基于規(guī)則策略的混合動力汽車能量管理策略概述

姚永琪 周映宇

摘 要：混合動力汽車較傳統(tǒng)燃油汽車具有低排放，內(nèi)燃機效率高以及噪音污染小等優(yōu)點。目前全球主要汽車公司大都已經(jīng)完成了混合動力汽車的基本性能研發(fā)，其中的能量管理系統(tǒng)是實現(xiàn)電動機與發(fā)動機之間的功率互補來滿足車輛的需求功率必不可少的關鍵性技術。本文主要概述了當前基于規(guī)則的混合動力汽車能量管理策略的應用現(xiàn)狀，并對基于規(guī)則的能量管理策略的發(fā)展趨勢進行探討和展望。

關鍵詞：混合動力汽車 確定性規(guī)則 模糊性規(guī)則 能量管理策略

Abstract：Hybrid electric vehicle has the advantages of clean， efficient fuel and dual energy drive system. At present， most of the world's major automobile companies have completed the basic performance research and development of hybrid electric vehicles， in which the energy management system is an indispensable key technology to realize the close cooperation between the engine and motor. The energy management strategy of hybrid electric vehicle mainly includes rule-based and optimization-based methods. This paper mainly analyzes the current situation of hybrid electric vehicle energy management strategy based on rule strategy， and discusses and prospects the development of energy management strategy based on rule strategy.

Key words：hybrid electric vehicles， deterministic rules， fuzzy rules， energy management strategies

1 引言

化石燃料危機以及環(huán)境污染問題的不斷加劇，為了實現(xiàn)到本世紀末確保全球凈零排碳，政府相應出臺了傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)向電動汽車轉(zhuǎn)型發(fā)展的政策。目前純電動汽車由于基礎設施配置不足，傳統(tǒng)燃油汽車又面臨著油價提高等多方面影響，決定了混合動力汽車在國內(nèi)大中城市現(xiàn)階段是最具應用潛力的。混合動力汽車是指擁有兩種或兩種以上動力源的汽車，其中油電混合動力汽車是現(xiàn)在最常見的一種混合動力汽車，即由發(fā)動機和電池組組成動力源，它不僅具有續(xù)航時間長、動力性能好等優(yōu)點，同時還融合了電機的無污染、低噪音等優(yōu)點，使得純電動汽車單體電池儲能能力有限導致續(xù)航里程短等技術瓶頸得到了較好的解決。

與純電動汽車相比，插電式混合動力汽車上配備的電池容量更大，能夠通過外部電網(wǎng)充電，純電動模式行駛的里程更長，以混合動力模式行駛可以適時對蓄電池充電，更容易發(fā)揮電驅(qū)動的優(yōu)勢。由于電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以直接作為車輛的驅(qū)動力矩，因此電機的效率比內(nèi)燃機效率高，所以插電式混合動力汽車的燃油消耗率比傳統(tǒng)混合動力汽車低，廢氣排放也更少，運行成本低[1]。但是混合動力汽車具有電機和發(fā)動機兩個動力源，其技術難點在于如何協(xié)調(diào)匹配能量使汽車的動力系統(tǒng)性能處于最佳狀態(tài)，在保證電池效率的同時，提高續(xù)航能力，減少廢氣排放。因此合理有效的能量管理策略對于提高車輛行駛的動力性、燃油經(jīng)濟性以及續(xù)航里程具有重要的作用，也成為了國內(nèi)外學者研究的熱點。由于燃料電池系統(tǒng)動態(tài)響應較慢，為了適應各種各樣的工況，與合理分配不同動力源的輸出功率，提升整車的燃油經(jīng)濟性，設計出合理的能量管理策略尤為重要[1]。

目前提出的混合動力能量管理控制策略主要分為兩種模式：基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略[1]。其中基于優(yōu)化的控制策略可以分為全局優(yōu)化能量管理策略以及瞬時優(yōu)化能量管理策略，主要采用的算法包括動態(tài)規(guī)劃、線性規(guī)劃、隨機動態(tài)規(guī)劃以及機器學習、強化學習等。對于優(yōu)化問題的求解步驟主要是建立優(yōu)化問題、確立優(yōu)化目標函數(shù)、引入?yún)?shù)的約束條件最終求解滿足優(yōu)化目標函數(shù)。

