并联混合动力汽车能量管理与转矩协调控制策略

闫松，赵红，潘广纯，袁焕涛，崔翔宇

青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071

0 引言

与传统内燃机汽车和纯电动汽车相比，混合动力汽车可以充分发挥多种能源的优势，在节能、减排、续航等方面具有突出的性能[1-2]。作为混合动力汽车的核心部分，控制策略能够合理分配不同动力源提供的能量，达到节能减排的目的[3-4]。

混合动力系统主要包括能量管理控制策略和转矩分配策略，其核心是合理分配混合动力汽车的多能源输出，降低燃油消耗率，达到节能减排的目的[5-8]。控制策略的研究主要有两种：一是利用优化算法优化规则控制策略，二是运用转矩协调方法控制多个动力源的转矩分配和效率优化。邓涛等[9]采用NSGA-Ⅱ算法对混合动力系统的燃油经济性、排放性、驾驶性等多目标进行优化。钱立军等[10]使用多岛遗传算法对利用神经网络建立的控制模型进行优化。赵治国等[11]设计出一种基于发动机动态特性和电动机扭矩耦合过程的工作模式切换控制策略。Davis等[12]提出一种通过发动机转矩状态观测和电机转速反馈的转矩协调方法，减缓转矩耦合产生的波动。这些研究方法为混合动力汽车控制策略的研究提供了参考。

本文中采用能量管理策略与转矩协调控制相结合的控制策略研究并联混合动力汽车的动力控制系统，运用发动机动态转矩控制+动力电池荷电状态(state of charge, SOC)干预+电机转矩补偿控制的转矩协调方法，协调和控制发动机与电机的转矩输出；采用发动机输出转矩最优的能量管理策略，发动机输出转矩最优也是目前应用最广泛的能量管理控制策略[13]。

1 并联混合动力汽车的系统结构

研究对象为采用扭矩复合式并联结构的混合动力汽车，发动机与离合器直接连接，通过扭矩耦合装置与电机输出转矩相连，通过变速器、主减速器、差速器，最终传递给车轮，可以实现多种工作模式的切换。根据整车需求转矩，按照转矩协调方法对发动机和电机进行转矩协调控制。其动力总成结构模型如图1所示。整车主要参数如表1所示。

表1 整车主要参数

2 能量管理控制方法

2.1 整车需求转矩分析

在不考虑车辆动力学的驾驶稳定性，行驶过程中混合动力汽车车轮转矩

Tw=ηtigi0(Te+Tm)+Tb

,

(1)

式中：ig为变速器传动比；Te为发动机输出转矩；Tm为电机输出转矩；Tb为制动力矩。

式(1)也可以表示为：

Tw=(mgfrcosθ+0.5CDAρur2+mgsinθ+δmdu/dt)·r,

(2)

式中：g为重力加速度；θ为道路坡道角；ρ为空气密度；ur为相对速度，在无风时即汽车的行驶速度；u为行驶速度。

整车需求转矩

Tr=(Tw-Tb)/(ηtigi0),

(3)

式(3)也可以表示为：

Tr=((mgfrcosθ+0.5CDAρur2+mgsinθ+δmdu/dt)r-Tb)/(ηtigi0)。

(4)

2.2 发动机工作区间划分

找出发动机的工作区间，保证发动机运行在最优工作区间[14]是发动机输出转矩最优控制策略至关重要的一步。图2为发动机工作区间图，最大转矩限制曲线也是发动机的外特性曲线,即每个发动机转速下的最大转矩(Temax)曲线；发动机最优输出转矩(Teopt)曲线是由发动机每个转速下工作效率最高的转矩输出点拟合而成，同是也是燃油消耗率最低曲线，要尽可能的保证发动机工作在此曲线附近；最小转矩(Temin)限制曲线是发动机工作时燃油消耗较高的曲线，低于此曲线时应该关闭发动机，确保发动机高效率的工作。

电池SOC的管理模式有电量耗尽(charge depleting, CD)和电量维持(charge sustaining, CS)两种模式，CD模式一般设定两个门限值，一个是电池充电停止门限值Qmax，以防止电池组过充电；一个是电池放电停止门限值Qmin，保证电池组不过分放电[15]。CS模式设定一个SOC门限值，使得电池SOC始终在这一门限值附近。本文中采用CD控制模式，但将SOC进一步细化，添加电池最优SOC门限值Qobj，将电池划分为禁用区[0,Qmin]、低效区[Qmin,Qobj]、高效区[Qobj，Qmax]、过充缓冲区[Qmax，100]。基本原则是应该尽可能使电机工作在电池的高效区，并且避免在低效区输出过大转矩，禁用区时停止电池继续放电，保护动力电池的使用寿命。

综上，根据发动机的工作区域界限和电池SOC设定逻辑门限控制策略参数，逻辑门限控制策略参数如表2所示。

表2 逻辑门限控制策略参数

3 转矩协调方法

3.1 工作模式分析

并联混合动力汽车动力来源为发动机和电机，两者可单独或共同提供整车驱动力矩。因此并联混合动力汽车具有多种工作模式，包括发动机单独驱动模式、纯电动模式、混合驱动模式等。电机与发动机的混合特性曲线见图3。

