油電混合動力汽車不同工況最小油耗控制仿真

魏 玲，耿大勇

(遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧 錦州 121001)

1 引言

油電混合動力汽車以電動馬達作為發動機的輔助驅動，實現了動力優勢互補，該汽車由于有電動馬達輔助動力，因此在車輛起步加速過程中，能夠降低油耗。油電混合動力汽車通過油耗控制，在多個動力源之間，合理分配需求功率，同時對各動力部件之間進行協調管理[1]。油耗是指在不同路面上，汽車等速行駛時的燃油經濟性指標。目前根據各個國家制定的標準，存在不同類型的工況，例如美國的NEDC、UDDS、HFEDS以及US06，還有如我國的SC03，都是不同的工況類型。

因此控制方法以上述分析為依據，在滿足車輛動力性能的前提下，以汽車的最小油耗為管理目標，提出針對單一工況的控制方法[2-3]。當該控制應用到不同的汽車行駛工況中時，具有適應性較差、整車油耗偏高的問題。而目前的汽車行駛工況存在多樣性，因此經過實際應用分析，發現傳統方法與預期效果之間還存在一些差異，仍不能達到更好的油耗控制效果。

針對上述傳統控制仿真中存在的問題，對油電混合動力汽車不同工況最小油耗，提出全新的控制仿真研究，將處理數據與汽車行駛工況合成，以最優控制設置SOC門限值，構建最小油耗仿真控制模型，為我國的油電混合動力汽車在不同工況下的最小油耗控制，提供更先進的技術，為促進我國汽車行業、節約理念和環保戰略發展，提供科學的技術支持。

2 油電混合動力汽車不同工況最小油耗控制

2.1 處理數據合成汽車行駛工況

設置數據采樣間隔、確定數據采集量，在油電混合動力汽車的不同工況中，采集基本信息。由于駕駛員操作不當，油電混合動力汽車容易產生脈沖噪聲和高頻噪聲，影響仿真控制效果，因此利用濾波函數進行降噪，從而消除脈沖噪聲和高頻噪聲。該函數利用脈沖噪聲濾波器，去除工況曲線奇點，然后使用高頻噪聲濾波器，處理平滑后的曲線。其中脈沖噪聲濾波器的計算公式為

(1)

式中：u(t)表示t時刻時，油電混合動力汽車的車速[4]。而高頻噪聲濾波器的平滑曲線計算公式為

(2)

(3)

(4)

式中：ti表示單個簇i在汽車不同工況中的持續時間；t1表示代表工況的持續時間；t2表示所有工況區塊數據的總持續時間；ni工況區塊總數量；ti，j表示簇i中工況區塊j的時間[6]。在數據處理后，完成對汽車行駛工況的合成。

2.2 設置SOC門限值

控制不同工況的最小油耗，可以將汽車看作一個非線性系統，將油耗控制默認為一個受約束的最優控制問題。因此以最小油耗為目標，可以用下列公式描述全局最優控制

(5)

式中：Q表示油耗總量；we(c(t))表示汽車發動機的瞬時燃油消耗量，其中c(t)為汽車控制變量；te表示發動機瞬時工作時長。因為油電混合動力汽車的控制變量為電池功率、發動機和電機的動力分配比例以及電機轉矩，因此本次研究將電機轉矩作為控制變量，則

c(t)=Zm(t)

(6)

式中：Zm(t)表示t時刻下電機m的轉矩。將電池荷電狀態作為汽車狀態變量，則x(t)=SOC(t)[7]。則根據電池等效內阻模型，得到

G=U1·I=U2(SOC)·I-·I2R0(SOC)

(7)

式中：G表示電池功率；U1、U2表示電池端電壓和開路電壓；I表示電流；R0表示等效內阻。忽略蓄電池和其它附件的影響，默認電池能量流動只取決于電機，則電池與動力部件之間，存在如下能量關系

(8)

(9)

當計算結果I>0時，此時的電池向外放電，電機作為電動機驅動；當計算結果I<0時，外部向電池充電，此時電機作為發電機提供電能。假設電池額定容量為W，根據上述公式，得到SOC門限值

(10)

根據上述計算公式，確定SOC門限值。根據電池的特性，此次研究將該值默認為0.4[9]。

2.3 設計最小油耗仿真控制模型

已知油電混合動力汽車能耗，由APU油耗和電池電耗組成，因此在了解APU和動力電池的輸出功率序列后，可以控制汽車在不同工況中的油耗。因為發動機輸出功率和APU輸出功率可控，因此二者之間存在如下關系

