插電式混合動力客車能量管理最優控制實驗研究

岳興蓮, 張紅黨,2, 劉勺華,2

(1. 常州機電職業技術學院 車輛工程學院, 江蘇 常州 213164； 2. 江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

在新能源汽車發展中,插電式混合動力客車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)具有動力電池容量大、有便捷的外部充電插口而備受歡迎。現已被廣泛接受的混合動力客車(hybrid electric vehicle,HEV)主流構型有串聯構型、同軸并聯構型、雙軸并聯構型、同軸混聯構型以及基于行星齒輪系功率分流構型等[1]。混合動力汽車系統結構可分為串聯、并聯以及混聯3種。串聯式混合動力客車發動機和發電機相結合,產生的能量直接驅動牽引電動機或給動力電池充電；并聯式混合動力客車動力系統中發動機和牽引電動機可以同時驅動,在車輛處于制動狀態時,電動機充當發電機的角色給動力電池充電；混聯式混合動力客車動力系統有串聯、并聯兩條不同的路徑來給動力電池充電。

但不論何種構型,都是為了實現發動機與電機工作效率的綜合優化,從而提高整車的經濟性和排放性能[2]。在插電式混合動力客車動力系統中,電動機不僅為車輪提供扭矩,也是捕獲整車再生制動能量、給動力電池充電的重要部件。因此,采用適當的能量管理策略,能夠實現插電式混合動力客車最優能量分配,減緩動力電池容量衰減,提高續駛里程。

目前主流的能量管理策略有基于規則式的能量管理策略[3]、動態規劃能量管理策略[4]、龐德里亞金極小值原理的全局優化策略[5]、模糊控制優化策略[6]等。本文提出工況識別的動態規劃算法優化能量管理策略,并在氣-電混合動力客車實車上驗證了能量管理策略的有效性。

1 插電式混合動力客車動力系統

無論插電式混合動力客車動力系統采用何種構型,其主要組成部件均包括發動機、動力電池、ISG電機、逆變器、輔助功率器件(水泵、油泵、氣泵、助力電機等)、變速器,這些功率部件通過機械連接和電氣連接構成了整車動力系統。

1.1 PHEV動力系統架構

本文的研究對象是插電式混合動力客車,采用同軸并聯式結構,采用CAN總線方式進行通信。同軸并聯式結構可以實現發動機與電機兩種動力驅動裝置的結合與分離,提高能量的利用率。同軸并聯式結構的動力系統由鎳氫動力電池、發動機、逆變器、變速箱、ISG電機以及各自動力部件的控制單元(electric control unit,ECU)構成,發動機與低速大扭矩永磁同步電機同軸布置,在離合器后端耦合,如圖1所示。

圖1 同軸并聯結構PHEV動力系統

由圖1可以看出,發動機系統與電機驅動系統根據整車控制器指令實現驅動能量的自由切換,靈活應對各種行駛工況,尤其是在車輛需頻繁起停的城市路況中,避免了大電流脈沖對動力電池的沖擊。試驗樣車整車參數見表1。

表1 整車技術參數

表1(續)

1.2 PHEV動力系統工況模式

同軸并聯結構式PHEV動力系統具有4種典型的工況模式,分別是發動機與電機并聯驅動模式、純電動模式、發動機單獨驅動模式和再生制動模式,如圖2所示。

(1) 發動機與電機并聯驅動模式。該工況模式適用于車輛爬坡、加速等行駛工況,為整車提供足夠的動力。此時,發動機處于運轉狀態,離合器閉合,將扭矩輸入變速箱；動力電池組釋放電能,經逆變器將直流電轉換為交流電,給動力電機供電,動力電機也將扭矩輸入變速箱驅動電機。發動機和電機共同將動力輸入變速箱、后橋,從而驅動車輛加速行駛。

(2) 純電動模式。該工況模式適用于車輛起步時。由電機單獨將動力輸入變速箱、驅動橋,車輛起步。此時離合器處于分離狀態,由動力電池組給驅動電機供給動力。

(3) 發動機單獨驅動模式。該工況模式適用于車輛一般行駛工況。發動機處于中低速運轉,離合器閉合,將扭矩輸入電機、變速箱、驅動橋,從而驅動車輛行駛。電機轉換為發電機工作狀態,所發出的交流電經逆變器轉換為直流電,給動力電池組充電。

