TTR汽車等效燃油消耗最小的能量管理策略研究*

劉晉霞，梁志豪，王強，溫明星

（山東科技大學交通學院，青島 266590）

前言

具備更大續駛里程與更低排放的混合動力汽車（hybrid electric vehicle，HEV），被認為是傳統燃油汽車向電動汽車的過渡產品，成為了節能與新能源汽車領域的重要研究方向［1］。在傳統燃油汽車構架基礎上，該領域已研制出各種發動機與驅動電機通過離合器實現動力輸入與斷開、行星齒輪機構實現動力耦合及電池充電的串聯、并聯、混聯HEV 驅動形式［2］。近年來，一種前、后輪分別由發動機、驅動電機驅動，行駛過程中通過路面（through-the-road，TTR）實現動力耦合與電池充電的并聯HEV（本文稱之為TTR汽車），在傳統燃油前（或后）輪發動機驅動汽車的基礎上，后（或前）輪加裝電機驅動系統來構成［3］，其研發及制造過程可充分利用傳統燃油汽車技術基礎及生產線進行，成為了HEV 領域一個新的研究熱點［4-8］。

為改善HEV 的節能與減排性能，大量學者針對不同驅動形式HEV 的能量管理策略（energy management strategy，EMS）進行了研究，極大地改善了HEV 的經濟性，并已形成以基于實時、全局優化方法為主，向人工智能控制算法方向發展的EMS［9］。對于基于全局優化的EMS，需預知行駛工況與駕駛風格等大量信息，且計算量大，實車的適用性不強；人工智能控制算法的EMS，神經網絡及多信息融合等理論還有待完善，目前處于初級階段；而基于等效油耗最小策略（equivalent consumption minimization strategy，ECMS）實時優化的EMS，通過等效因子將電能消耗合理地等效為燃油消耗，以電能等效燃油消耗與發動機燃油消耗之和最小為目標進行實時優化得到廣泛應用。李躍娟［10］、胡建軍［11］、王文彬［12］、鄧濤［13］等人基于ECMS 思想，分別針對不同并聯、混聯驅動形式的HEV，采用動態規劃、PI、螢火蟲、模糊算法等自適應等效因子的等效油耗最小策略（adaptive equivalent consumption minimization strategy，AECMS），保證電池荷電量（state of charge，SOC）穩定性而獲得基于工況的最佳時變等效因子、使電池SOC實時逼近其理想、保持初始值，并在不同的工況下進行仿真和實驗研究，得到比全局優化燃油消耗相差較少、比固定等效因子的等效燃油消耗最小策略（constant equivalent fuel consumption control，CECMS）的燃油消耗明顯降低的結果。以上針對HEV 提出的各種AECMS 對改善HEV 燃油經濟性具有重要意義。然而，各種AECMS 致力于模擬全局優化時發動機、電機轉矩分配，該模擬難以適應復雜多變的駕駛環境。

目前，關于TTR 汽車EMS 亦有少量研究，文獻［5］中將電池SOC 與剩余行程綜合計算得出的全局放電率與車速作為確定TTR 汽車功率判斷依據，并設置高、中、低3 個閾值確定純電驅動或混合驅動模式以盡可能減少油耗，相比控制發動機開關的策略燃油經濟性提高62%；文獻［6］中針對TTR 掛車，采用基于全局優化的模型預測方法，取上一段時間速度均值預測下一段時間速度，并根據GPS 預知道路坡度預測汽車所需轉矩，再根據電池SOC 和發動機門限值對發動機、電機轉矩進行分配，相比無預測道路坡度的模型預測策略燃油消耗降低16.5%。對于TTR汽車的EMS研究仍有待進行深入探討。

