混合動力電動汽車能量管理策略研究

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摘要:能量管理策略是混聯(lián)式混合動力電動汽車的重要研究與設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。文章介紹了混合動力控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和控制原理，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了整車能量管理策略；根據(jù)整車性能要求設(shè)計(jì)了電驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，基于Matlab/Simulink軟件平臺建立了仿真模型，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于模糊邏輯的能量管理策略實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果，提升了整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞:混聯(lián)式混合動力電動汽車；能量管理策略；模糊邏輯；仿真

混合動力電動汽車是目前國內(nèi)外市場上最常見的一種新能源汽車類型[1]。與其他類型的新能源汽車比較，混合動力電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)比較成熟、經(jīng)濟(jì)性較好。但是，由于混合動力電動汽車同時(shí)配備發(fā)動機(jī)和電力驅(qū)動系統(tǒng)，整車結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制技術(shù)要求較高。能量管理系統(tǒng)是新能源汽車整車控制的核心部分，能量管理策略是混合動力電動汽車研究的關(guān)鍵問題[2]。由于能量管理系統(tǒng)研發(fā)成本較高，為提高可靠性并降低研發(fā)成本，研究人員多利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，調(diào)整模型參數(shù)計(jì)算各種條件下的仿真結(jié)果，以獲得最優(yōu)的設(shè)置參數(shù)。目前，國內(nèi)研究人員較多利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行新能源汽車相關(guān)仿真研究。例如，黎永鍵等利用Matlab軟件開發(fā)了純電動汽車整車控制器仿真平臺，并應(yīng)用于控制策略的優(yōu)化和測試[3]。周振響利用Simulink軟件進(jìn)行混合動力電動汽車建模仿真測試，通過仿真試驗(yàn)研究電驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)特性[4]。本文研究混聯(lián)式混合動力電動汽車能量控制策略，構(gòu)建能量管理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)并推算各子系統(tǒng)參數(shù)，基于Matlab/Simulink平臺設(shè)計(jì)仿真軟件并進(jìn)行試驗(yàn)。

1混合動力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，混合動力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[5]。其中，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用實(shí)例包括普銳斯、凱美瑞等混合動力電動汽車車型。本文以豐田混合動力系統(tǒng)THS（ToyotaHybridSystem）為參照，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)組成包括：發(fā)動機(jī)及控制器、動力蓄電池組及電源管理器、驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)控制器、整車控制器、傳感器信號、傳動系統(tǒng)等[6]。THS系統(tǒng)主要部件作用介紹如下：MG1（發(fā)電機(jī)）和MG2（電動機(jī)）均為永磁電機(jī)，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可用于與電流相匹配的所有用途，而轉(zhuǎn)速由交流電的頻率控制。變頻器將HV蓄電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電來驅(qū)動MG1和MG2。電機(jī)控制器、發(fā)動機(jī)控制器、電源系統(tǒng)等電控單元由整車控制器控制。此外，變頻器將用于電流控制的信息傳輸?shù)秸嚳刂破鳌?/p>

1.2混合動力系統(tǒng)控制原理分析

混聯(lián)式混合動力電動汽車控制系統(tǒng)整體框架如圖2所示。整車控制器接收加速踏板傳感器和換擋桿位置傳感器信號，以判斷駕駛員的駕駛意圖，計(jì)算判斷整車工況并確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，發(fā)送指令至發(fā)動機(jī)控制器和電機(jī)控制器，分別控制發(fā)動機(jī)、電動機(jī)工作；發(fā)動機(jī)和電動機(jī)為混聯(lián)關(guān)系，可獨(dú)立工作，其輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)過轉(zhuǎn)矩耦合器，通過傳動機(jī)構(gòu)輸送至驅(qū)動橋；發(fā)電機(jī)由發(fā)動機(jī)帶動工作，產(chǎn)生電能并為動力電池組充電[7]。

