基于模糊逻辑控制的混合动力车辆工作模式切换策略

陈福云

(淮安生物工程高等职业学校 机电工程系，江苏 淮安 223001)

随着汽车保有量的逐年增加，环境污染和能源危机问题日益突出。为了应对能源与环境问题，各国相继出台了多个与节能车辆相关的措施与法规，我国也正在大力推广节能与新能源汽车，其中混合动力汽车是未来汽车行业发展的方向之一[1-2]。我国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》[3]指出“力争到2035年实现100%的混合动力汽车”，可以预见混合动力汽车将是汽车领域未来发展的重中之重。

混合动力车辆的动力系统既有燃油汽车的高速节油优势，又有纯电动汽车的低速省电优势，两种能源系统协调工作，在满足驱动行驶需求的同时减少了能源消耗。目前混合动力车辆能源系统所采用的原动机一般为柴油或汽油内燃机，电能存储装置一般为蓄电池或超级电容。根据车辆动力系统输出的耦合方式特点，可将混合动力系统结构分为3类：串联式、并联式和混联式[4-5]。其中，串联式混合动力车辆的动力系统结构简单，内燃机动力输出仅用于发电机发电，发电机输出的电力能源通过线缆与高压电池输出电能共同供给车辆驱动电动机。由于串联式混合动力结构简单，控制策略规则、线缆布局空间自由度较大，所以多见于大型客车或装甲车辆上。

在混合动力车辆的能源系统中，根据内燃机和高压电池混合度的差异，可将混合动力系统分为5类：弱度混合、轻度混合、中度混合、重度混合、插电式混合[6-7]。其中，弱度混合能量管理系统的主要功能是控制发动机自动启停。在轻度混合系统中，能源系统保留了发动机的启停控制，同时采用更高容量的电池以支持车辆的再生制动回馈，此类混合系统结构通常为42～48 V的皮带驱动启动发动机或集成式启发一体发动机(integrated starter generator, ISG)[8]。弱度和轻度混合动力系统由于电池系统较小，所以以发动机作为主要动力源。

合理的混合动力能源系统工作模式切换策略，对轻度混合动力汽车的安全性有着至关重要的影响。本研究以串联式轻度混合动力车辆能源系统(在串联式系统中，能源系统即为发电系统)为研究对象，设计了实用、可靠的发电系统工作模式切换策略，并通过试验验证了控制策略的有效性。

1 发电系统工作模式

发电系统在串联混合动力系统中是一个独立的模块，需要根据整车控制器发来的控制指令和车辆驱动系统功率需求来切换工作模式。图1为串联混合动力驱动系统结构，其中发电系统由发动机和发电机通过弹性联轴器相连组合而成，发电机在发动机启动阶段为电动模式，从高压电池取电并拖动发动机启动。发动机启动后维持在高效区转动，此后发电机切换为发电模式，通过改变输出扭矩调节发电功率。电池作为混合动力系统关键的电力输出源之一，其充放电能力必须覆盖发电系统最大功率输出能力。电力控制系统负责调节整个混合动力系统的综合电力输出。发电系统输出的电力与高压电池一同为车辆的驱动电机提供功率，当功率需求较低时，发电系统还可以用富余的电力直接给电池充电。

根据整车的功率需求及发电系统自身的工作特点，将发电系统工作模式归纳为启动、待机、发电、停机和故障5种。待机模式和发电模式为基本的工作模式；故障模式包括故障监控和故障保护，故障监控伴随所有模式共同运行，而故障保护用于出现故障时确保系统稳定卸载，进入待机或停机模式。发电系统工作模式间的切换关系如图2所示。

发电系统不同工作模式下的能量流见图3。电力控制系统接收到启动命令后，检测当前发电系统是否处于运行模式，如不是则将发电机运行到电动模式，从高压电池获取电能，反拖发动机直至发动机能够自主运行，如图3(a)所示；发电机拖动发动机启动成功后，发电系统将进入怠速模式，此时发动机怠速，发电机空转不发电，如图3(b)所示；接收到发电请求后，发动机高效区运转，根据功率需求调节发电机扭矩，实现输出功率跟随功率指令，如图3(c)所示；当发电系统检测到发动机或发电机系统存在故障时，识别到一、二级故障上报交整车处理，识别到三级故障发电系统进入故障模式自行保护停机；接收到停机指令后，如系统处于高功率发电模式，则首先协调发电系统进入待机模式，然后进入停机模式，如处于低功率发电模式，则安全进入停机模式。