(4) 再生制動工況模式。該工況模式適用在車輛制動、減速駐車時。當駕駛員踩制動踏板時,驅動橋傳來的慣性扭矩,回收制動能量并經變速箱帶動電機運轉。此時,電機轉換為發電機工作狀態,所發出的交流電經逆變器轉換為直流電,對動力電池組進行充電,節約能源且減少了剎車片的磨損。

2 插電式混合動力客車能量管理

混合動力汽車與傳統燃油汽車的本質區別在于其不再由單獨的一套發動機系統來驅動,電機起到另一驅動源和發電機的雙重角色。插電式混合動力汽車的驅動能量形式和來源多樣化,電驅動系統的工作效率和高效區間均優于內燃機系統[7]。由于發動機與電動機工作效率、頻率響應特性、轉矩特性等固有特性的差異性,導致能量管理策略對PHEV的整車性能提升具有決定性作用[8]。動態規劃方法是一種重要的提高混合動力汽車的燃油經濟性和其他性能的優化控制技術[9],能對離散時變系統進行分割最優控制,而插電式混合動力客車的驅動系統是一個典型的非線性時變系統。

圖2 同軸并聯結構PHEV典型工況模式

本文采用動態規劃方法對插電式混合動力客車能量管理進行最優控制。

2.1 動態規劃能量管理策略

動態規劃方法是貝爾曼(Bellman)最早提出的一種研究多階段決策問題的理論和方法[10]。動態規劃方法基于最優性原理、分段求解最優值,是一種解決多段決策優化的先進算法[11]。在動態規劃方法的多段決策過程中,初始階段、初始狀態以及初始決策的變化不能影響余下階段決策的最優化。

PHEV的動力系統能量管理需在保證整車的動力性能的同時,最大限度地回收制動產生的能量,并且所產生的大電流脈沖對動力電池的沖擊最小。混合動力汽車的混合度直接表征了兩種動力源的功率組合和分配比例,是混合動力汽車的重要設計參數,也是混合動力汽車特性參數設計的核心內容[12]。整車混合度表征了發動機、驅動電機以及動力電池等關鍵部件的節能與動力性能。

并聯式結構混合動力汽車的混合度H定義如式1所示,采用動態規劃能量管理策略的控制結構如圖3所示。

(1)

動態規劃方法的動態求解過程有前向和后向2種求解方法。本文采用后向求解最優控制序列,選取發動機需求功率、電機需求功率以及控制約束為狀態矢量；選取動力電池荷電狀態為決策變量。

首先設定PHEV能量最優管理系統的狀態方程：

(2)

其次,根據最優原理以及最優管理策略的基本原則,選取能量管理目標函數：

(3)

2.2 復雜工況識別

PHEV對復雜行駛工況的識別能夠有效地提升能量管理效率,避免車輛在頻繁啟停過程中大電流脈沖對動力電池的沖擊。結合并聯式PHEV不同的工況模式,以PHEV整車混合度以及動力電池荷電狀態為優化對象和優化目標,制定與工況模式相適應的能量管理策略：

圖3 動態規劃能量管理策略的控制結構

(1) 發動機、電機并聯驅動

(2) 純電動驅動

(3) 發動機驅動

(4) 再生制動

3 試驗驗證

采用的基于工況模式識別的動態規劃方法,利用混合度這一性能參數對PHEV能量最優化進行表征。在能量管理策略優化過程中,以氣-電混合型PHEV作為研究對象,對驗證動態規劃策略的適用性進行了試驗驗證,試驗結果如圖4—圖7所示。

圖4 PHEV車速

圖5 發動機/電機輸出功率

圖6 發動機/電機轉矩

圖7 動力電池荷電狀態

由圖4—圖6可知,車輛在整個行駛工況中經歷了加速行駛、一般速度行駛、減速剎車、制動駐車等狀態。在發動機與電機的協同工作過程中,很好地執行了能量管理策略的最優分配。在減速剎車過程中回收了制動能量,電池SOC增大,能增加車輛的續駛里程。由圖7動力電池的荷電狀態結果圖可知,車輛在行駛工況下電池回收能量,SOC上升,且制動時電流對電池的沖擊減緩,實現了對動力電池的保護。

4 結語

在混合動力汽車的能量管理中,采用動態規劃方法作為能量最優分配的管理策略,可以減緩大電流對動力電池的沖擊和電池容量的衰減。通過實車驗證表明：以混合度作為性能表征參數,采取的能量管理策略能夠提升車輛的續駛里程,減小對動力電池的沖擊。