并聯(lián)式混合動力汽車最優(yōu)控制方法

吳昌軍，許輝，丁鎮(zhèn)濤，李港，趙春領(lǐng)

（400074重慶市 重慶交通大學 機電與車輛工程學院）

0 引言

與傳統(tǒng)的基于發(fā)動機的汽車相比，混合動力汽車（HEV）的復雜性相對較高。近年來，針對混合動力汽車的能量管理與優(yōu)化的研究日益增多[1-2]。20世紀80年代，J.Bumby[3]提出邏輯門限值控制策略,它的主要原理是通過設(shè)定門限值參數(shù)保證發(fā)動機工作在最優(yōu)工作區(qū)間；Lin[4]等人通過對全局最優(yōu)策略的實驗結(jié)果的分析，得出基于全局優(yōu)化的控制方法能夠在全局區(qū)域里找到最優(yōu)的解。瞬時最優(yōu)能量管理策略[5-6]是使用等效因子對動力電池釋放或吸收的電能進行折算，再與發(fā)動機所消耗的瞬時燃油能量相加得到瞬時總油耗。基于優(yōu)化的控制方法如ECMS算法[7-8]，可以在提高實時性的基礎(chǔ)上得到近似全局最優(yōu)解。在此基礎(chǔ)上，重慶交通大學的韓海碩[9]提出一種改進型瞬時等效燃油消耗最低策略（ECMS），將電池充放電過程等效為虛擬的發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程，與傳統(tǒng)ECMS對比仿真分析發(fā)現(xiàn)SOC提高了1.48%，燃油經(jīng)濟性提高了3.20%；羅遠平[10]提出了基于道路工況預測的A-ECMS，得到的結(jié)果表明，燃油經(jīng)濟性提高了6.54%且電池SOC更穩(wěn)定、更好地維持在初始值附近。

目前，雖然已經(jīng)提出了很多的混合動力汽車的控制策略，但是并聯(lián)式混合動力汽車的速度和充電損耗的協(xié)同優(yōu)化仍是一大難題，這是因為，對于并聯(lián)式混合動力汽車來說，電池SOC具有寬范圍[11]，增加了自由度，且難以選擇最佳參考值。針對上述問題，本文通過混合優(yōu)化工具優(yōu)化并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)，旨在最小化燃料消耗，優(yōu)化充電損耗和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動，以實現(xiàn)動力性、經(jīng)濟性和乘坐舒適性的協(xié)同優(yōu)化。

1 整車參數(shù)與建模

并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、電動機、轉(zhuǎn)矩耦合器和蓄電池4個部分組成[12]。

圖1 并聯(lián)式混合動力汽車的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of parallel hybrid electric vehicle

1.1 整車基本參數(shù)

本文所選取的并聯(lián)式混合動力汽車的動力總成參數(shù)如表1所示。

表1 并聯(lián)式混合動力汽車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of parallel hybrid electric vehicle

ADVISOR仿真軟件中的整車模型是由MATLAB/Simulink建立的整車各部件模型在ADVISOR中集成得到[13]。圖2是所搭建的并聯(lián)式混合動力汽車整車模型頂層結(jié)構(gòu)，主要由整車、發(fā)動機、循環(huán)工況、車輪和半軸、主減速器、變速器、離合器、轉(zhuǎn)矩耦合器、能量存儲器、電機與控制模塊以及整車控制模塊等組成。

圖2 基于ADVISOR的并聯(lián)式混合動力汽車模型Fig.2 Parallel hybrid vehicle model based on ADVISOR

ADVISOR軟件仿真同時用到了前向和后向2種仿真方法。仿真時，先進行后向仿真，得到發(fā)動機與蓄電池組實際的輸出功率，然后進行前向仿真計算出汽車的實際車速。

1.3 基于AMESim的整車建模

本文所建的并聯(lián)式混合動力汽車的整車模型主要包括6個重要子模型：駕駛員模型、車輛模型、發(fā)動機模型、電機模型、電池模型和整車傳動系模型[14]。并聯(lián)式混合動力汽車的整車模型如圖3所示。

圖3 基于AMESim的并聯(lián)式混合動力汽車模型Fig.3 Parallel hybrid electric vehicle model based on AMESim

車輛模型采用了考慮滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力的DRVVEH01模型，使得車輛運行更接近實際工況，該模型可以實時測得車輛的速度、高度和位置并輸出。

1.4 混合優(yōu)化工具HOT

HOT（Hybrid Optimization Tool）是基于最優(yōu)控制理論，特別是基于被稱為龐特里亞金極小值原理（PMP）的優(yōu)化方法[15]。

每個混合動力汽車結(jié)構(gòu)都由一個或多個自由度完成規(guī)定的駕駛循環(huán)。例如，并聯(lián)混合動力汽車，車輪上的總扭矩是由要遵循的循環(huán)施加的，但是可以自由選擇其扭矩來自發(fā)動機還是電機。

