油电混合动力汽车不同工况最小油耗控制仿真

魏 玲，耿大勇

(辽宁工业大学电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

1 引言

油电混合动力汽车以电动马达作为发动机的辅助驱动，实现了动力优势互补，该汽车由于有电动马达辅助动力，因此在车辆起步加速过程中，能够降低油耗。油电混合动力汽车通过油耗控制，在多个动力源之间，合理分配需求功率，同时对各动力部件之间进行协调管理[1]。油耗是指在不同路面上，汽车等速行驶时的燃油经济性指标。目前根据各个国家制定的标准，存在不同类型的工况，例如美国的NEDC、UDDS、HFEDS以及US06，还有如我国的SC03，都是不同的工况类型。

因此控制方法以上述分析为依据，在满足车辆动力性能的前提下，以汽车的最小油耗为管理目标，提出针对单一工况的控制方法[2-3]。当该控制应用到不同的汽车行驶工况中时，具有适应性较差、整车油耗偏高的问题。而目前的汽车行驶工况存在多样性，因此经过实际应用分析，发现传统方法与预期效果之间还存在一些差异，仍不能达到更好的油耗控制效果。

针对上述传统控制仿真中存在的问题，对油电混合动力汽车不同工况最小油耗，提出全新的控制仿真研究，将处理数据与汽车行驶工况合成，以最优控制设置SOC门限值，构建最小油耗仿真控制模型，为我国的油电混合动力汽车在不同工况下的最小油耗控制，提供更先进的技术，为促进我国汽车行业、节约理念和环保战略发展，提供科学的技术支持。

2 油电混合动力汽车不同工况最小油耗控制

2.1 处理数据合成汽车行驶工况

设置数据采样间隔、确定数据采集量，在油电混合动力汽车的不同工况中，采集基本信息。由于驾驶员操作不当，油电混合动力汽车容易产生脉冲噪声和高频噪声，影响仿真控制效果，因此利用滤波函数进行降噪，从而消除脉冲噪声和高频噪声。该函数利用脉冲噪声滤波器，去除工况曲线奇点，然后使用高频噪声滤波器，处理平滑后的曲线。其中脉冲噪声滤波器的计算公式为

(1)

式中：u(t)表示t时刻时，油电混合动力汽车的车速[4]。而高频噪声滤波器的平滑曲线计算公式为

(2)

(3)

(4)

式中：ti表示单个簇i在汽车不同工况中的持续时间；t1表示代表工况的持续时间；t2表示所有工况区块数据的总持续时间；ni工况区块总数量；ti，j表示簇i中工况区块j的时间[6]。在数据处理后，完成对汽车行驶工况的合成。

2.2 设置SOC门限值

控制不同工况的最小油耗，可以将汽车看作一个非线性系统，将油耗控制默认为一个受约束的最优控制问题。因此以最小油耗为目标，可以用下列公式描述全局最优控制

(5)

式中：Q表示油耗总量；we(c(t))表示汽车发动机的瞬时燃油消耗量，其中c(t)为汽车控制变量；te表示发动机瞬时工作时长。因为油电混合动力汽车的控制变量为电池功率、发动机和电机的动力分配比例以及电机转矩，因此本次研究将电机转矩作为控制变量，则

c(t)=Zm(t)

(6)

式中：Zm(t)表示t时刻下电机m的转矩。将电池荷电状态作为汽车状态变量，则x(t)=SOC(t)[7]。则根据电池等效内阻模型，得到

G=U1·I=U2(SOC)·I-·I2R0(SOC)

(7)

式中：G表示电池功率；U1、U2表示电池端电压和开路电压；I表示电流；R0表示等效内阻。忽略蓄电池和其它附件的影响，默认电池能量流动只取决于电机，则电池与动力部件之间，存在如下能量关系

(8)

(9)

当计算结果I>0时，此时的电池向外放电，电机作为电动机驱动；当计算结果I<0时，外部向电池充电，此时电机作为发电机提供电能。假设电池额定容量为W，根据上述公式，得到SOC门限值

(10)

