基于遗传算法的混动汽车扭矩节能协调控制优化

王平,张宏,李春芾

(1.内蒙古交通职业技术学院管理工程系,内蒙古 赤峰 024005;2.内蒙古大学交通学院,内蒙古 呼和浩特 010070)

混合动力汽车可以在多种工况下运行,具备优异的动力控制性能,为了进一步提高混合动力汽车的控制能力,需要其在各类模式间灵活切换,这也成为当前的一项重点研究内容[1]。混合动力汽车进入驱动阶段时,发动机需经过一段较长的时间才能完成响应,导致模式切换期间产生明显的扭矩波动现象,造成动力传输的大幅改变[2-3]。

目前已有很多研究人员开展了多动力源和传动结构的匹配研究工作。文献[4]在电极转速调控过程中设置了PID闭环结构来实现发动机转速调控,同时确保发动机达到更缓慢的扭矩变化率,从而促进协调控制效率的提升,由此精确完成整车扭矩的波动控制。文献[5]介绍了一种利用车轮转速差来实现PID调控功能的发动机扭矩补偿方法,该方法可使模式切换阶段的扭矩波动得到有效抑制,保证整车获得理想的动力和运行稳定性。文献[6]针对模型预测控制设置了扭矩协调控制的方法,消除了模式切换过程引起的冲击作用。文献[7]主要研究了纯电动以及混合驱动模式的切换控制测试,再根据模型预测和扭矩分配的过程完成协调控制。

到目前为止,大部分文献报道的都是关于整车平顺性控制过程的协调性内容,并没有从经济角度开展系统的结构优化研究。文献[8]在进行能量管理过程中加入了平顺性指标,同时在随机动态规划过程中加入平顺性控制参数,实现了扭矩分配的权衡优化性能,由此实现经济性和平顺性的综合评价。文献[9]根据最优系统效率指标对系统模式实施分类,可以使模式切换阶段保持最小冲击强度,此外还能够满足无动力中断的控制性能。文献[10]采用驾驶性调控的方法建立了一种燃油消耗最低的控制方案,通过提高系统稳定性来改善驾驶过程控制稳定性,并获得更高效的动力传输性能。文献[11]利用调节发动机参数方法来实现对整车的平顺控制,接着通过动态规划的方式调控车辆的驾驶操作性并完成快速起动的控制功能。

本研究针对多模式混合动力系统开展测试,以等效燃油消耗最小作为目标来完成模式转换,并确保在系统运行过程中实现动力的稳定传输。以等效燃油消耗最小策略(ECMS)获得实时最优模式以及不同运行工况下系统扭矩最优结果,接着针对驱动发动机扭矩系数进行控制,将电池荷电(SOC)设置成状态量,同时利用整车冲击波强度构成价值目标函数,经遗传算法(GA)优化处理确定最优扭矩参数,由此获得最优的发动机扭矩条件。通过上述设计可以对冲击程度起到有效控制,实现优异的扭矩跟随性能。

1 混合动力系统组成

本次构建的混合动力系统是一种以行星排结构完成动力耦合效果的传输系统(见图1)[12]。发动机输出轴和行星轮之间设置了单向离合器与湿式离合器作为连接结构。利用行星架实现系统动力输出,之后经速度转换器把动力传输到车轮。控制发动机和发动机的启闭条件,并针对单向离合器和湿式离合器建立相应的连接结构,由此完成多模式混合动力系统驱动控制。

1—发动机;2—电池;3—逆变器;4—行星轮;5—减速器;6—变速器;7—转换器;8—湿式离合器;9—单向离合器。图1 混合动力系统

2 GA-ECMS扭矩优化协调控制

2.1 基于ECMS的扭矩分配

本研究运用发动机扭矩补偿方法与发动机扭矩调节方法建立最优的协调策略。模式切换过程中可能会出现发动机起动情况,起动阶段会形成很大的阻力矩,这使得整车输出扭矩与目标扭矩形成较大偏差,引起扭矩波动的增加。由于发动机存在着响应滞后缺陷,这使得发动机扭矩输出与需求间会产生很大偏差,引起扭矩波动的快速加剧。可以通过发动机补偿的方法来消除发动机输出扭矩差值,确保变速器输出扭矩达到与需求扭矩相同的状态,有效抑制扭矩波动。

利用经济性平衡原理来实现模式转换,并保证运行阶段动力传递过程稳定过渡,同时利用GA-ECMS方法建立扭矩优化模型,设计得到图2所示的开发流程。

通过优化得到混合动力系统等效燃油消耗随着需求扭矩、需求转速的变化情况,从而划分出混合动力系统工作模式区域(见图3)。

图2 协调控制策略

图3 驱动模式划分

可以将整车驱动模式分成运行过程切换和持续运行两种状态。其中,切换阶段会出现发动机和发动机扭矩的突变;进入模式运行阶段时,能量分配过程引起的扭矩调节会受到扭矩和发动机响应滞后因素的作用,容易造成扭矩发生较大波动。为了确保模式切换过程中获得更强的动力传输稳定性,本研究开发了一种采用GA-ECMS扭矩优化方法来实现协调控制的方案。

本方案以ECMS为基础对需求扭矩进行分配并划分驱动模式,引入了发动机扭矩系数λ,利用遗传算法以整车冲击波强度最小为目标价值函数对发动机扭矩系数进行优化;通过λ对需求扭矩的分配进行修正,得到新扭矩分配,以实现动力传递的平稳性。

