某混合動力商用車能量管理策略研究

陳子郵 陸寶琛 馬曉楠 鄭偉光,

(1、東風柳州汽車有限公司,廣西 柳州545005 2、桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林541004)

隨著能源短缺問題和環境污染問題的日益凸顯,傳統燃油商用車已經無法滿足人們的各項需求,因此混合動力汽車得到快速的發展[1]。純電動汽車受充電設備和動力電池容量的影響,難以滿足駕駛員對長續航里程的要求[2]。油電混合動力汽車將傳統燃油汽車和純電動汽車優勢結合起來,成為當下滿足排放法規與提升經濟性的一種可行方案。

行星排混合動力系統包含發動機、兩個電機、行星排機構和離合器等機構,這些機構的工作狀態會在車輛行駛工程中進行動態的變化,整車運行特性復雜,控制難度較大。能量控制策略作為混合動力汽車的研究核心,其研究對混合動力汽車的發展具有重要意義[3-4]。目前,常見的能量管理策略主要有兩種：分別為基于規則的控制策略和基于優化的控制策略。基于規則的控制策略具有算法簡單、易實現、魯棒性好的優點,但往往無法達到最佳的燃油經濟性[5];基于優化的控制策略能夠根據系統的動態變化進行實時計算,實現最佳燃油經濟性,但是算法復雜、計算量大、硬件要求較高等缺點限制了其應用[6]。

本文以某款行星排混合動力商用車為研究對象,根據行星排機構、發動機、動力電池和電機的特性,以提高發動機燃油經濟性為目的,利用MLATLAB/simulink 軟件搭建能量管理策略模型。該能量管理策略包括駕駛員扭矩需求模塊、工作模式控制模塊、動力電池SOC控制模塊和扭矩分配模塊。然后基于AVL Cruise 軟件完成整車模型的搭建,并與搭建的能量管理策略模型進行聯合仿真。仿真結果表明：所設計的能量管理策略能夠較好的實現對整車的基本控制,駕駛員的需求扭矩估算較為準確,合理的規則使得行車模式的切換較為平順,扭矩的分配較為合理,對混合動力汽車后續基于優化的能量管理策略的開發具有一定的指導意義。

1 行星排動力系統構型及參數

混合動力汽車的能量管理策略是基于對行星排動力系統的控制,故對行星排動力系統的結構原理進行分析。

行星排混合動力汽車的動力系統結構,如圖1 所示,整車建模及動力系統關鍵參數,如表1 所示。該動力系統由發動機、電機1、電機2、動力電池和行星排機構組成。發動機與行星排PG1 的行星架連接,電機1 與行星排PG1 的太陽輪相連,電機2 與行星排PG2的太陽輪相連,行星排PG2 的行星架固定,兩個行星排的外齒圈相連提供動力輸出。其中行星排PG1 負責扭矩的分配,行星排PG2僅起到減速器的作用。行星排PG1 是該動力系統的動力耦合裝置,通過行星排PG1 實現發動機轉速與輸出端轉速的解耦,使得發動機工作在最優效率區間成為可能。

圖1 行星排混合動力汽車結構圖

表1 整車及動力系統關鍵參數

2 基于規則的能量管理策略

根據上述行星排動力系統,設計了發動機最優的控制策略。該策略能夠根據駕駛員的操作準確評估駕駛員的需求扭矩,并根據當前的車輛信息控制行車模式的切換,最后通過扭矩分配模塊將駕駛員的需求扭矩分配給發動機和兩個電機,完成整車的驅動。

2.1 駕駛員需求扭矩的估算。通過駕駛員對加速踏板的操作以及當前的車速信息,合理準確的對駕駛員的需求扭矩進行估算是能量管理策略的基礎[7]。

行星排混合動力汽車的驅動輪與行星排外齒圈之間是齒輪連接,每一車速v均對應唯一的齒圈轉速ωr。每一齒圈轉速ωr對應一電機2 轉速ωMG2和若干組發動機與電機1 的轉速組合[ωEng,ωMG1]。由發動機轉速ωEng查表發動機的最優工作曲線得到當前轉速下發動機的最大輸出扭矩TEng_Max；由電機1 轉速ωMG1查表電機1的外特性曲線得到當前轉速下電機1 的最大輸出扭矩TMG1_Max,由電機2 轉速ωMG2查表電機的外特性曲線得到當前轉速下電機2 的最大輸出扭矩TMG2_Max。每一齒圈轉速ωr下對應若干組電機1 最大輸出扭矩組合與發動機最大扭矩[TMG1_Max,TEng_Max],根據行星排扭矩分配特性,行星排PG1 外齒圈的最大扭矩為：

