插电式混合动力客车能量管理最优控制实验研究

岳兴莲, 张红党,2, 刘勺华,2

(1. 常州机电职业技术学院 车辆工程学院, 江苏 常州 213164； 2. 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

在新能源汽车发展中,插电式混合动力客车(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)具有动力电池容量大、有便捷的外部充电插口而备受欢迎。现已被广泛接受的混合动力客车(hybrid electric vehicle,HEV)主流构型有串联构型、同轴并联构型、双轴并联构型、同轴混联构型以及基于行星齿轮系功率分流构型等[1]。混合动力汽车系统结构可分为串联、并联以及混联3种。串联式混合动力客车发动机和发电机相结合,产生的能量直接驱动牵引电动机或给动力电池充电；并联式混合动力客车动力系统中发动机和牵引电动机可以同时驱动,在车辆处于制动状态时,电动机充当发电机的角色给动力电池充电；混联式混合动力客车动力系统有串联、并联两条不同的路径来给动力电池充电。

但不论何种构型,都是为了实现发动机与电机工作效率的综合优化,从而提高整车的经济性和排放性能[2]。在插电式混合动力客车动力系统中,电动机不仅为车轮提供扭矩,也是捕获整车再生制动能量、给动力电池充电的重要部件。因此,采用适当的能量管理策略,能够实现插电式混合动力客车最优能量分配,减缓动力电池容量衰减,提高续驶里程。

目前主流的能量管理策略有基于规则式的能量管理策略[3]、动态规划能量管理策略[4]、庞德里亚金极小值原理的全局优化策略[5]、模糊控制优化策略[6]等。本文提出工况识别的动态规划算法优化能量管理策略,并在气-电混合动力客车实车上验证了能量管理策略的有效性。

1 插电式混合动力客车动力系统

无论插电式混合动力客车动力系统采用何种构型,其主要组成部件均包括发动机、动力电池、ISG电机、逆变器、辅助功率器件(水泵、油泵、气泵、助力电机等)、变速器,这些功率部件通过机械连接和电气连接构成了整车动力系统。

1.1 PHEV动力系统架构

本文的研究对象是插电式混合动力客车,采用同轴并联式结构,采用CAN总线方式进行通信。同轴并联式结构可以实现发动机与电机两种动力驱动装置的结合与分离,提高能量的利用率。同轴并联式结构的动力系统由镍氢动力电池、发动机、逆变器、变速箱、ISG电机以及各自动力部件的控制单元(electric control unit,ECU)构成,发动机与低速大扭矩永磁同步电机同轴布置,在离合器后端耦合,如图1所示。

图1 同轴并联结构PHEV动力系统

由图1可以看出,发动机系统与电机驱动系统根据整车控制器指令实现驱动能量的自由切换,灵活应对各种行驶工况,尤其是在车辆需频繁起停的城市路况中,避免了大电流脉冲对动力电池的冲击。试验样车整车参数见表1。

表1 整车技术参数

表1(续)

1.2 PHEV动力系统工况模式

同轴并联结构式PHEV动力系统具有4种典型的工况模式,分别是发动机与电机并联驱动模式、纯电动模式、发动机单独驱动模式和再生制动模式,如图2所示。

(1) 发动机与电机并联驱动模式。该工况模式适用于车辆爬坡、加速等行驶工况,为整车提供足够的动力。此时,发动机处于运转状态,离合器闭合,将扭矩输入变速箱；动力电池组释放电能,经逆变器将直流电转换为交流电,给动力电机供电,动力电机也将扭矩输入变速箱驱动电机。发动机和电机共同将动力输入变速箱、后桥,从而驱动车辆加速行驶。

(2) 纯电动模式。该工况模式适用于车辆起步时。由电机单独将动力输入变速箱、驱动桥,车辆起步。此时离合器处于分离状态,由动力电池组给驱动电机供给动力。

(3) 发动机单独驱动模式。该工况模式适用于车辆一般行驶工况。发动机处于中低速运转,离合器闭合,将扭矩输入电机、变速箱、驱动桥,从而驱动车辆行驶。电机转换为发电机工作状态,所发出的交流电经逆变器转换为直流电,给动力电池组充电。