基于規(guī)則的能量管理策略則是根據(jù)工程經(jīng)驗、數(shù)值模型、先驗知識或?qū)嶒灁?shù)據(jù)等人為指定的規(guī)則對動力源進行能量分配，依據(jù)動力源的功率需求、穩(wěn)態(tài)Map圖、車速、動力電池荷電狀態(tài)等參數(shù)設置工作模式切換條件，實現(xiàn)對系統(tǒng)能量分配方式和流向以及各部件工作狀態(tài)的控制，最大限度地保證發(fā)電機以及發(fā)電機等各系統(tǒng)部件工作在高效區(qū)域以達到最優(yōu)控制效果[2]。基于優(yōu)化算法的能量管理策略能夠達到最佳控制，但是它屬于一種離線方法且計算量較大，基于優(yōu)化算法的能量管理策略難以在實車上得到實時應用，現(xiàn)有的優(yōu)化算法的研究大都在追捧計算速度與精確性，從而忽視了在實車上的工程應用效果，因此它也時常作為評價其他能量管理策略的好壞的一個標準。而由于基于規(guī)則的能量管理策略其控制方法簡單、容易實現(xiàn)，且計算簡單，所以目前在實際應用開發(fā)中，基于規(guī)則的能量管理策略的應用較多，也能很好的應用于實車的能量管理。

2 基于規(guī)則策略的能量管理策略

基于規(guī)則的能量管理策略根據(jù)規(guī)則是確定還是模糊可以分為兩類能量管理策略，一種是基于確定性規(guī)則能量管理策略，一種是模糊性規(guī)則能量管理策略[3]。二者都需要依靠研究學者的實際工程經(jīng)驗建立出不同的車輛模型，再研究不同能量管理策略對車輛的燃油經(jīng)濟性的影響及規(guī)律。

2.1 基于確定性規(guī)則的能量管理策略

確定性規(guī)則能量管理是基于明確定義的控制規(guī)則來操控系統(tǒng)工作，即確定一組合理的閾值參數(shù)，用以限制各動力源的開啟與關閉，車輛通過設定的規(guī)則來切換各個系統(tǒng)的工作模式，保證發(fā)動機可以工作在高效區(qū)域內(nèi)，以此來提升整車的燃油經(jīng)濟性。基于確定性規(guī)則的能量管理策略主要分恒溫器式能量管理策略和功率跟隨能量管理策略[4]。該策略的可靠性高，但需要匹配標定各項規(guī)則中的參數(shù)及插值表，因此對開發(fā)標定人員經(jīng)驗要求高。

周鵬[5]等人是通過車輛測試工程師實際試驗得到的控制策略，其規(guī)則是將混合動力汽車的動力源分為一定比例供驅(qū)動車輛負載使用，同時使發(fā)動機工作于效率最高區(qū)域。控制規(guī)則由車輛運行參數(shù)決定，在提高了混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性的同時也滿足驅(qū)動車輛功率分配。馬東兵[6]則通過設置車速、動力電池SOC的上下限、發(fā)動機工作轉(zhuǎn)矩等一組門限參數(shù)，來限定發(fā)動機和電機在較高效率區(qū)間工作，并根據(jù)車輛實時參數(shù)及路況實際情況調(diào)整動力系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，同時根據(jù)部件的穩(wěn)態(tài)效率Map圖來確定如何進行發(fā)動機和電機之間的動力分配，以提高整車的動力性、經(jīng)濟性和排放性。沈登峰[7]通過基于規(guī)則的控制策略與整車模型聯(lián)合仿真建立了SOC與當量燃油消耗量之間的油電轉(zhuǎn)化關系，然后基于龐特里亞金最小值原理（Pontryagins Minimum Princeple， PMP）得到等效瞬時燃油消耗量的目標函數(shù)為某復合功率分流混合動力汽車制定了能量管理策略，并使用NEDC工況對該策略進行仿真驗證，結(jié)果表明，采用該控制策略使得實車當量油耗下降了12.31%。

確定性規(guī)則主要思想是以發(fā)動機工作在高效區(qū)間為控制目標，保證電池荷電狀態(tài) SOC 運行在一定的值范圍內(nèi)為核心[7]，雖然邏輯門限值對經(jīng)驗的依賴性較高，但是規(guī)則設計較簡單，工程實用性較強，所以基于確定性規(guī)則的應用較為廣泛，但是由于該規(guī)則對于多變的實際路況以及復雜的混合動力系統(tǒng)的適應性較差，所以在使用該規(guī)則進行能量管理策略設計時很難達到最優(yōu)的控制效果。為了增強規(guī)則性能量管理策略對實際路況及系統(tǒng)復雜度的適應性，許多學者通過引入模糊控制理論，提出了基于模糊規(guī)則的能量管理策略。

