负载跟随阈值变化下的汽车能量管理策略

邝家凯

(广东理工学院 智能制造学院,广东肇庆 526100)

混合动力汽车具有节能、低污染、技术成熟等方面的优势,现已成为车辆电动化转型升级的解决方案之一[1-3]。与传统的燃油汽车相比,混合动力汽车的动力系统具有多个动力源,对其动力系统进行科学合理的管理极为重要,一般是通过混合动力汽车的监控系统(SCS)来对多个动力源进行功率分配[4-6]。因此,对SCS系统进行深入研究,以提高车辆燃油经济性并降低排放,具有重要的实际应用价值。

目前的SCS控制策略主要分为基于优化和基于规则两种方法[7-10]。基于优化的控制策略是通过求解复杂的优化问题来实现能量分配管理,典型代表有动态规划(DP)、等效燃油消耗最小化策略(ECMS)和庞德里亚金最小值原理等控制策略[11-13]。但是,这类基于优化的控制方法计算量较大并且对于车辆行驶状态参数要完全获知,难以在实际车辆的能量管理进行应用[14]。基于规则的控制策略一般是通过启发式方法进行控制,其规则设置简便且易于实现[15-17]。因此,在混合动力汽车中,一般采用基于规则的控制策略,其中以电力辅助控制策略(EACS)最为常见,但由于需要对很多车辆状态参数进行标定,整个调优过程耗时较长[18]。

为了提高并联式混合动力汽车的燃油经济性,本文提出了一种负载跟随阈值改变(LTS)的控制策略,由于并联式混合动力汽车的发动机与车轮直接连接,在预定义功率阈值时,LTS控制策略设置的功率阈值综合考虑了电池荷电状态(SOC)和发动机转速,可以使得混合动力汽车的能量管理精细化程度更高。为了验证所提出方法的有效性,本文将LTS控制策略应用于混合动力汽车设计了相关仿真试验,并与传统的等效燃油消耗最小化策略(ECMS)和电力辅助控制策略(EACS)进行对比。仿真结果表明,本文提出的LTS控制策略规则设置简便,无需过多人工干预,并且具有较好的能量管理综合性能。

1 动力系统架构和相关建模

如图1所示,并联式混合动力汽车具有两个作用在单轴上的动力系统[19]。电机系统用于驱动后轴,而发动机(ICE)系统则连接到前轴。

图1 并联混合动力汽车的动力总成结构

由图1可知,该车辆具有3个作用于车辆的动力源,包括齿轮箱之后的发动机功率Peg,变速箱之后的电力辅助功率Pmt以及制动功率Ph。Peg始终为非负值,Ph始终为非正值,而Pmt可以取任何值,负值对应于再生制动或发动机对电池进行充电。

1.1 发动机(ICE)动力系统

由图1可知,发动机动力系统由以下3部分组成:

1) 发动机。发动机设置为2 L汽油发动机,峰值功率为120 kW,峰值扭矩为300 Nm,基于发动机转矩Te和发动机转速ωe的工作效率如图2所示[20]。

图2 发动机工作效率图

发动机的燃油消耗率计算式[21]为

(1)

式中:mf为燃油消耗;QLHV为燃油低热值,QLHV=44.4 MJ/kg;ηe(Te,ωe)为发动机效率。发动机提供的机械功率Pe=Teωe。

2) 变速箱。本文以6速自动变速器为例,假定机械效率ηe=0.96为恒定值,因此有

Pe=Peηg

(2)

1.2 电力辅助系统

电力辅助系统的主要包括电池、DC/DC转换器、DC/AC逆变器、电机和电机传动等模块,以下将对其子模块分别进行建模[22]。

1) 电池。混合动力汽车的电池模型设定使用锂离子电池,电压定义[23]如下

Vb=Eb-Rbib

(3)

式中:Rb为内阻;ib为电池的平均电流;Eb为开路电压。

根据电池功率Pbl=Vbib,可将电池平均电流ib求解为CSO和Pbl的函数:ib(CSO,Pbl)。电池的荷电状态(SOC)模型[24]描述如下

(4)

式中Qmax为电池最大容量。

2) DC / DC转换器和DC / AC逆变器。忽略DC / DC转换器和DC / AC逆变器的高频振荡,并将它们建模为具有恒定效率ηdc=0.96和ηi=0.96的静态组件[25]。由此可得

(5)

3) 电机。采用三相永磁同步电机,峰值功率为27 kW,扭矩为200 Nm。根据文献[26-27]可知,电机的效率ηm是关于电机转矩Tlm和电机转速ωm的函数,如图3所示。

图3 电机的效率图

(6)