FAPU(t)=Fe(t)·λm

(11)

式中：APU輸出功率為FAPU(t)；發動機輸出功率為Fe(t)；λm表示發電機m的效率[10]。因為動力電池不可控，因此將計算結果作為變量，得到APU油耗

(12)

其最小油耗仿真控制模型的目標函數為

(13)

而該模型的狀態方程為

(14)

已知APU輸出功率與動力電池輸出功率之間，需要滿足汽車需求功率[11]。則狀態方程可改寫為

SOC(t+1)=SOC(t)+f(FAPU(t))

(15)

假設該模型的初始條件和終端約束條件，如下列公式所示

(16)

則最終得到該模型的控制域

FAPU，min≤FAPU(t)≤FAPU，max

(17)

根據上述計算過程求得最優狀態軌跡，實現對油電混合動力汽車不同工況的最小油耗控制[12]?；谏鲜鲇嬎氵^程，實現此次研究的仿真控制模型。

3 實驗與分析

3.1 實驗準備

參考EPA發布的工況和ECE規定的工況，設置五種不同的行駛工況基本參數，如下表1和表2所示。

表1 不同工況的特征參數統計表(一)

表2 不同工況的特征參數統計表(二)單位：km/h

五種工況各有不同，其中前兩種汽車行駛工況較為接近，分別為典型城市工況和典型高速工況；第三種和第四種工況為激烈駕駛工況和高溫運行工況，最后為普通工況。選擇兩臺型號基本參數完全一致的油電混合動力汽車，為此次實驗測試基本對象，在不同的工況中進行最小油耗仿真控制測試。

3.2 NEDC工況下的最小油耗測試

保證基本測試條件一致，面對NEDC工況進行第一輪測試，結果如圖1所示。

圖1 發動機輸出轉矩仿真控制效果

根據圖1中的測試結果可知，在前段時間內，本文方法發動機輸出轉矩為0，說明汽車處于無工作狀態。但初始階段的汽車行車速度較低，蓄電池的SOC較高，此時的汽車依靠驅動電機提供能量。當運行一定時間時，車速逐漸提高，對于轉矩的需求量增加，此時的驅動電機單獨工作無法滿足運行要求，因此發動機開始工作。

3.3 US06工況下的最小油耗測試

將US06工況作為測試條件，分別利用三個測試組，仿真控制汽車的最小油耗，測試結果如圖2所示。

圖2 發動機輸出轉矩仿真控制效果

根據圖2中的測試結果可知，本文方法的發動機輸出轉矩控制效果，與NEDC工況下的控制效果較為近似，都是在行駛路況初期階段，將發動機輸出轉矩控制為0。而文獻[4]方法和文獻[5]方法在同一路況中，其發動機輸出轉矩存在數值，與實際情況不符合?？梢娒鎸Σ煌穆窙r時，三個測試組的仿真控制效果存在極大差異。

3.4 不同方法回收能量比較

再將UDDS、HFEDS以及SC03工況作為基本測試條件，同樣進行發動機輸出轉矩仿真控制效果對比測試，然后根據得到的測試結果，統計不同方法應用下，油電混合動力汽車在不同工況中的油耗，統計結果如表3所示。

根據表3中的數據可知，在五種不同的汽車行駛工況下，此次提出的最小油耗控制仿真方法，比兩種傳統方法的油耗控制效果更好，說明所提出方法對于發動機輸出，有更精準的仿真控制效果。綜合5次汽車行駛工況下的仿真測試結果，得到回收能量對比結果，如圖3所示。

圖3 不同方法的能量回收效果

根據圖5所示曲線可知，本文方法在仿真控制下，可以回收的能量比對照組多出近30%，可見此次研究的仿真方法，更加適合控制油電混合動力汽車在不同工況中的油耗。

4 結束語

此次研究在傳統控制仿真的基礎上，加強了對于SOC值的確定，優化仿真控制模型。經過實驗證實，此次提出的控制仿真，油耗控制效果更好。但受個人能力以及工作經驗的影響，此次研究沒有對另外三種工況下的測試結果，展開詳細說明，因此在下一階段的研究工作中，可以將另外三種工況作為基本測試條件，進一步論證此次實驗測試結果。