2.2 基于模糊規(guī)則的能量管理策略

模糊規(guī)則控制相比于確定性規(guī)則最大的不同之處在于，基于模糊規(guī)則控制策略無需精確的數(shù)學標準模型即可完成對混合動力系統(tǒng)的控制。基于模糊規(guī)則控制策略主要分為傳統(tǒng)模糊控制策略，自適應模糊管理策略以及預測模糊管理策略。從理論方法層面而言，模糊邏輯控制采用由模糊數(shù)學語言描述的控制規(guī)則來操控系統(tǒng)工作。模糊化思想可以將復雜的問題簡單化，適用于解決被控系統(tǒng)復雜，擁有多個控制和優(yōu)化目標的控制問題。在這里的模糊規(guī)則概念來源于模糊控制器，相當于人們在表述某件事情的時候，往往只給出一個模糊性的說法。因此模糊規(guī)則能量管理策略更加適用于多變量、非線性、時變性的混合動力系統(tǒng)，具有較強的穩(wěn)定性和魯棒性[2]。

張夢[8]等人選用負載所需功率和蓄電池 SOC為輸入、功率分配系數(shù)為輸出，設計了一個雙輸入、單輸出的模糊邏輯控制器，提出了適用于燃料電池/蓄電池（FC+B）混合動力汽車的模糊邏輯控制策略，在提高混合動力汽車的燃料經(jīng)濟性并增加續(xù)航里程的基礎上，有效的避免了蓄電池的過充電和過放電。王騫等人以燃料電池汽車結(jié)合動力電池模組的方式，提出了基于微小變量模糊邏輯控制的燃料電池補償動力電池放電的能量管理控制策略模型。此模糊邏輯控制策略中，若動力電池SOC處于中高狀態(tài)，則整車以電－電混合模式運行，在此模式下由燃料電池和動力電池合理分配功率輸出能量，保證汽車行駛的經(jīng)濟性;若動力電池的SOC下降至低荷電狀態(tài)區(qū)間，則根據(jù)整車需求能量的大小和工況確定模糊邏輯控制規(guī)則庫，對燃料電池輸出功率進行控制，以適當微小比例的整車需求功率對動力電池充電[9]。袁臣虎[10]等人提出一種基于雙模糊邏輯控制器的能量管理策略。該策略的第一個模糊控制器基于鋰電池端電壓和鋰電池荷電狀態(tài)對電池的電量進行綜合衡量，提高估算鋰電池電量狀態(tài)的準確度；第二個模糊控制器以負載功率、光伏功率、超級電容SOC和鋰電池SOC的變化情況作為輸入，根據(jù)模糊規(guī)則輸出鋰電池功率分配系數(shù)，進行差額功率分配。

模糊邏輯控制的魯棒性強，不需要過程精確的數(shù)學模型，但信息簡單的模糊處理會導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差。模糊控制在系統(tǒng)出現(xiàn)信號噪聲和部件動態(tài)變化時具有較強的魯棒性和自適應能力。制定模糊規(guī)則，隸屬度函數(shù)等也都是基于專家經(jīng)驗，也可以結(jié)合其他算法進行自適應調(diào)節(jié)，但是相應的會導致計算時間長和計算復雜、實時性較差。

3 結(jié)語

隨著動力汽車的技術的發(fā)展，混合動力的能量管理策略是一個多變量、非線性、時變性的復雜優(yōu)化問題，通過制定基于規(guī)則性的能量管理策略能夠很好的解決這一問題。但已有規(guī)則性的控制策略已經(jīng)難以保證系統(tǒng)效率最優(yōu)。但隨著計算機技術的更新，基于規(guī)則性的能源管理策略得到了改進，并且取得了不錯的效果，但是由于規(guī)則性的能源管理策略依賴于現(xiàn)有研究學者的工程經(jīng)驗，相關的規(guī)則性相對不太完善，難以保證能源管理策略達到最優(yōu)。除了收集更多的工況和積累更多的經(jīng)驗之外，將基于規(guī)則性能源管理策略和一些計算機優(yōu)化方法的結(jié)合是規(guī)則性能源管理策略發(fā)展的熱點，越來越多的學者就將機器學習以及強化學習同規(guī)則性能量管理策略相結(jié)合提出了新的能量管理策略，取得了更好的燃油經(jīng)濟性。另外還可以通過分析以往的工作經(jīng)驗和收集以往的數(shù)據(jù)，進行整理和清洗作為一個新的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，然后用于基于規(guī)則性能量策略將有利于規(guī)則的設計，有益于基于規(guī)則性能量策略的發(fā)展。

綜上所訴，目前的混合動力汽車所采用的能量管理策略都或多或少的存在一定的問題。但是隨著計算機性能的不斷提高以及物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，在日后對能量管理策略的研究開發(fā)中也可以考慮將多種算法進行結(jié)合進行取長補短提出新的能量管理策略，或者開發(fā)一套實時后臺系統(tǒng)對能量管理策略進行云計算并實時反饋至實車，來提高車輛的優(yōu)化效果。

項目編號：黔科合平臺-JXCX[2021]001。

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