(4) 再生制动工况模式。该工况模式适用在车辆制动、减速驻车时。当驾驶员踩制动踏板时,驱动桥传来的惯性扭矩,回收制动能量并经变速箱带动电机运转。此时,电机转换为发电机工作状态,所发出的交流电经逆变器转换为直流电,对动力电池组进行充电,节约能源且减少了刹车片的磨损。

2 插电式混合动力客车能量管理

混合动力汽车与传统燃油汽车的本质区别在于其不再由单独的一套发动机系统来驱动,电机起到另一驱动源和发电机的双重角色。插电式混合动力汽车的驱动能量形式和来源多样化,电驱动系统的工作效率和高效区间均优于内燃机系统[7]。由于发动机与电动机工作效率、频率响应特性、转矩特性等固有特性的差异性,导致能量管理策略对PHEV的整车性能提升具有决定性作用[8]。动态规划方法是一种重要的提高混合动力汽车的燃油经济性和其他性能的优化控制技术[9],能对离散时变系统进行分割最优控制,而插电式混合动力客车的驱动系统是一个典型的非线性时变系统。

图2 同轴并联结构PHEV典型工况模式

本文采用动态规划方法对插电式混合动力客车能量管理进行最优控制。

2.1 动态规划能量管理策略

动态规划方法是贝尔曼(Bellman)最早提出的一种研究多阶段决策问题的理论和方法[10]。动态规划方法基于最优性原理、分段求解最优值,是一种解决多段决策优化的先进算法[11]。在动态规划方法的多段决策过程中,初始阶段、初始状态以及初始决策的变化不能影响余下阶段决策的最优化。

PHEV的动力系统能量管理需在保证整车的动力性能的同时,最大限度地回收制动产生的能量,并且所产生的大电流脉冲对动力电池的冲击最小。混合动力汽车的混合度直接表征了两种动力源的功率组合和分配比例,是混合动力汽车的重要设计参数,也是混合动力汽车特性参数设计的核心内容[12]。整车混合度表征了发动机、驱动电机以及动力电池等关键部件的节能与动力性能。

并联式结构混合动力汽车的混合度H定义如式1所示,采用动态规划能量管理策略的控制结构如图3所示。

(1)

动态规划方法的动态求解过程有前向和后向2种求解方法。本文采用后向求解最优控制序列,选取发动机需求功率、电机需求功率以及控制约束为状态矢量；选取动力电池荷电状态为决策变量。

首先设定PHEV能量最优管理系统的状态方程：

(2)

其次,根据最优原理以及最优管理策略的基本原则,选取能量管理目标函数：

(3)

2.2 复杂工况识别

PHEV对复杂行驶工况的识别能够有效地提升能量管理效率,避免车辆在频繁启停过程中大电流脉冲对动力电池的冲击。结合并联式PHEV不同的工况模式,以PHEV整车混合度以及动力电池荷电状态为优化对象和优化目标,制定与工况模式相适应的能量管理策略：

图3 动态规划能量管理策略的控制结构

(1) 发动机、电机并联驱动

(2) 纯电动驱动

(3) 发动机驱动

(4) 再生制动

3 试验验证

采用的基于工况模式识别的动态规划方法,利用混合度这一性能参数对PHEV能量最优化进行表征。在能量管理策略优化过程中,以气-电混合型PHEV作为研究对象,对验证动态规划策略的适用性进行了试验验证,试验结果如图4—图7所示。

图4 PHEV车速

图5 发动机/电机输出功率

图6 发动机/电机转矩

图7 动力电池荷电状态

由图4—图6可知,车辆在整个行驶工况中经历了加速行驶、一般速度行驶、减速刹车、制动驻车等状态。在发动机与电机的协同工作过程中,很好地执行了能量管理策略的最优分配。在减速刹车过程中回收了制动能量,电池SOC增大,能增加车辆的续驶里程。由图7动力电池的荷电状态结果图可知,车辆在行驶工况下电池回收能量,SOC上升,且制动时电流对电池的冲击减缓,实现了对动力电池的保护。

4 结语

在混合动力汽车的能量管理中,采用动态规划方法作为能量最优分配的管理策略,可以减缓大电流对动力电池的冲击和电池容量的衰减。通过实车验证表明：以混合度作为性能表征参数,采取的能量管理策略能够提升车辆的续驶里程,减小对动力电池的冲击。