因此，本文嘗試基于TTR汽車的結構特點、工作模式，采用ECMS 算法，在計算CECMS 的基礎上，考慮行駛所需發動機等價總轉矩及電池SOC對等效因子的影響，使發動機與電機工作狀態能夠保持電池SOC 穩定性及實時燃油消耗最小，提出模糊AECMS（fuzzy adaptive equivalent consumption minimization strategy，FAECMS），并選取FTP75、CLTC、WLTP 3種標準工況，在MATLAB/Simulink 中建立TTR 汽車動力學及CECMS 與FAECMS 的仿真模型，展開對TTR汽車EMS 的研究，以期改善其節能減排性能的基礎上，為其普及提供理論指導作用。

1 TTR汽車結構、參數和工作模式

1.1 結構及整車參數

TTR 汽車根據驅動電機安裝位置可分為集中電機與輪轂電機驅動兩種結構形式。其中，集中電機驅動結構將驅動電機安裝在汽車中后部，采用機械差速系統傳遞動力至車輪，占據了后部底盤大量空間。而輪轂電機驅動結構則將輪轂電機直接安裝在車輪輪輞內部形成電動輪，靠控制輪轂電機的轉矩實現差速，提高了空間利用率，其結構如圖1 所示。輪轂電機驅動的TTR 汽車中，普通車輪由發動機驅動，電動輪由輪轂電機驅動，兩驅動系統無任何機械連接。本文即針對該類TTR 汽車的EMS 進行研究，其整車相關參數見表1［14-15］。

表1 TTR汽車整車參數

圖1 輪轂電機驅動的TTR汽車結構

1.2 發動機的map圖

包含有燃油消耗率、轉速、轉矩等信息的發動機map 圖如圖2 所示。由圖2 可知，該發動機較小燃油消耗區處于轉速為800～3 500 r/min 范圍內，此時其輸出轉矩為70～130 N·m。

圖2 發動機燃油消耗率map圖

1.3 驅動電機的map圖

在TTR 汽車行駛過程中，驅動電機應能夠實現驅動、行車發電及制動能量回收功能。TTR 汽車驅動電機采用的輪轂電機應與輪輞空間相匹配，本文選用永磁同步輪轂電機作為驅動電機，其包含效率、轉速、轉矩等信息的map圖如圖3所示。

圖3 電機效率map圖

2 TTR汽車ECMS設計

2.1 工作模式分析

根據TTR 汽車結構及工作原理，可將其工作模式分為：純發動機驅動、純電機驅動、發動機與電機混合驅動（混合驅動）、發動機驅動電機發電（驅動充電）、制動能量回收5 種工作模式，各工作模式的動力部件工作狀態見表2。

表2 TTR汽車各工作模式動力部件工作狀態

由于當電池SOC 小于15%、20%時，電池電壓與內阻分別出現驟然下降與不規律變化［16］，因此，為確保電池使用過程中電壓及內阻處于穩定狀態，本文在研究TTR 汽車EMS時，將電池SOC 控制在20%～100%之間，即：當電池SOC 等于100%、20%時，電機分別處于驅動、發電狀態；而當SOC 大于20%且小于100%時，TTR 汽車工作模式切換則根據ECMS 算法來確定。

2.2 TTR汽車ECMS計算流程

設計TTR 汽車ECMS 的計算流程如圖4 所示。根據實際車速與目標車速之差、汽車動力驅動、發動機驅動的變速及主減速比、輪轂電機驅動無變速與主減速比，計算驅動TTR 汽車發動機等價所需總轉矩Ta。當Ta＜0時，汽車進入制動能量回收模式，不足制動力矩由機械制動補足；當Ta＞0時，則根據ECMS算法、等效因子、發動機及電機轉速，分配發動機與電機轉矩，并確定工作模式、更新實際車速和電池SOC。

圖4 TTR汽車ECMS計算流程

2.3 ECMS算法設計

發動機轉矩Te1與Te2為x、y由黃金分割法計算的預選值。根據所需總轉矩Ta、發動機與電機轉速Ne、Nm及其map圖、等效因子i計算發動機轉矩為Te1、Te2時的燃油消耗Le1、Le2與電機等效燃油消耗Lm1、Lm2，得出兩個預選發動機轉矩時總油耗Ltot1、Ltot2。當y-x＞0.001時，若Ltot1＞Ltot2，則 令x=Te1，Te1=Te2，Te2=x+0.618（y-x）；反之，則令y=Te2，Te2=Te1，Te1=x+0.382（y-x）進行以上循環計算，直到y-x≤0.001，跳出循環。