2.2 基于GA扭矩系数优化的协调控制

考虑到发动机可以对扭矩进行精确快速响应,因此对整车的扭矩与冲击载荷作用进行调节时,可以通过发动机实现协调功能[13]。本研究选择发动机扭矩系数λ(t)作为控制参数,再根据式(1)设置电池SOC(t)作为状态指标。根据发动机扭矩系数来调节模式运行过程的需求扭矩,从而减小对整车的冲击作用。

(1)

式(2)给出了混合动力汽车控制性能状态与控制变量的范围。

x(t)={SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax}
u(t)={0.8≤λ(t)≤1.5}。

(2)

将ECMS方式计算的发动机扭矩看成是λ为1的优化扭矩。之后通过式(3)设定约束参数。

Tmin≤Topt≤Tmax。

(3)

式中：Topt为经过优化处理得到的发动机扭矩;Tmin,Tmax分别为发动机最低与最高扭矩。

构建的目标价值函数如下：

(4)

式中：Treq为利用ECMS计算获得的发动机需求扭矩;i0,ig分别为主减速器与变速器的传动比;δ为旋转质量换算参数;m为汽车质量;r为车轮的半径。

发动机可以实时调节扭矩系数达到最优状态,各时刻下荷电状态对应的扭矩参数也存在较大差异,此时可以通过扭矩参数以及建立车速模型的方式来达到实时调节扭矩优化系数的效果[12]。扭矩优化系数表达式如下：

λ(t)=f(SOC,v(t))。

(5)

3 试验验证

3.1 整车协调控制验证及分析

为验证扭矩优化调节的策略优势,综合运用Matlab和Simulink设计整车运动模型,同时针对发动机以及动力电池分别确定了模型参数和系统机构,并确定了合适的理论模型[14]。在NEDC城市道路条件下进行了运行工况的仿真测试。

图4示出在NEDC工况下,扭矩优化前与优化后开展协调控制时的扭矩仿真结果。对图4进行分析可以发现,加入扭矩分配参数后再进行混合驱动,相对于优化前形成了更稳定的发动机扭矩,扭矩波动幅度更小。采用GA优化方法能够对发动机扭矩起到削峰填谷的作用,获得更高的整车动力稳定性。

图4 优化前后的发动机扭矩对比

扭矩协调优化前后的整车冲击波强度对比情况见图5。结果发现,在NEDC工况下GA优化可以发挥更显著的效果,能够有效减小冲击程度,冲击波强度从初始的19.2 m/s3下降至10.8 m/s3,下降了近45%。

图5 优化前后冲击波强度对比

3.2 整车经济性验证

在NEDC等循环工况下开展经济性验证,针对GA-ECMS协调策略与ECMS方法对比测试了等效燃油消耗情况,结果见图6。图6测试结果表明,通过GA-ECMS控制获得的等效百公里燃油消耗明显小于ECMS控制策略,与仅针对经济性进行优化的ECMS控制策略相比具有显著优势,能够增强模式切换品质,也可以有效改善混合动力系统的经济性。

图6 等效燃油消耗对比

3.3 试验验证

3.3.1 试验系统

采用硬件在环测试的方法对GA-ECMS扭矩优化协调策略开展有效性验证。图7示出建立在D2P上的硬件系统。根据图7可知,在D2P基础上建立的硬件在环系统中存在双发动机台架,发动机可以提供动力输出,结合发动机运行特性仿真数据在发动机ECU中设置控制参数。以CAN总线在硬件、软件间建立通信联系,在试验台架上配备传感器后再构建数据采集系统来实现信号实时采集,并把结果传输至控制柜的屏幕区域。

图7 试验硬件系统

利用MotoTune调节策略确保硬件ECU可以自主产生C代码,同时利用USB代码器使各项参数写入控制器再开展系统功能调试验证。将操作台踏板和挡位设置到合适位置,再将负载传输到CAN总线内使其完成交互过程,VCU采集得到负载信号时,再把之前的控制指令传输到发动机ECU和BMS中,最终实现对测试台各部件进行调控的效果。

3.3.2 实际行驶工况验证

以赤峰市某路段工况(见图8)为例,设置工况验证GA-ECMS扭矩优化协调过程。图9示出了GA优化前后的扭矩结果。通过分析发现,完成GA优化处理后再开展混合驱动时,形成了更加稳定发动机扭矩输出。

图8 赤峰市某路段测试工况

图9 GA优化前后的发动机扭矩对比

图10示出GA优化前后冲击波强度的对比。结果显示,GA优化能够有效降低整车冲击作用。因此,选择GA-ECMS开展扭矩优化能够达到优异的协调控制性能。

图10 GA优化前后的冲击波强度对比

4 结论

a) 采用GA优化能够对发动机扭矩起到削峰填谷作用,获得更高的整车动力稳定性;对于NEDC工况,采用GA优化能够有效减小冲击,冲击波强度下降了近45%;

b) GA-ECMS控制策略下百公里等效燃油消耗明显小于ECMS控制策略,说明利用GA-ECMS协调控制方案能够增强模式切换品质,也可以有效改善混合动力系统经济性;

c) 采用赤峰工况验证GA-ECMS扭矩优化协调效果,GA优化能够达到优异的协调控制性能。