4) 电机传动系统。永磁同步电机和混合动力汽车后轮以固定齿轮方式连接,固定齿轮的效率ηt=0.96,可得

(7)

1.3 车辆动力学模型

根据车辆纵向动力学,可计算出纵向驱动力Fv为

(8)

式中:v为车速;m为汽车质量;Fr为轮胎滚动阻力;Fd为空气阻力,Fd=ρv2,ρ为空气密度。

由给定的车辆纵向动力学方程可计算出所需的驱动功率Ppl,可表示为

Ppl=Frv

(9)

驱动功率Ppl也等于发动机功率Peg、电力辅助功率Pmt以及制动功率Ph三者之和,即

Ppl=Pmt+Peg+Ph

(10)

对于混合动力汽车来说,机械制动可以应用于前轮和后轮,再生制动一般只在连接了电动机的后轴上进行。此外,假设可以恢复2/3的制动功率,剩余的制动功率则由Ph提供。

1.4 系统集成

根据功率传输路线可知,混合动力汽车的功率流可由两部分独立动力源来表示u={Peg,Pmt},其计算表达式为:

(11)

将式(11)代入式(1)、式(4),可以得到包含两个状态变量X={mf,CSO}的动力学方程,可表示为

(12)

2 能量管理控制策略

提出了一种针对并联式混合动力汽车的启发式控制策略,在汽车行驶过程中负载可跟随阈值进行改变,使得能量管理更精准,有助于提高车辆的燃油经济性。首先简要介绍两种传统的等效燃油消耗最小化策略(ECMS)和电力辅助控制策略(EACS),然后提出本文的负载跟随阈值改变的控制策略。

2.1 等效燃油消耗最小化策略(ECMS)

等效燃油消耗最小化策略(ECMS)目前在许多混合动力汽车上得到了广泛的应用,其相关数学表达式如下:

(13)

式中qeq为等效燃油消耗率。

(14)

并联混合动力汽车的等效燃油消耗最小化策略(ECMS)中,每一对(Sd,Sc)决定一个控制映射,该映射确定多个动力源之间的功率分配因数u=Peg/Ppl。为了便于说明,图4给出了在WL-M(中速)和WL-E(超高速)两种行驶循环的最优控制图[2],这是通过最小化每个行驶循环的等效燃油得到的,其中深蓝色部分表示纯电模式,白色部分表示不可行区域。

图4 两种工况的最优控制图

由图4可知,发动机(ICE)的激活是由驱动载荷功率Ppl和发动机转速ωe以及相对于Ppl的不同阈值来共同确定的,可以在每个控制映射中监测这些变化,从而对发动机(ICE)的激活时机进行控制。

2.2 电力辅助控制策略(EACS)

电力辅助控制策略(EACS)是一种常见的基于规则式控制策略,采用负载跟随和阈值改变的方法对混合电池汽车动力系统的能量进行管理。一般主要以发动机(ICE)作为主要动力源,电力作为辅助动力源。当发动机工作效率低下或者功率需求超过发动机最大功率时,发动机与电池同时进行工作。当电池荷电状态(SOC)下降到一定降低水平时,发动机会产生额外的能量给电池充电。EACS的控制规则如图5所示。

图5 ECMS的工作模式

式中:chrgfrac是在电池荷电状态(SOC)较低时发动机的额外充电功率。

2.3 负载功率跟随阈值改变策略(LTS)

LTS控制策略是基于阈值变化机制和负荷跟随方法来进行设计,可以与电池电荷状态(SOC)保持成比例的微小偏差。首先定义功率阈值为

(16)

功率阈值取决于电池荷电状态(SOC)和发动机转速(ωe),式(16)中右边第二项是由ECMS生成的控制驱动,可以有效提高发动机的工作效率,Pth和Pω都是待确定的参数,CSO,L和ωL分别表示电池最小荷电状态和发动机最小转速。Xrange=(XU-XL)/2,其中XU表示最大电池荷电状态CSO,U或者发动机最大转速ωU。

在LTS控制策略p中,当功率需求Ppl≥Peg min时,将激活发动机(ICE),并利用功率负载跟随方法以较小的偏差进行工作,可表示为

Pd=Ppl+Pch(CSO,mid-CSO)

(17)

式中:Pch≥0为可调参数;CSO,mid=(CSO,U+CSO,L)/2是期望的电池荷电状态值。因此,LTS有3个参数(Pth,Pω,Pch)需要调优,其运行规则如图6所示。