图3 发电系统不同工作模式下的能量流Fig.3 Energy flow under different working modes of power generation system

2 发电系统工作阶段

2.1 启动阶段

当整车低压及高压系统准备就绪时，发电系统即处于准备启动状态。之后，整车系统根据车辆驱动功率，结合当前发电系统状态进行联合分析。当高压电池电压较低或电池SOC值低于设定的最低阈值时，整车系统给发电系统发送开机指令，发电系统接收到开机指令后由停机模式逐步切换到启动模式，具体流程如图4所示。

图4 发电系统启动模式流程Fig.4 Starting mode flow chart of power generation system

发电系统接收到整车启动信号后，电动机拖动发动机运转，此时给电动机控制器发送转速模式控制信号，给发动机控制器发送启动控制信号。当电动机拖拽发动机超过启动转速且维持2 s后，认为启动成功。发动机启动成功后，电动机需要处于怠速随转模式，若此时电动机继续处于电动模式，则会造成发动机转速瞬间上升，使得发动机飞车而产生严重的机械损伤，故启动成功后，发电系统进入待机模式。待机模式下，发动机转动，发电机无功率输出。

2.2 发电阶段

整车控制器在确认发电系统启动成功后，根据当前车辆行驶功率需求确定发电系统的输出功率等级，发电系统根据预先存储的功率查询表的数值对应控制发动机与发电机。发电系统对发动机采用扭速控制，对发电机采用扭矩控制，在发动机达到最佳经济转速之后，调节电机扭矩。需求功率、发动机转速和发电机目标扭矩的计算依据

(1)

图5 发电系统启动发电模式流程Fig.5 Flow chart of power generation system startup mode

式中：P为需求功率；T为扭矩；n为转速。当发电机扭矩较小时，由于发电机系统控制误差导致输出功率误差较大，故采用分段控制方式，在低功率区采用事先标定的参数值，通过查表确定发电机扭矩，在高功率区通过计算得到发电机扭矩。待加载到目标值后，再进行下一阶段的跟随调整。在功率跟随过程中，如果功率变化较快，优先调整发动机转速，再调整扭矩。采用发动机横转速的控制方式可以提高发电系统的整体燃油经济性。发电系统启动发电模式流程见图5。

2.3 停机阶段

当发电系统接收到停机信号时，发电系统先关闭发动机，待发动机达到怠速时再关闭发电机，直到完全停机。在上述过程中，若先突然关闭发电机，会导致发动机转速突然上升，甚至导致发动机飞车。因此，为避免此故障产生，停机过程中将优先降低发动机转速，并适当减少发电机扭矩。

3 发电模式控制策略

实现功率跟随是发电系统模式切换的主要目标之一。上层控制系统需要综合考虑多种因素来决定当前混合动力系统的发电工作模式。当需求功率较低时，可以由电池单独提供电力输出；当需求功率较高时，需要发电系统协同输出电力；当高压电池SOC值低于限定值时，需要发电系统提供较多的电力输出，既要满足整车的功率需求，还要给电池提供能量输入。另外，对于发电系统，还需要实时考虑其工作温度，若各个系统工作温度高于其限定值，对发电功率及系统寿命会有很大影响。综合考虑各种因素(如整车驱动功率需求、高压电池组SOC值、发电系统温度等)并基于模糊的逻辑规则[9]建立模式切换策略，实现不同运行模式的安全切换。

3.1 发电阶段控制特征因素权重的建立

(2)

利用层次分析法[10]确定各个因素之间的权重，并进行归一化处理与一致性检验。所有参数值都需要通过反复试验得到，最终确定每个因素对不同模式的相对权重。

3.2 特征因素隶属关系

剩余电量对运行模式的隶属函数

(3)