此時，發動機、電機的輸出轉矩分別為Te=（Te1+Te2）/2、Tm=Ta-Te，且分別當Te=Ta，Tm=0，Te=0，Tm=Ta，0＜Te＜Ta，0＜Tm＜Ta、Te＞Ta，Tm＜0時，TTR 汽車處于純發動機、純電機、混合驅動與驅動充電模式行駛。

2.4 CECMS等效因子的確定

CECMS 是假設在一定行駛工況下，采用等效因子i（常數）將電量消耗合理地實時等效為燃油消耗iLm，以發動機油耗和等效油耗的總油耗Ltot最小為優化目標，即

圖5 ECMS算法流程

2.5 FAECMS等效因子的確定

以上CECMS 只考慮了電機效率、電機傳動效率及汽油熱效率相互轉化關系的油耗最小問題，沒有考慮電池SOC及所需總轉矩對等效因子的影響。而當電池SOC 值大時，等效因子應當變小使TTR 汽車驅動電機較多地處于驅動狀態來消耗電量，反之等效因子應變大來減少電量消耗。若電池SOC值中等時，所需總轉矩對于HEV 傾向耗電或耗油具有很大影響［13］，當TTR汽車運行所需轉矩大時，等效因子應當變小來使驅動電機分擔更多轉矩，進而使發動機盡量處于低燃油區，此時TTR 汽車應處于混合驅動模式；當所需總轉矩較小或較大時，等效因子應當變小或變大使TTR汽車處于純電機驅動模式或純發動機驅動模式。因此，本文采用模糊控制來調整等效因子，使得TTR汽車電池SOC波動較小，且運行模式處于發動機最佳燃油消耗區。

對電池SOC、所需總轉矩Ta、等效因子i進行模糊處理，分別采用論域為［0，4］、［0，6］、［0，4］的隸屬度函數表示，如圖6和圖7所示。考慮電池SOC對等效因子敏感度較大［10］，等效因子范圍設置為0.5～1.5。設置負大NB，負中NM，負小NS，零ZE，正小PS，正中PM，正大PB 7 個模糊子集，考慮盡量保持電池SOC穩定，并使發動機工作于最小燃油消耗區，制定等效因子i的模糊控制規則（見表3），則得出電池SOC、所需總轉矩Ta和等效因子i的關系，如圖8所示。

圖6 SOC、i隸屬度函數

圖7 Ta隸屬度函數

表3 等效因子的模糊控制規則

圖8 i隨SOC、Ta的變化

3 TTR汽車ECMS仿真

根據整車參數、發動機與驅動電機map 圖、ECMS計算流程及算法等，在MATLAB/Simulink中分別建立包含有TTR 汽車動力學的CECMS 與FAECMS 模型，選取美國FTP75、中國CLTC、歐盟WLTP 3 種標準工況，取初始電池SOC 為60%時，對TTR汽車進行仿真研究。

3.1 TTR汽車動力性仿真

由于FTP75 標準工況要求汽車有較大、頻繁的加、減速度，故此處采用FTP75標準工況驗證模型的動力性，得出TTR 汽車在CECMS 與FAECMS 控制下跟車效果，如圖9 所示。由圖9 可知，TTR 汽車在CECMS 與FAECMS 控制下，目標車速與實際車速相差最大值為2.8%，表明兩種控制策略下TTR汽車動力性均能較好地滿足要求。

圖9 FTP75 工況下TTR 汽車CECMS 與FAECMS 的動力性比較

3.2 發動機與電機工作點分布

TTR 汽車CECMS 與FAECMS 在3種標準工況下的發動機、電機工作點分布如圖10 所示，圖中紅色、藍色點分別表示FAECMS、CECMS的工作點。

由圖10 可知：在各工況下，FAECMS 相對CECMS 發動機的工作點均較多集中于較低燃油消耗區，說明本文提出的FAECMS 能夠適應不同工況并改善TTR 汽車的燃油經濟性；FAECMS 相對CECMS驅動電機的工作點分布無明顯差異。

