某混合动力商用车能量管理策略研究

陈子邮 陆宝琛 马晓楠 郑伟光,

(1、东风柳州汽车有限公司,广西 柳州545005 2、桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林541004)

随着能源短缺问题和环境污染问题的日益凸显,传统燃油商用车已经无法满足人们的各项需求,因此混合动力汽车得到快速的发展[1]。纯电动汽车受充电设备和动力电池容量的影响,难以满足驾驶员对长续航里程的要求[2]。油电混合动力汽车将传统燃油汽车和纯电动汽车优势结合起来,成为当下满足排放法规与提升经济性的一种可行方案。

行星排混合动力系统包含发动机、两个电机、行星排机构和离合器等机构,这些机构的工作状态会在车辆行驶工程中进行动态的变化,整车运行特性复杂,控制难度较大。能量控制策略作为混合动力汽车的研究核心,其研究对混合动力汽车的发展具有重要意义[3-4]。目前,常见的能量管理策略主要有两种：分别为基于规则的控制策略和基于优化的控制策略。基于规则的控制策略具有算法简单、易实现、鲁棒性好的优点,但往往无法达到最佳的燃油经济性[5];基于优化的控制策略能够根据系统的动态变化进行实时计算,实现最佳燃油经济性,但是算法复杂、计算量大、硬件要求较高等缺点限制了其应用[6]。

本文以某款行星排混合动力商用车为研究对象,根据行星排机构、发动机、动力电池和电机的特性,以提高发动机燃油经济性为目的,利用MLATLAB/simulink 软件搭建能量管理策略模型。该能量管理策略包括驾驶员扭矩需求模块、工作模式控制模块、动力电池SOC控制模块和扭矩分配模块。然后基于AVL Cruise 软件完成整车模型的搭建,并与搭建的能量管理策略模型进行联合仿真。仿真结果表明：所设计的能量管理策略能够较好的实现对整车的基本控制,驾驶员的需求扭矩估算较为准确,合理的规则使得行车模式的切换较为平顺,扭矩的分配较为合理,对混合动力汽车后续基于优化的能量管理策略的开发具有一定的指导意义。

1 行星排动力系统构型及参数

混合动力汽车的能量管理策略是基于对行星排动力系统的控制,故对行星排动力系统的结构原理进行分析。

行星排混合动力汽车的动力系统结构,如图1 所示,整车建模及动力系统关键参数,如表1 所示。该动力系统由发动机、电机1、电机2、动力电池和行星排机构组成。发动机与行星排PG1 的行星架连接,电机1 与行星排PG1 的太阳轮相连,电机2 与行星排PG2的太阳轮相连,行星排PG2 的行星架固定,两个行星排的外齿圈相连提供动力输出。其中行星排PG1 负责扭矩的分配,行星排PG2仅起到减速器的作用。行星排PG1 是该动力系统的动力耦合装置,通过行星排PG1 实现发动机转速与输出端转速的解耦,使得发动机工作在最优效率区间成为可能。

图1 行星排混合动力汽车结构图

表1 整车及动力系统关键参数

2 基于规则的能量管理策略

根据上述行星排动力系统,设计了发动机最优的控制策略。该策略能够根据驾驶员的操作准确评估驾驶员的需求扭矩,并根据当前的车辆信息控制行车模式的切换,最后通过扭矩分配模块将驾驶员的需求扭矩分配给发动机和两个电机,完成整车的驱动。

2.1 驾驶员需求扭矩的估算。通过驾驶员对加速踏板的操作以及当前的车速信息,合理准确的对驾驶员的需求扭矩进行估算是能量管理策略的基础[7]。

行星排混合动力汽车的驱动轮与行星排外齿圈之间是齿轮连接,每一车速v均对应唯一的齿圈转速ωr。每一齿圈转速ωr对应一电机2 转速ωMG2和若干组发动机与电机1 的转速组合[ωEng,ωMG1]。由发动机转速ωEng查表发动机的最优工作曲线得到当前转速下发动机的最大输出扭矩TEng_Max；由电机1 转速ωMG1查表电机1的外特性曲线得到当前转速下电机1 的最大输出扭矩TMG1_Max,由电机2 转速ωMG2查表电机的外特性曲线得到当前转速下电机2 的最大输出扭矩TMG2_Max。每一齿圈转速ωr下对应若干组电机1 最大输出扭矩组合与发动机最大扭矩[TMG1_Max,TEng_Max],根据行星排扭矩分配特性,行星排PG1 外齿圈的最大扭矩为：

