混合动力电动汽车实时控制策略

第3期(总第111期) 2003年8月

现代车用动力

MODERN V EHICL E POWER

No.3(serial No.111)

Aug.2003

混合动力电动汽车实时控制策略Ξ

白凤良　杨建国

(武汉理工大学能源与动力工程学院,湖北武汉)

摘要　合理有效的能量管理策略是混合动力电动汽车(HEV)取得最佳燃油经济性、降低排放和保持良好动力性的关键。本文对混合动力电动汽车能量管理策略的分类、现状和发展趋势进行了介绍,并详细分析了基于全局优化理论的实时能量管理策略原理。实时控制策略模型将电机输出功率转化为等效的燃油消耗量,以车辆的动力性为限制条件,以燃油经济性和排放最小化为目标建立目标函数模型,为发动机和电动机工作点的决策提供合理的目标函数。实时控制根据行驶路况实时调整发动机和电动机的工作方式,实现了实时全局优化。

关键词　能量管理　实时优化控制　混和动力电动汽车

1　引　言

混合动力电动汽车能量管理系统主要功能是监测车辆能量状态、控制能量的流动、优化能量利用率,从而提高车辆的动力性、经济性和安全性。能量管理系统监控车辆能量的释放和存储过程,进行能量优先级分配和满足各种性能要求的能量最小化控制。涉及的车辆系统有驱动系统,动力辅助系统,仪表系统和常用的低压电气系统[1]。

混合动力电动汽车应根据车辆布置方式的不同而具体制定相应的能量管理策略[2]。目前不同结构布置的混合动力电动汽车能量控制策略主要有:串联车辆的热机控制、串联车辆的功率控制和并联车辆的辅助动力源控制。其中热机控制根据电池的SOC(充电状态)操纵发动机,通过对发动机和电机运行状态的控制保证车辆所需的电能并维持发动机在燃油经济区运行。功率控制根据车辆的功率需求、电池的SOC以及电机和发动机的运行状态决定发动机的工作扭矩和转速,并利用发动机本身最大最小扭矩的限制限定发动机的工作范围,这些控制决策的目标为:最小化燃油使用,降低排放和延长电池组的使用寿命[3]。在功率控制中,当车辆的功率需求增大到一定程度,不管蓄电池SOC如何,发动机都应该投入工作状态。辅助动力源控制将电机作为车辆系统的辅助动力进行控制。传统的辅助动力源控制中电机的工作方式有以下几种:在车辆低速行驶时,关闭发动机,由电动机驱动车辆;在车辆高加速时,由发动机和电动机同时驱动车辆;在车辆减速时,将车辆的惯性力转变成发电机的驱动力,向蓄电池充电;当电池SOC较低时,发动机提供扭矩驱动发电机工作向蓄电池充电;一定转速下,发动机满足需求的扭矩输出时,如果工作在非燃油经济区,则关闭发动机由电机提供所需的扭矩。

目前控制策略,尤其是运行模式较复杂的并联型混合动力车辆的控制策略还不成熟。以辅助动力源控制为基础出现了实时控制、模糊控制、丰田prius和本田insight车辆所采用的控制策略。丰田prius和本田insight所采用的控制策略重点在制定起步、加速、滑行、制动和纯电动等工作模式时,这两种策略并没有实现实时优化,因为发动机和电动机共同驱动时,丰田prius和本田insight 的控制策略或是具体规定电机提供的扭矩大小或是使电机与发动机扭矩成一定的比例关系变化。而实时和模糊控制实现了实时优化,它们的主要控制思想是根据目前的行使条件和路况要求来调整部件工作方式,使得发动机和电动机工作在合理的扭矩组合点,保证了衡量行驶费用目标函数的最优化[4]。在建立目标函数模型方面法国学者建立了以电机转矩和变速器挡位为优先变量,以给定循环工况下发动机油耗最小为目标的优化计算模型。德国学者以驾驶循环工况中发动机油

Ξ收稿日期:2003-05-20

耗最小为目标函数,建立了包括CV T(无级变速)和电机效率在内的优化计算模型。韩国KIA公司将电池输出功率转化为等效的燃油量,提出以燃油经济性为目标的优化模型。这些模型为车辆性能的优化提供了合理的目标函数,但没有系统地反映车辆整体性能。

本文拟制定混合动力电动汽车实时控制策略。实时控制策略综合考虑车辆的燃油经济性、动力性和排放三方面评价指标,以动力性为限制条件,建立了燃油消耗最小和排放最低为优化目标的目标函数模型。车辆运行过程中,实时控制策略实时计算目标函数值,选取发动机和电机的工作点,以满足目标函数具有最小值。

2　实时控制策略的制定

实时控制策略将电机的能耗转化为发动机的等效燃油消耗,提出综合评价车辆性能的目标函数模型。策略的制定主要考虑了电机等效燃油消耗的计算、模型目标函数的建立以及目标函数各参量权值的选取。