圖10 3種標準工況下發動機、電機工作點

3.3 模式切換過程

TTR 汽車CECMS 與FAECMS 在3 種標準工況下，工作模式切換過程對比分別如圖11～圖13所示，圖中1、2、3、4、5分別對應表2中TTR工作模式序號，0 則表示TTR 汽車處于發動機與驅動電機均不輸出轉矩，且驅動電機不發電。統計圖11～圖13各工況、策略下，各工作模式運行時長、頻次見表4。

由圖11～圖13 及表4 可知：TTR 汽車分別在3 種工況時，CECMS 和FAECMS 控制下，除制動能量回收模式外，處于純電動驅動模式的時長及頻次明顯較多，其它模式時長及頻次由多到少依次為驅動充電、混合驅動及純發動機驅動模式；且FAECMS相對CECMS在驅動充電模式工作時間更多。

表4 各工況、策略各工作模式時長、頻次統計

圖11 FTP75工況下TTR汽車工作模式切換過程

圖12 CLTC工況下TTR汽車工作模式切換過程

圖13 WLTP工況下TTR汽車工作模式切換過程

3.4 電池SOC變化

TTR 汽車CECMS與FAECMS 在3種標準工況下電池SOC變化分別如圖14～圖16所示。

由圖14～圖16可知，TTR汽車在3種標準工況運行時，FAECMS 的電池SOC 相對初始電池SOC 變化不大，而CECMS 的電池SOC 則有較大變化。統計各工況、策略電池SOC 的終值見表5。由表5 可知，相對初始電池SOC60%，FAECMS、CECMS 控制下歷經3 種工況后，電池SOC 分別變化為-1.5%、-0.9%、-2.5%、5%、-3%、-6%。

表5 各工況、策略電池SOC的終值統計

圖14 FTP75工況SOC變化

圖15 CLTC工況SOC變化

圖16 WLTP工況SOC變化

3.5 油耗

TTR 汽車CECMS 與FAECMS 在3種標準工況下油耗分別如圖17～圖19所示，各工況、策略的油耗統計見表6。

圖17 FTP75工況下各策略的燃油消耗

圖18 CLTC工況下各策略的燃油消耗

圖19 WLTP工況下各策略的燃油消耗

表6 各工況、策略油耗統計 L

TTR 汽車運行過程中電池SOC 由燃油提供，結合表5 和表6 得出各工況、策略總的等效油耗，見表7。由表7可知，FAECMS與CECMS相比，在FTP75、CLTC與WLTP工況下分別節油5.5%、2.6%、8.3%。

表7 各工況、策略等效油耗統計 L

4 結論

本文在分析TTR 汽車結構、工作原理及工作模式的基礎上，采用ECMS 思想對其EMS進行了研究。分別設計了CECMS、FAECMS，利用MATLAB/Simulink 建立包含TTR 汽車動力學的CECMS、FAECMS 模型，選取FTP75、CLTC、WLTP 3 種標準工況，當電池SOC 初始值為60%時，進行了仿真研究，得出以下主要結論：

（1）在3 種標準工況下，FAECMS 相對CECMS發動機的工作點均較多集中于較低燃油消耗區，說明本文提出的FAECMS 能夠適應不同工況并改善TTR汽車的燃油經濟性。

（2）FAECMS 與CECMS 相比，TTR汽車歷經FTP75、CLTC 與WLTP 工況后，FAECMS 與CECMS的電池SOC 相對初始電池SOC 變化最大值分別為-2.5%、-6%，即FAECMS 相對CECMS 能夠使電池SOC更加穩定。

（3）FAECMS 與CECMS 相比，TTR汽車歷經FTP75、CLTC 與WLTP 工況后，等效燃油消耗分別節約5.5%、2.6%、8.3%。