行星排PG2 外齒圈的最大扭矩TR2_Max=TMG2_Max,所以外齒圈的最大輸出扭矩TR_Max=TR1_Max+TR2_Max。根據公式(2)可以確定當前車速v所對應的行星排外齒圈轉速：

式中v為當前車速(km/h),i 為主減減速比,r 為車輪半徑(m)。

因此可以確定動力系統的輸出外特性曲線如圖2 所示。根據當前車速查表獲得該車速下的最大扭矩,并將該轉矩作為全負荷狀態下的駕駛員需求扭矩。通過駕駛員對加速踏板的操作,獲得加速踏板的開度信息,求得不同踏板開度下駕駛員的需求轉矩,其公式為：

式中：ACC為加速踏板開度,Tmax(n)為轉速n 的最大扭矩。

圖2 動力系統的輸出外特性曲線

2.2 行車模式控制。將車輛的行車模式分為純電動模式、混動模式和高速模式,為確保發動機啟停的順暢性,增加了mode3(發動機啟動請求模式)和mode4(發動機停機請求模式)。純電動模式分純電動模式1 和純電動模式2,mode1(純電動模式1),行星排PG1 的行星架鎖死,MG1 提供扭矩,MG2 不提供扭矩；mode2 (純電動模式2),行星排PG1 的行星架鎖死,MG1 和MG2 提供扭矩。混動模式分混動模式1 和混動模式2,mode5(混動模式1),MG1 為發電機,MG2不提供扭矩,發動機提供全部驅動扭矩；mode6 (混動模式2),MG1為發電機,MG2 和發動機一起提供扭矩。高速模式分高速模式1 和高速模式2,mode7(高速模式1),行星排PG1 的行太陽輪鎖死,MG2不提供扭矩,發動機提供全部扭矩；mode8(高速模式2),行星排PG1的行太陽輪鎖死,MG2 和發動機提供扭矩。

圖3 行車模式的切換邏輯及判斷條件

汽車在行駛過程中行車模式的切換邏輯及判斷條件如圖3 所示。圖3 中,SOCmin為電池SOC下限值,vmin為發動機開啟的最小車速,nstr為發電機開啟的最小轉速,nstp為發動機停機的轉速,Th為混動模式下發動機所能提供的最大扭矩,vh為車輛啟動高速模式的車速,Td為高速模式下發動機所能提供的最大扭矩。根據電機響應快、在低速時也有較高效率的優點,發動機在中高轉速下才能具有較高經濟性的特點。模式切換條件遵循在低速下優先純電動模式,中高速優先混動模式的原則。

2.3 動力電池控制。動力電池SOC 的控制是整個能量控制策略的關鍵,控制SOC在一個合理的范圍能夠有利于整車的動力性和燃油經濟性的提高,通過SOC的平衡控制確定發動機的目標轉速請求和目標扭矩請求。電池功率的控制主要依據電池SOC值的大小,電池SOC值較小時,電池的功率為負值發動機提高功率驅動車輛行駛的同時為電池充電；電池SOC較大時,電池的功率為正值電功率通過電機轉化為機械功率與發動機一起驅動車輛行駛。

動力電池SOC 與電池功率對應關系采用查表方式,電池功率的最大值根據電機功率最大值設置,如圖4 所示。

圖4 動力電池SOC 與電池功率對應關系

2.4 扭矩分配控制。發動機的扭矩主要依據動力電池SOC 值的大小,電機MG1 的扭矩采用PID 控制,其主要目的是維持發動機轉速,電機MG2 的扭矩控制主要根據需求扭矩進行控制。

3 整車建模及仿真分析

3.1 整車建模。在AVL Cruise 軟件里面將整車模型搭建出來與基于規則的能量管理策略進行聯合仿真,整車結構模型如圖5所示。

3.2 仿真分析。在搭建好的整車模型上完成仿真分析,仿真采用NEDC 循環工況,模式控制如圖6 所示,扭矩分配如圖7 所示,仿真結果表明所設計的能量管理策略能夠較好的實現對整車的基本控制,合理的進行模式的切換,扭矩分配也較為合理。

圖5 整車結構模型

圖6 模式控制

圖7 扭矩分配

4 結論

針對行星排混合動力汽車所設計的能量管理策略主要包括駕駛員需求扭矩估算模塊、行車模式控制模塊、動力電池控制模塊和扭矩分配控制模塊。通過設置合理閾值規則使發動機工作在最優工作曲線,動力電池工作在充放電的高效區。所設計的能量管理策略能夠較好的實現對整車的基本控制,合理的進行模式的切換,扭矩分配較為合理,為后續采用優化方法設計能量管理策略具有一定指導意義。