图6 4种模式下的LTS控制策略运行规则

选取ωe=ωmid和CSO=CSO,mid两个时刻,CSO,ωe和Ppl相关情况如图6所示。其中,ωmid=(ωU+ωL)/2,Peg,max和Pmt,max分别表示发动机ICE和电机模块传递的最大功率,黄色表示电池模式,绿色表示发动机模式,蓝色表示发动机最大功率模式,灰色表示电池最大功率模式,白色表示不可行区域。

3 仿真验证及相关分析

将功率负载跟随阈值改变策略(LTS)、等效燃油消耗最小化策略(ECMS)以及电力辅助控制策略(EACS)与并联式混合动力汽车模型结合,对比3种控制策略的性能。

基于ADVISOR软件进行仿真,并联混合动力汽车模型仿真整车参数如表1所示。

表1 整车主要技术参数

根据全球统一的轻型车辆测试程序(WLTP),在低速(WL-L)、中速(WL-M)、高速(WL-H)和超高速(WL-E)共4个不同工况下进行仿真测试,不同工况的车速分布如图7所示。

图7 WLTP在4个不同阶段的速度分布

为了评价各控制策略的燃油经济性,对实际燃油消耗和电池充电消耗均采用统一的规则

(18)

式中:ΔCSO=CSO,initial-CSO,final,Sd,efc和Sc,efc是两个等效系数,可以根据文献[28]中折线图方法计算得到,其获得的数值如表2所示。

表2 计算得到的等效系数

通过最小化等效燃油消耗mefc可以得到3种控制策略在不同工况下的性能最优值。表3给出了不同工况下3种控制策略的燃油经济性和最终CSO值。由表3可以看出,LTS控制策略无论是在燃油经济性方面还是在电池运行状态方面都具有最佳的性能表现。在燃油经济性方面,LTS控制策略优于EACS控制策略3.1%～10.4%,LTS控制策略优于ECMS控制策略2.5%～5.7%。在电池荷电状态(SOC)方面,LTS控制策略可以使得CSO值保持在60%以上,电池运行处于较好的状态。

表3 不同控制策略的等效燃油消耗及最终CSO值

图8是不同控制策略下所产生的驱动功率情况,由于电机功率在给定发动机功率时是确定的,所以仅输出相关的发动机功率分布情况。

图8 4种不同工况下的发动机功率和需求功率情况

由图8可知,3种控制策略都是在低功率负载情况下使用纯电动模式,当驱动负载功率需求较高时,激活发动机驱动模式。对于ECMS和LTS控制策略来说,发动机通常提供比所需要的驱动负载更多的功率,并且超出的功率存储在电池中以备后续使用,而EACS则不直接使用发动机为电池充电,除非电池达到CSO下限。另外,在WL-L和WL-M这两个工况下,对于发动机的激活时间来说,LTS控制策略和ECMS控制策略较为相似,但在WL-H和WL-E两种工况下,LTS会更频繁的激活发动机模式,保证混合动力汽车具有较好的动力性能。EACS控制策略虽然采用了负载跟随模式,但电池充电主要依靠再生制动,如果没有足够的再生制动来源,则EACS难以实现电池荷电状态的平衡。

3种控制策略的电池荷电状态(SOC)分布见图9。

图9 3种不同控制策略的SOC曲线

由图9可知,除了在WL-H工况外,其余3种工况下LTS控制策略和ECMS控制策略的SOC分布较为相似,这进一步表明了所提出LTS控制策略的有效性。对于EACS控制策略来说,由于负载跟随机制和再生制动有限,无法在所有的驱动循环中实现电池荷电状态平衡。因此,从保证电池稳定运行的角度来看,所提出的LTS控制策略具有与ECMS类似的性能,并显著优于EACS。

4 结论

本文采用负载跟随阈值改变的方法,设计了一种能够兼顾汽车燃油经济性和电池荷电状态的能量管理控制策略。针对控制实时性的需要,采用简化调优的方式对设计规则进行了改进。最后设计相关仿真测试,与传统的等效消耗最小化策略(ECMS)和电动辅助控制策略(EACS)进行对比,验证了所提出方法的有效性,得出如下结论。

1) 负载跟随阈值改变控制策略(LTS)设计规则简便高效,在燃油经济性和电池荷电状态平衡方面均优于电动辅助控制策略(EACS)。

2) 与等效燃油消耗率最小化策略(ECMS)相比,虽然LTS控制策略在燃油经济性方面与等效消耗最小化策略(ECMS) 差距不大,但易于在车辆上实现且能够使电池保持稳定运行状态,综合性能优于等效消耗最小化策略(ECMS)。

3) 考虑到目前提出的LTS控制策略尚不能实现在多种工况下均保持有效性,在后续的工作中,将进一步对LTS控制策略进行改进,解决其在部分工况下燃油经济性改善程度不高的问题。