发电系统温度对运行模式的隶属函数

(4)

需求功率对运行模式的隶属函数

(5)

式(3)～(5)中：σ、θ为各模式下函数曲线的参数，参考专家经验及多次试错实验获得；u1(电池电量)最大为100%，最小为0；u2(发电系统温度)为-43～120 ℃；u3(需求功率)为0～20 kW。

根据隶属关系，分别对每一个特征因素进行评价，从而确定不同因素对发电模式的隶属度，再由各隶属度组成综合评价矩阵，记为

(6)

4 模式切换控制试验验证

采用试验模拟混合动力系统对本研究所提出的策略进行仿真试验。模拟车辆的主要参数如表1所示。

表1 试验模拟参数Tab.1 Simulation parameters of the experiment

在MATLAB软件中使用Simulink组件搭建仿真模型，并利用Stateflow建立发电系统控制策略切换与跳转控制模块。控制模型分为启动、待机、停机、运行、故障5个子模块，各模块根据监测被控对象发动机转速、水温、机油压力、电动机转速、扭矩、发电机故障等级和接收到的整车控制器命令，确定各模式状态跳转标志位的值，进而实现各模式之间的跳转，控制发电系统正常运行。在发电模式下，发电系统基于模糊隶属度判断输出的功率是否合适。

图6 基于MATLAB的仿真结果Fig.6 Simulation results based on MATLAB

仿真结果如图6所示。发电系统从停机状态开始，在2 s时接收到启动指令，发电机施加正扭矩拖动发动机启动，启动成功后扭矩清零，且发电机系统维持2 s的待机模式，之后系统进入发电模式，此时发动机转速先上升到2 200 r/min，之后发电机施加负扭矩进入发电状态。仿真系统设定低功率发电需求时，发动机转速为2 200 r/min；设定高功率发电需求时，发动机转速为2 800 r/min。当系统在第18 s接收到停机指令时，发动机转速降低到怠速800 r/min，之后发动机停机，此时发电机扭矩清零。

验证完基本的启停及模式切换后，进行一次长距离工况的仿真试验，结果见图7。车辆驱动的需求功率曲线如图7(a)所示，整个过程包括启动、加速、匀速、减速、停车等。在此工况下，发电系统的工作温度为20～120 ℃,SOC值仿真变化曲线如图7(b)所示。

图7 需求功率及SOC值变化曲线Fig.7 Demand power and SOC change curve

由图7(b)可知，动力电池初始状态满电，即SOC初始值为1，在A阶段，由最大隶属度原则得出综合决策因子，表示混合动力系统初始模式为v1，即由电池单独供电。随着电池SOC值变小及车辆需求功率的增大，动力电池不足以维持系统全工况并满足需求功率，评判策略控制系统切换为模式v3，即B阶段，由发电系统和电池共同提供电力。此时虽然需求功率增加，但发电系统的功率补给使电池SOC值下降速度放缓。在C阶段，发电系统继续维持在高负荷状态，此时发电量一部分用于驱动车辆行驶，一部分直接给电池充电，故SOC值逐渐升高。

完成仿真试验之后，在试验台架上进行发电系统的实际发电性能测试，主控制程序运行在数字空间系统(dSPACE)中，结果如图8所示。

图8 试验台架上的发电系统性能测试结果Fig.8 Operation test results of power generation system in bench test

在实际测试中，发动机进入发电模式后，实时转速及发电机扭矩由综合评判逻辑规则进行控制。测试结果说明，该切换策略及发电控制方式能够实现系统工作模式的合理与平稳切换，保证了发电系统的稳定运行。

5 结语

本研究针对串联式混合动力车辆能源系统运行模式，设计了合适的工作模式切换策略，并基于模糊逻辑控制策略制定了具体的发电系统工作方式，最后采用仿真与台架试验验证了策略的合理性。结果表明，所设计的切换与发电控制策略能够有效地根据整车工况自动调节发电系统的状态，实现整车功率需求的跟随控制。