車制動時，即需求功率為負，若此時SOC3 基于ADVISOR的建模與二次開發

本控制策略中，如何控制好電池的開關狀態是非常關鍵的一步，本文對電池開關的設計原則為當出現以下兩種情況時，關閉電池開關：當電池SOC低于低限值SOCmin而電機仍處于電動狀態時；當電池SOC高于高限值SOCmax而電機處于發電狀態時.如圖1所示為電池開關控制模型，其中輸入1為電池SOC，輸入2為電機需求轉矩.cs_dl_lo_soc與cs_dl_hi_soc分別表示SOCmin與SOCmax，分別設定為0.2與0.9.

為使改進的控制策略能夠成功地嵌入ADVISOR中并仿真，需要對ADVISOR中的模型及部分文件進行修改添加.具體步驟如下：

首先打開ADVISOR＼models＼library目錄下的控制策略庫文件lib_controls.mdl，通過點擊EDIT菜單下的UNLOCK LIBRARY解除鎖定，選擇該文件下的并聯電輔助控制策略模塊electric assist control strategy

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Abstract：Since the default electric assisted control strategy（EACS） of parallel hybrid electric vehicle in the vehicle simulation software ADVISOR2002 can not distribute the engine torque for good and does not limit the battery working state， resulting in low engine efficiency and the battery overcharging or discharging and other issues， this paper proposed a new improved control strategy based on torque distribution （TDCS） through a series of rules based on the idea of engine torque distribution. It will limit the output torque of the engine in the high efficiency area， and control the battery switch state at the same time. The simulation results show that the improved control strategy can not only improve the efficiency of the engine， but also have a certain protective effect on the battery under certain conditions.

Key words：parallel hybrid electric vehicle； electric assisted control strategy； torque distribution； control strategy

（學科編輯：張玉鳳）