2.1　电机等效能量消耗的计算

2.1.1　发动机燃油消耗与电机扭矩之间关系的确定

T req、T f c和T mc分别为传动系的需求扭矩、发动机扭矩和电动机扭矩,已知T f c=T req-T mc,于是可以根据发动机扭矩转速对应的发动机燃油消耗关系图,导出电机扭矩与发动机燃油消耗间的对应关系。发动机燃油消耗与电机提供扭矩关系如图1所示。

图1　电机扭矩与电机燃油消耗的关系2.1.2　电池SOC变化量与电机扭矩之间关系的确定

电机根据自己的转速和扭矩需求向车辆的能量管理器提出能量请求,由车辆的能量管理器控制蓄电池工作。采用查表的方法,根据功率要求和蓄电池本身的温度状态完成电池SOC变化与电机扭矩的关系的推理。

蓄电池组的阻抗和开路电压的计算

蓄电池根据功率要求、当前SOC值以及蓄电池温度,推导蓄电池组的阻抗和开路电压。这期间需要查询蓄电池开路电压与蓄电池SOC和温度对应关系表、蓄电池放电阻抗与蓄电池SOC和温度对应关系表以及蓄电池充电阻抗与蓄电池SOC和温度对应关系表。这三个表格具有统一的格式:横坐标为蓄电池温度,纵坐标为蓄电池SOC,而表格的数据值则为二者共同决定的蓄电池开路电压值、蓄电池放电阻抗值和蓄电池充电阻抗值。

实际可提供功率的计算

蓄电池能量限制单元根据功率需求、蓄电池SOC、开路电压以及内阻,计算蓄电池实际可提供的功率。蓄电池所能提供的最大功率受限于电机最小工作电压,蓄电池的最小工作电压以及蓄电池的开路电压及阻抗。

V=MAX(V oc,V mc,V ess);

P lim=M IN(P req,(V oc-V)V/(R-0.1)),式中:V mc为电机最小工作电压,V;V oc为蓄电池的开路电压,V;V ess为蓄电池的最小工作电压, V;R为蓄电池阻抗,Ω;P req为功率要求,kW;P lim 为实际可提供的功率,kW。

这部分功能单元除完成功率限制的功能外,还应根据电池SOC状态和功率需求值的正负完成电池充放电的操作:电池SOC小于最低极限值或者要求输出功率为负值时,蓄电池进行充电,输出功率为零,此外其它情况蓄电池进行放电。

蓄电池工作电流的计算

蓄电池工作电流计算:

I ess=(V oc-V2∝-4RP lim)/2R,

蓄电池最小充电电流:I min=(V oc-V max)/R;

V max为蓄电池最大工作电压,V;

蓄电池实际工作电流:

I=MAX(I min,I ess);(1)

8现代车用动力 2003年第3期　

车辆能量管理器电压:V power 2bus =V oc -IR 。

通过上述计算公式(1)

推导出了蓄电池工作电流。然后根据车辆能量管理器工作电压和电机的扭矩特性,进一步完成电机工作扭矩的计算。 电机扭矩与S OC 变化量之间关系的确定

通过查询蓄电池库仑效率与蓄电池温度关系表格以及最大容量与蓄电池温度关系表格,可得到蓄电池在一定温度下的库仑效率与蓄电池的最大容量。用随蓄电池温度变化的库仑效率调整蓄电池的工作电流。根据下面化学能与电能间的转化计算公式,可以计算各个时刻的S OC 值,因而某一时间步骤内的S OC 变化量(S OC 终值与S OC 初值之差)也就容易计算了。

蓄电池使用量的计算:Q use =∫

a

Ids ,

式中:Q use 为蓄电池使用量,Ah ;

a =(1-S OC current )?Q max 。S OC =(Q max -Q use )/Q max ,

(2)

式中:S OC current 为蓄电池当前S OC 值;Q max 为蓄电池最大容量,Ah 。

混合动力电动汽车可以将车辆的制动能量转化为电能存储到蓄电池中,这部分能量称为自由能量,获得这部分能量并不需要消耗燃油。所以推导的电机扭矩与电池S OC 变化量关系曲线应沿着(S OC 变化量)轴正方向平移,平移的大小为自由能量所引起S OC 变化量。实际得到的电机扭矩与电池S OC 变化量关系曲线如图2所示。

图2　电机扭矩与S OC 变化量的关系

2.1.3　S OC 变化量与燃油消耗之间关系的确定

已经推导出两对参量间的对应关系:发动机

燃油消耗与电机提供的扭矩的关系和电池S OC 变化量与电机扭矩的关系。根据这两对相互对应

的关系可以推导S OC 变化量与燃油消耗的关系,如图3所示。至此也可以计算总的燃油消耗了(总的燃油消耗包括发动机的燃油消耗和电机等效燃油消耗),电机扭矩与总燃油消耗关系如图4所示。