1.3控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.3.1發(fā)動機(jī)模型。THS系統(tǒng)同時(shí)配備發(fā)動機(jī)和電機(jī)作為動力源。其中，發(fā)動機(jī)為阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)類型。簡化阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)，可列出以下數(shù)學(xué)模型：在某種工況下，以發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出力矩與目標(biāo)力矩的差值為狀態(tài)輸入量，整車控制器調(diào)整電子節(jié)氣門開度位置，保證目標(biāo)轉(zhuǎn)速在規(guī)定范圍內(nèi)?；谏鲜龇治?，發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型方程式如下式：1000ηt,e(Mgfr+12ρa(bǔ)CDAfV2+Mgi)（1）式中：Pe為發(fā)動機(jī)有效功率；M為整車質(zhì)量；fr為滾動阻力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；Af為迎風(fēng)的正面面積；CD為空氣阻力系數(shù)；r為驅(qū)動輪半徑；ηt，ß為電機(jī)至驅(qū)動輪傳動效率。1.3.2電機(jī)系統(tǒng)模型。THS系統(tǒng)配備電機(jī)為永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)可簡化為轉(zhuǎn)子和定子兩部分，定子線圈通三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，定子磁場與永磁體的轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生電磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)輸出。根據(jù)文獻(xiàn)，可利用Park坐標(biāo)變換法列出永磁同步電機(jī)（d-q軸）的等效動態(tài)電路方程式如下：式中：id和iq為d軸和q軸定子電流；Rs為定子電阻；ωe為電角速度；ϕf為永磁體磁鏈；Ld、Lq分別為d、q軸電感分量。電磁轉(zhuǎn)矩Te可由式（4）計(jì)算：1.3.3行星齒輪機(jī)構(gòu)模型。行星齒輪機(jī)構(gòu)用于電動機(jī)和發(fā)動機(jī)動力耦合，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)正常工作，以保證動力電池組具有持續(xù)電能。行星齒輪機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。設(shè)太陽輪轉(zhuǎn)速為ns，齒圈轉(zhuǎn)速為nr，行星架轉(zhuǎn)速為ny，由文獻(xiàn)[12]可知以上關(guān)聯(lián)式為按照以下方法設(shè)計(jì)行星齒輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)：發(fā)電機(jī)連接到太陽輪，驅(qū)動輪連接到齒圈，發(fā)動機(jī)連接到行星架。令kys=1+ig，有以下關(guān)系式成立：

2能量管理策略優(yōu)化與設(shè)計(jì)

2.1能量管理策略優(yōu)化方法

文獻(xiàn)[8]相關(guān)研究表明，電動汽車能量管理策略主要有基于規(guī)則的能量管理策略、基于成本函數(shù)的能量管理策略等。上述能量管理策略主要缺點(diǎn)是沒有將循環(huán)駕駛、駕駛員駕駛風(fēng)格等作為考慮因素，導(dǎo)致無法保證較長的工作時(shí)段最優(yōu)性能。由于混合動力系統(tǒng)的復(fù)雜性，基于準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有局限性。相關(guān)研究工作證明，采用模糊集合的模型控制理論設(shè)計(jì)電動汽車能量管理策略是可行的。因此，本文引入了一種將循環(huán)模式和模糊邏輯相結(jié)合的能量管理策略：根據(jù)汽車當(dāng)前車速、需求轉(zhuǎn)矩、電池剩余電量、工作環(huán)境等因素，運(yùn)用模糊邏輯對發(fā)動機(jī)和電動機(jī)進(jìn)行最優(yōu)功率分配，如圖4所示。

2.2基于模糊邏輯的能量管理策略

2.2.1制定模糊邏輯規(guī)則?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)的控制邏輯示意如圖5所示。電池荷電狀態(tài)（StateOfCharge）記為SOC，其最小值為SOCmin、最大值為SOCmax；車速記為V，其最小值為Vmin、最大值為Vmax；加速度記為a，其最大值為amax、最小值為amin。根據(jù)車速、加速度和荷電狀態(tài)同時(shí)決定控制策略，各種工況下控制策略如下：1）低速區(qū)域（車速V<Vmin）。當(dāng)SOC<SOCmin，動力電池組不輸出電能，控制器指令發(fā)動機(jī)以經(jīng)濟(jì)模式運(yùn)行，并通過驅(qū)動發(fā)電機(jī)向電池組充電；當(dāng)SOCmin<SOC<SOCmax，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同產(chǎn)生車輛運(yùn)行所需力矩；當(dāng)SOC>SOCmax，發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入電動機(jī)單機(jī)驅(qū)動模式，即由電動機(jī)提供車輛運(yùn)行所需的力矩。2）中等速度區(qū)域（Vmin<V<Vmax）。當(dāng)SOCmin<SOC<SOCmax，行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪被固定在車梁上，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)按照并聯(lián)方式運(yùn)行，同時(shí)輸出功率并通過耦合器傳遞到車輪以驅(qū)動汽車。3）加速和全負(fù)荷工作區(qū)域（V=Vmax，a=amax）。當(dāng)SOC>>SOCmin，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同輸出功率，向驅(qū)動輪傳遞功率，此時(shí)無需向動力電池組充電；當(dāng)SOC<<SOCmin，發(fā)動機(jī)單獨(dú)工作，其產(chǎn)生的力矩主要用于驅(qū)動汽車，由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能并向動力電池組充電。4）制動工況。當(dāng)制動所需功率超過電動機(jī)所能提供最大制動能量時(shí)，且SOC>SOCmax，電動機(jī)提供最大制動能量，剩余部分由機(jī)械制動提供；當(dāng)SOC<SOCmax，兩種方式聯(lián)合制動，共同起作用；當(dāng)SOC<SOCmin，只有機(jī)械制動起作用，制動時(shí)產(chǎn)生的熱能經(jīng)過轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為電能，并以化學(xué)能的形式存儲在動力電池組中。2.2.2建立模糊邏輯規(guī)則表。參考文獻(xiàn)[9]的研究內(nèi)容，利用圖表法建立模糊邏輯規(guī)則如表1所示。