最優(yōu)控制策略意味著在周期的每個時間步上找到每個自由度的最優(yōu)值。在混合優(yōu)化工具HOT中，“最優(yōu)”指的是在循環(huán)結(jié)束時對SOC的約束條件下使得整個周期的燃油消耗最小化，因此，SOC是唯一考慮的動態(tài)變量。此最優(yōu)控制問題可以定義為在任意t ∈[0,t]，找尋一個u(t)，滿足

約束條件：

2 仿真結(jié)果分析

將并聯(lián)式混合動力汽車的動力總成參數(shù)導入到ADVISOR和AMESim的并聯(lián)式整車模型中，設(shè)置汽車在典型的城市驅(qū)動循環(huán)NEDC工況下工作，設(shè)置動力電池初始值為70%，仿真時間為1 200 s，仿真結(jié)果見表2。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results

車速跟隨情況如圖4所示。圖4表明，在ADVISOR和AMESim中，汽車均可穩(wěn)定地在NEDC工況下工作，說明所設(shè)置的并聯(lián)式混合動力汽車的參數(shù)滿足NEDC工況要求。

圖4 ADVISOR和AMESim車速跟隨情況Fig.4 ADVISOR and AMESim speed following conditions

電池SOC變化情況如圖5所示。從圖中可以看出，ADVISOR軟件和AMESim軟件仿真結(jié)果相仿，電池SOC的終值均接近64%，進一步說明了兩者聯(lián)合仿真的可行性。

圖5 電池SOC變化Fig.5 Changes of battery SOC

對比優(yōu)化前后的SOC值可以發(fā)現(xiàn)，混合優(yōu)化工具優(yōu)化后的電池不僅省電，而且能較好地使電荷在循環(huán)結(jié)束后能維持在初始水平，仿真結(jié)果表明，混合優(yōu)化工具可以有效地提升電池效能，延長電池的使用壽命。

發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩波動情況如圖6所示。由圖6可以看出，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩在0～950 s間的轉(zhuǎn)矩波動明顯減少，但是在950 s左右時發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動明顯加劇，可能是因為氣體流速增高，使得整車阻力增大，充氣量也減少，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高導致發(fā)動機摩擦損失加大，從而引起轉(zhuǎn)矩的較大波動。但是總體而言，汽車的轉(zhuǎn)矩波動得到了明顯的改善，駕駛員與乘客的乘坐舒適性也得到了很大的改善。

圖6 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動Fig.6 Engine torque fluctuation

從 表2中可以看 出，ADVISOR軟 件和AMESim軟件能很好地對并聯(lián)式混合動力汽車進行動力性和經(jīng)濟性的評價，且兩者聯(lián)合仿真得到的結(jié)果相仿，證明可通過AMEsim軟件對ADVISOR中存儲模型的優(yōu)化的可行性。

比較優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)可以看出，并聯(lián)式混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性得到了明顯的改善，百公里燃油消耗量減少了13.46%。在仿真中設(shè)置動力性評價指標設(shè)定為百公里加速時間、最高車速、行駛400 m所用時間和汽車在20 km/h車速下的最大爬坡度，得到的仿真結(jié)果可以看出，汽車的動力性能也得到了很大的改善。

3 結(jié)論

在循環(huán)工況NEDC條件下，對一種并聯(lián)式混合動力汽車在ADVISOR和AMESim中進行聯(lián)合仿真分析，然后使用了混合優(yōu)化工具對整車進行優(yōu)化。為了評判該方法的有效性，從動力性、經(jīng)濟性和乘坐舒適性3個方面對整車進行分析，可得到以下結(jié)論：

（1）本文首次將ADVISOR與AMESim軟件進行聯(lián)合仿真，在AMESim中搭建并聯(lián)式混合動力汽車的模型，然后將ADVISOR中并聯(lián)混合動力汽車的數(shù)據(jù)導入，并在ADVISOR和AMESim軟件中進行仿真，仿真結(jié)果表明，兩者的仿真結(jié)果相近，都能較為準確地反映車輛的性能，由于試驗過程忽略了一些油耗和阻力因素，更精確的仿真結(jié)果可以通過試驗標定的方法實現(xiàn)。

（2）使用AMESim中的混合優(yōu)化工具對并聯(lián)式混合動力汽車進行性能優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)整車在動力性、經(jīng)濟性和乘坐舒適性上都有顯著的改善。燃油經(jīng)濟性的變化最為明顯，與優(yōu)化前相比，減少了13.46%的燃油消耗。

（3）混合優(yōu)化工具可用于多種混合動力汽車架構(gòu)，包括串聯(lián)式、并聯(lián)式和功率分流式各種類型的混合動力汽車。本文采用混合優(yōu)化工具進行優(yōu)化的方法，對后續(xù)串聯(lián)式和功率分流式混合動力汽車的優(yōu)化有一定的參考價值。