根据上述计算公式，确定SOC门限值。根据电池的特性，此次研究将该值默认为0.4[9]。

2.3 设计最小油耗仿真控制模型

已知油电混合动力汽车能耗，由APU油耗和电池电耗组成，因此在了解APU和动力电池的输出功率序列后，可以控制汽车在不同工况中的油耗。因为发动机输出功率和APU输出功率可控，因此二者之间存在如下关系

FAPU(t)=Fe(t)·λm

(11)

式中：APU输出功率为FAPU(t)；发动机输出功率为Fe(t)；λm表示发电机m的效率[10]。因为动力电池不可控，因此将计算结果作为变量，得到APU油耗

(12)

其最小油耗仿真控制模型的目标函数为

(13)

而该模型的状态方程为

(14)

已知APU输出功率与动力电池输出功率之间，需要满足汽车需求功率[11]。则状态方程可改写为

SOC(t+1)=SOC(t)+f(FAPU(t))

(15)

假设该模型的初始条件和终端约束条件，如下列公式所示

(16)

则最终得到该模型的控制域

FAPU，min≤FAPU(t)≤FAPU，max

(17)

根据上述计算过程求得最优状态轨迹，实现对油电混合动力汽车不同工况的最小油耗控制[12]。基于上述计算过程，实现此次研究的仿真控制模型。

3 实验与分析

3.1 实验准备

参考EPA发布的工况和ECE规定的工况，设置五种不同的行驶工况基本参数，如下表1和表2所示。

表1 不同工况的特征参数统计表(一)

表2 不同工况的特征参数统计表(二)单位：km/h

五种工况各有不同，其中前两种汽车行驶工况较为接近，分别为典型城市工况和典型高速工况；第三种和第四种工况为激烈驾驶工况和高温运行工况，最后为普通工况。选择两台型号基本参数完全一致的油电混合动力汽车，为此次实验测试基本对象，在不同的工况中进行最小油耗仿真控制测试。

3.2 NEDC工况下的最小油耗测试

保证基本测试条件一致，面对NEDC工况进行第一轮测试，结果如图1所示。

图1 发动机输出转矩仿真控制效果

根据图1中的测试结果可知，在前段时间内，本文方法发动机输出转矩为0，说明汽车处于无工作状态。但初始阶段的汽车行车速度较低，蓄电池的SOC较高，此时的汽车依靠驱动电机提供能量。当运行一定时间时，车速逐渐提高，对于转矩的需求量增加，此时的驱动电机单独工作无法满足运行要求，因此发动机开始工作。

3.3 US06工况下的最小油耗测试

将US06工况作为测试条件，分别利用三个测试组，仿真控制汽车的最小油耗，测试结果如图2所示。

图2 发动机输出转矩仿真控制效果

根据图2中的测试结果可知，本文方法的发动机输出转矩控制效果，与NEDC工况下的控制效果较为近似，都是在行驶路况初期阶段，将发动机输出转矩控制为0。而文献[4]方法和文献[5]方法在同一路况中，其发动机输出转矩存在数值，与实际情况不符合。可见面对不同的路况时，三个测试组的仿真控制效果存在极大差异。

3.4 不同方法回收能量比较

再将UDDS、HFEDS以及SC03工况作为基本测试条件，同样进行发动机输出转矩仿真控制效果对比测试，然后根据得到的测试结果，统计不同方法应用下，油电混合动力汽车在不同工况中的油耗，统计结果如表3所示。

根据表3中的数据可知，在五种不同的汽车行驶工况下，此次提出的最小油耗控制仿真方法，比两种传统方法的油耗控制效果更好，说明所提出方法对于发动机输出，有更精准的仿真控制效果。综合5次汽车行驶工况下的仿真测试结果，得到回收能量对比结果，如图3所示。

图3 不同方法的能量回收效果

根据图5所示曲线可知，本文方法在仿真控制下，可以回收的能量比对照组多出近30%，可见此次研究的仿真方法，更加适合控制油电混合动力汽车在不同工况中的油耗。

4 结束语

此次研究在传统控制仿真的基础上，加强了对于SOC值的确定，优化仿真控制模型。经过实验证实，此次提出的控制仿真，油耗控制效果更好。但受个人能力以及工作经验的影响，此次研究没有对另外三种工况下的测试结果，展开详细说明，因此在下一阶段的研究工作中，可以将另外三种工况作为基本测试条件，进一步论证此次实验测试结果。