2.3混合動力控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

參照凱美瑞混合動力電動汽車車型的相關(guān)參數(shù)，本文設(shè)定汽車基本參數(shù)如下：m=1750kg，SA=2.85m2，CD=0.3，R=0.25m，fr=0.03。2.3.1發(fā)動機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)圖6a描述了在平坦路面和5%坡度路面上，1500kg車輛的載荷功率與車速的關(guān)系以及電動機(jī)輸出特性。由圖可知：在平坦路面上，對應(yīng)于160km/h的車速，需要43kW的功率；在5%坡度路面上，配置四檔和三檔變速器的車輛將分別達(dá)到103km/h和110km/h的最高車速。傳動系統(tǒng)主傳動比為1.3，減速比為3.2。2.3.2電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)圖6b描述了在水平良好路面上以及坡度小于5%的路面，車輛由0km/h速度至100km/h的加速時(shí)間與電機(jī)輸出功率的對應(yīng)關(guān)系。由圖中曲線可知，要求汽車百公里加速時(shí)間為12s時(shí)，對應(yīng)的電動機(jī)功率為75kW左右，該功率可以保證該車可以以60km/h車速在平坦路面和5%坡度的路面定速巡航。因此，本文選擇電動機(jī)額定功率為55kW、最大功率為75kW。2.3.3動力蓄電池參數(shù)設(shè)計(jì)由規(guī)定的加速性能所確定的電動機(jī)最大功率和由恒速確定的動力電池組額定功率，可由式（7）計(jì)算[15]：式中：Pbat、Pmotor分別代表蓄電池、電動機(jī)功率；ηmotor表示電動機(jī)效率。在本設(shè)計(jì)中，動力蓄電池的額定功率約為85kW。在行駛循環(huán)中，動力蓄電池的容量計(jì)算如下：式中：CE為蓄電池總能量容量；Cp為允許使用的總能量百分?jǐn)?shù)。

3仿真試驗(yàn)與分析

根據(jù)汽車行駛工況，選擇美國環(huán)境保護(hù)署EPA制訂的城市道路循環(huán)UDDS（UrbanDynamom⁃eterDrivingSchedule）作為試驗(yàn)循環(huán)工況。通過仿真試驗(yàn)得到燃油消耗率曲線、荷電狀態(tài)SOC特性線、車速變化曲線以及電機(jī)輸出力矩特性線，如圖7所示；UDDS工況下燃油消耗量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果分析如下：1）從圖7a以及表2可知，發(fā)動機(jī)燃油消耗率在41.86~230.23g/kWh區(qū)間變化，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min時(shí)，其燃油消耗率達(dá)到最大值，范圍滿足UDDS工況燃油經(jīng)濟(jì)性的要求。2）從圖7b可知，動力電池荷電狀態(tài)SOC初始值為40.3%，在啟動、低速工況下動力電池提供的電能轉(zhuǎn)化為整車動能驅(qū)動車輛，因此下降明顯；在中等負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)開始提供動能，同時(shí)向動力電池充電，因此SOC迅速上升，以保證SOC值處于穩(wěn)定狀態(tài)。荷電狀態(tài)SOC值的控制策略使發(fā)動機(jī)和動力電池能量消耗處于最優(yōu)水平，以減少車輛在啟動、怠速、低速等工況下能量損耗。3）由圖7c、圖7d可以看出，車輛速度變化范圍為0~90km/s，輸出力矩最大值200Nm。從中可以看出，電機(jī)輸出力矩實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值有高度一致性，魯棒性較強(qiáng)、超調(diào)量較小，較好地解決了傳統(tǒng)控制器存在的轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動較大、逆變器開關(guān)頻率不恒定的問題。

4結(jié)論

1）仿真試驗(yàn)結(jié)果證明：本文設(shè)計(jì)的混合動力電動汽車能量管理模型有較好的動態(tài)響應(yīng)特性、外干擾的魯棒性較強(qiáng)、超調(diào)量較小，因此該模型可用于混合動力電動汽車控制系統(tǒng)的研發(fā)。2）基于模糊控制策略的能量管理算法能解決傳統(tǒng)控制方法存在的轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動較大、逆變器開關(guān)頻率不恒定的問題。

作者:黎永鍵 邱秀麗 陳述官 單位:廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院