图3　SOC 变化量与电池充电燃油消耗关系

图4　电机扭矩与总燃油消耗的关系

2.2　实时控制目标函数的建立

以上讨论了电机等效燃油消耗的转化,接下

来对实时控制目标函数的优化进行详细介绍。目标函数为:

J =W 1(U FC +U M C )+W 2?N O X +

W 3?CO +W 4?HC +W 5?PM 根据美国“新一代汽车合作伙伴计划”的目

标,车辆的动力性限制条件确定为:车速88.5km/h 时的爬坡性为6.5%;0～96.5km/h 加速用时小于12s ;64.4km/h ～96.5km/h 加速用时小于5.3s ;0～136.8km/h 加速用时小于23.4s 。具体计算根据车辆的行驶方程式(2)展开。车辆行驶方程式:

F t =F f +F i +F w +F j ,其中:F t =Ti g i 0ηT /r ;F f =Gf ;F i =Gi ;F w =

12

C D A ρu 2

;F j =δm a 。

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　2003年第3期 白凤良等:混合动力电动汽车实时控制策略

式中:F t为车轮牵引力,N;T为动力源扭矩,N?m;i g为变速器传动比;i0为主减速器传动比;ηT 为传动系机械效率;r为车轮半径,m;F f为滚动阻力,N;G为车重,N;f为滚动阻力系数;i为道路坡度;F w为空气阻力,N;C D为空气阻力系数;ρ为空气密度,kg/m3;A为迎风面积,m2;u

a

为汽车行驶速度,km/h;F j为加速阻力,N;δ为汽车旋转质量换算系数;m为汽车质量,kg;a为行使加速度,m/s2。

上述计算过程以查表法为主,结合部件特性的理论公式展开。实时控制策略的目标函数以一定的动力性目标为限制条件,综合考虑了车辆的燃油经济性(U FC+U M C为燃油消耗)和排放(4种主要排放物:NO X、CO、HC和PM)。目标函数中W i(i=1～5)为各目标参量的权值。实现目标函数的最小化之前,要实现各参量间的可比性,即完成各参量的单位化,将其转化为0～1之间的数值。单位化公式为:

参量的量值(0～1之间)=(参量当前值-参量最小值)/(参量最大值-参量最小值)

2.3　实时控制目标函数各参量权值的选取

权值的改变,实现了能量管理策略的灵活性。可以通过调整权值决定燃油经济性以及各排放指标的相对重要性,从而实现车辆的三种工作模式:燃油经济模式、低排放模式和良好动力模式。通过调整各参量在整个目标函数中的权值,不但可以调整各参量在目标函数中相对重要性,甚至可以决定是否忽略考虑某个参量的影响。定义两种类型的权值K user和K target。K user是使用者加权,通过这个权值可以控制是否忽略某个参量的影响和某个参量在整体目标函数中的相对重要性。K target为期望目标值加权,一般来说各部分参量目标权值是相对此参量在现行法规中规定的期望值来说的。K target=参量的最大值/参量在法规中期望值。

至此已经完成了实时控制策略目标函数模型的推导。实时控制策略模型综合考虑车辆的燃油经济性、动力性和排放,建立了合理的目标函数模型,为车辆行驶过程中发动机和电机工作点的实时决策提供了合理的理论依据。决策过程中实时控制策略将电机的能量消耗转化为等效燃油消耗量,合理地考虑了车辆回收的制动能量,并在车辆行驶过程中以满足动力性要求为前提实时计算目标函数的最小值,确定发动机和电机的工作点。

3　结　论

控制策略不仅仅要实现整车最佳燃油经济性,同时还要考虑适应各种工况,兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求,并针对汽车各部件的特性进行综合控制。这是目前控制策略的发展方向,兼顾上述各方面要求的控制策略的研究,是今后的研究重点和难点。相对于传统的控制策略实时全局优化策略综合考虑车辆的燃油经济性、动力性和排放三方面指标,真正意义上实现了实时最优化,并且具有通过调整各个参量权值使控制模式多样化的优势。但实现实时控制策略的算法往往都比较复杂,计算量也很大,在实际车辆的实时控制中很难得到应用。通常的做法是把应用全局优化算法得到的控制策略作为参考,再与其它的控制策略,如热机控制等等相结合,在保证可靠性和实际可能性的前提下进行优化控制。

参　考　文　献

1程夕明.车辆电传动控制系统研究.博士论文.北京:北京理工大学,2001

2陈全世,杨宏亮,田光宇.混合动力电动汽车结构分析.汽车技术.2001(9)

3王军,申金升.国内外混合动力电动汽车开发动态及发展趋势.公路交通科技.2000(2)

4K enneth J.K elly,Matthew Z olot,G erard G linsky, Arthur Hieronymus.Test Results and Modeling of the Honda Insight using ADV ISOR.S ociety of Automotive Engineers,200120122537

5K eith Wipke,Matt Cuddy,David https://www.360docs.net/doc/2611817080.html,ing Systems Modeling to Facilitate the PN GV Technology Selection Process.National Renewable Energy Laboratory,October 28,1997

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