由图3可以看出电机与发动机的动态转矩响应特性的差异，在工作模式切换中可能会造成动力中断等问题[16-19]。对此本文中提出发动机动态转矩控制+动力电池SOC干预+电机转矩补偿控制的转矩协调方法。

发动机有驱动和停机2种工作状态，电机有电动、发电和停机3种工作状态。发动机和电机的运行状态决定了并联混合动力汽车的工作模式。

3.2 工作模式的切换条件及转矩分配

混合动力汽车驱动模式分为纯电动驱动、混合驱动、发动机单独驱动、行车充电4种模式。纯电动模式下，车辆行驶由电机单独驱动。发动机单独驱动模式下，车辆行驶由发动机单独驱动。混合驱动模式细分为2种：若整车需求转矩大于发动机最优输出转矩且小于最大输出转矩，则发动机在最优输出转矩曲线上运行，并且剩余转矩由电机补偿；若整车需求转矩大于发动机最大输出转矩，则发动机工作在发动机外特性曲线上，剩余转矩由电机补偿。行车充电模式细分为3种：若整车需求转矩小于发动机最小输出转矩且电池SOC小于等于电池放电停止门限Qmin，则发动机工作在最小转矩限制曲线上，过量转矩分配电机充电；若整车需求转矩大于发动机最小输出转矩、小于发动机最优输出转矩且电池SOC小于电池充电停止门限Qmax，则发动机工作在最低燃油消耗率曲线上，过量转矩分配电机充电；若整车需求转矩大于发动机最优输出转矩、小于发动机最大输出转矩且电池SOC小于等于电池放电停止门限Qmin，则发动机工作在外特性曲线上，过量转矩分配电机充电。其切换条件及转矩分配方式如表3所示。

表3 工作模式切换条件、转矩分配及动力源工作状态

基于AVL_Cruise搭建整车模型如图4所示。

采用interface联合仿真方式，这种联合仿真方式实质是在Matlab中调用Cruise的解算器，因此在仿真过程中无需额外开启AVL_Cruise，在Matlab中运行即可；不仅运行速度快，而且方便工程师直观地看到整个控制策略的执行过程，提高调试策略的效率。

基于Matlab/simulink/stateflow平台，构建了控制策略模型，控制策略逻辑图如图5所示。

以车速、电池SOC值、发动机转速、制动踏板信号、油门踏板信号等为模型的输入，这些信号输入到Stateflow中作为工作模式的切换条件达到改变车辆行驶工况以及控制发动机和电机的转矩输出；控制模型的输出为发动机开关信号、电机开关信号、制动踏板信号、发动机加载信号、电机加载信号，这些输出信号控制整车模型的运行。将建立好的控制模型与Cruise进行联合仿真，Cruise与控制策略构成闭环连接，Cruise将数值传递给控制策略，控制策略将处理好的数据传递给整车模型，直到运算结束。

4 仿真结果分析

选择测试工况为新欧洲驾驶周期(new European driving cycle, NEDC)进行仿真。图6为实际车速与期望车速对比图，仿真结果显示实际车速与期望车速几乎重合，充分表现了控制策略的稳定性。图7为电池SOC初始值为70%时的变化曲线。

由图7可知，随工作时间增加电池SOC不断降低，但降低趋势逐渐变缓，电池SOC始终保持在合理范围(0.2～0.9)内，有效的减少电池损耗并延长电池使用寿命。

图8～10为电池初始SOC为70%时的试验结果。由图8～10可知，整车需求转矩基本为发动机和电机输出转矩之和，说明控制策略可以根据车辆行驶时的转矩需求合理地协调分配发动机与电机的转矩，保证车辆根据驾驶员的需求正常行驶；汽车起步时由电机提供整车需求转矩，发动机处于关闭状态，车辆行驶处于纯电动模式工况，并且根据电机与发动机的转矩曲线变化，实现了车辆在不同模式下的转换，验证了控制策略的有效性；当整车需求转矩大于发动机最大输出转矩时，电机提供动力确保发动机在高效区域工作，可以有效提高燃油经济性。

由图9可知，电机的输出转矩有正负，说明电机在电动和充电状态之间切换，根据电池SOC的变化曲线也可以看出，证明了控制策略控制良好。

由图10可知，发动机的输出转矩大部分位于最优输出转矩曲线附近，发动机工作在最优工作范围，可以有效的降低燃油消耗率。

5 结论

以并联混合动力汽车为研究对象，对Cruise平台搭建的整车模型与基于Matlab/Simulink平台搭建的整车控制策略进行联合仿真。通过比较分析仿真结果得出如下结论。

1)提出的转矩分配策略能合理地分配发动机和电机的输出转矩，实现了车辆在不用工作模式之间的切换，满足驾驶员的驱动需求。

2)电池的SOC能够在合理范围内保持平衡，并且其变化趋势达到了预期的控制效果，充分验证了控制策略的有效性与可靠性。