行星排PG2 外齿圈的最大扭矩TR2_Max=TMG2_Max,所以外齿圈的最大输出扭矩TR_Max=TR1_Max+TR2_Max。根据公式(2)可以确定当前车速v所对应的行星排外齿圈转速：

式中v为当前车速(km/h),i 为主减减速比,r 为车轮半径(m)。

因此可以确定动力系统的输出外特性曲线如图2 所示。根据当前车速查表获得该车速下的最大扭矩,并将该转矩作为全负荷状态下的驾驶员需求扭矩。通过驾驶员对加速踏板的操作,获得加速踏板的开度信息,求得不同踏板开度下驾驶员的需求转矩,其公式为：

式中：ACC为加速踏板开度,Tmax(n)为转速n 的最大扭矩。

图2 动力系统的输出外特性曲线

2.2 行车模式控制。将车辆的行车模式分为纯电动模式、混动模式和高速模式,为确保发动机启停的顺畅性,增加了mode3(发动机启动请求模式)和mode4(发动机停机请求模式)。纯电动模式分纯电动模式1 和纯电动模式2,mode1(纯电动模式1),行星排PG1 的行星架锁死,MG1 提供扭矩,MG2 不提供扭矩；mode2 (纯电动模式2),行星排PG1 的行星架锁死,MG1 和MG2 提供扭矩。混动模式分混动模式1 和混动模式2,mode5(混动模式1),MG1 为发电机,MG2不提供扭矩,发动机提供全部驱动扭矩；mode6 (混动模式2),MG1为发电机,MG2 和发动机一起提供扭矩。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 的行太阳轮锁死,MG2不提供扭矩,发动机提供全部扭矩；mode8(高速模式2),行星排PG1的行太阳轮锁死,MG2 和发动机提供扭矩。

图3 行车模式的切换逻辑及判断条件

汽车在行驶过程中行车模式的切换逻辑及判断条件如图3 所示。图3 中,SOCmin为电池SOC下限值,vmin为发动机开启的最小车速,nstr为发电机开启的最小转速,nstp为发动机停机的转速,Th为混动模式下发动机所能提供的最大扭矩,vh为车辆启动高速模式的车速,Td为高速模式下发动机所能提供的最大扭矩。根据电机响应快、在低速时也有较高效率的优点,发动机在中高转速下才能具有较高经济性的特点。模式切换条件遵循在低速下优先纯电动模式,中高速优先混动模式的原则。

2.3 动力电池控制。动力电池SOC 的控制是整个能量控制策略的关键,控制SOC在一个合理的范围能够有利于整车的动力性和燃油经济性的提高,通过SOC的平衡控制确定发动机的目标转速请求和目标扭矩请求。电池功率的控制主要依据电池SOC值的大小,电池SOC值较小时,电池的功率为负值发动机提高功率驱动车辆行驶的同时为电池充电；电池SOC较大时,电池的功率为正值电功率通过电机转化为机械功率与发动机一起驱动车辆行驶。

动力电池SOC 与电池功率对应关系采用查表方式,电池功率的最大值根据电机功率最大值设置,如图4 所示。

图4 动力电池SOC 与电池功率对应关系

2.4 扭矩分配控制。发动机的扭矩主要依据动力电池SOC 值的大小,电机MG1 的扭矩采用PID 控制,其主要目的是维持发动机转速,电机MG2 的扭矩控制主要根据需求扭矩进行控制。

3 整车建模及仿真分析

3.1 整车建模。在AVL Cruise 软件里面将整车模型搭建出来与基于规则的能量管理策略进行联合仿真,整车结构模型如图5所示。

3.2 仿真分析。在搭建好的整车模型上完成仿真分析,仿真采用NEDC 循环工况,模式控制如图6 所示,扭矩分配如图7 所示,仿真结果表明所设计的能量管理策略能够较好的实现对整车的基本控制,合理的进行模式的切换,扭矩分配也较为合理。

图5 整车结构模型

图6 模式控制

图7 扭矩分配

4 结论

针对行星排混合动力汽车所设计的能量管理策略主要包括驾驶员需求扭矩估算模块、行车模式控制模块、动力电池控制模块和扭矩分配控制模块。通过设置合理阈值规则使发动机工作在最优工作曲线,动力电池工作在充放电的高效区。所设计的能量管理策略能够较好的实现对整车的基本控制,合理的进行模式的切换,扭矩分配较为合理,为后续采用优化方法设计能量管理策略具有一定指导意义。