基于分层决策思想的混合动力控制策略研究

基于分层决策思想的混合动力控制策略研究

混合动力汽车控制策略众所周知，只有在最窄的操作区域才能实现最优的经济性和排放。离最远的运营区域越远，其经济和排放越差。内燃机汽车在道路行驶过程中,由于行驶工况复杂多变,内燃机往往远离其最优运行区,导致整车较差的燃油经济性和排放性。与内燃机汽车相比,混合动力汽车由于电机的参与而使内燃机的运行区域显著改善,大幅度降低整车运行油耗和排放,近年来受到越来越广泛的重视。混合动力汽车的优势主要体现在以下几点:1)电机提供额外力矩,可以减小内燃机的排量和尺寸;2)电机可以作为发电机在很多情况下给电池充电,同时发动机可以运行在比较高效的区域;3)电机可以在很短的时间内将发动机快速启动,在怠速条件下将发动机关闭;4)在制动时电机发电回收部分惯性能量以提高能量利用率。由于混合动力汽车存在两种以上的动力源,多种动力源之间又存在复杂的耦合模式,因此控制模式决策和模式之间的平滑过渡控制是一项比较复杂的工作。AnthonyMP等人提出了一种基于10模式的网状决策思想策略。为了简化复杂的混合动力模式控制,本文针对正在开发的XL2000轻度混合动力轿车,提出了一种基于分层思想的模式决策方法和易于实现的HEV能量管理和力矩分配策略。同时以AVLCRUISE和MATLAB/SIMULINK为平台,建立了用于控制策略研究和性能分析的仿真模型。通过对整车性能的仿真,优化了主要的控制参数,并且对该控制策略进行了评估和实验验证。1发电机与发动机XL2000混合动力轿车动力系统结构示意图如图1所示。原夏利2000的四缸1.3L汽油机(丰田8A)换成了三缸1.0L汽油机,该汽油机的飞轮被替换为一个10kW永磁电机,其既可以作为电动机也可以作为发电机使用。电机转子和发动机曲轴直接相连,定子固定在发动机机体上。永磁电机与144V、18A·h锂离子电池组相连。传动系采用5档手动变速箱。发动机的最大转矩为80.9N·m(3600r/min),最大功率为41kW(6000r/min);电机最大转矩为50N·m,标定转速为2000r/min。发动机的节气门被改造为电控节气门,受主控制器控制。主控制器通过控制电控节气门开度和管理电控喷油器功率回路,实现对发动机的力矩控制和启停管理。主控制器通过CAN总线与电机控制器和电池管理系统交换信息,通过CAN总线向电机控制器发出力矩指令,实现对电机力矩的控制。2层的控制模式和矩阵分布策略2.1不同驾驶模式的划分及比较为了简化复杂的控制模式,将所有的运行和控制模式分成两层:驾驶模式层(DML)和能量管理层(EML),分别由驾驶模式解释器(DMI)、模式调度器和能量管理解释执行器(EMI)依次逐层进行模式判断和执行,如图2所示。“驾驶模式解释器”根据司机的驾驶操作来决定车辆的驾驶模式,其主要的判断条件为钥匙位置、加速踏板位置、制动踏板位置、离合器位置、档位信号以及发动机工作状态。根据这些判断条件,将车辆运行分成5种驾驶模式:停车模式、启动模式、怠速模式、驱动模式、制动能量回馈模式。针对不同的驾驶模式,“模式调度器”调用相应的“能量管理解释执行器(EMI)”。EMI根据加速踏板位置、制动踏板位置、电池SOC状态、车速以及其他信号等来决定发动机和电机之间的力矩耦合问题,同时通过能量管理算法来计算发动机和电机的力矩分配需求。在每一种控制模式中都有两种或更多的算法来进行管理。例如,对于启动模式,根据发动机冷却水温的高低,分别执行发动机冷启动策略或热启动策略;对于驱动模式,则有滑行发电算法、充电算法以及助推算法等。2.2汽车工况2:平行电机+助力电机为了使发动机运行在一个高效的区域,同时保持锂电池的SOC值工作在一个合理的范围,发动机和电机之间的力矩分配策略将起着决定性的作用。图3为驱动模式采用的力矩分配策略,其中力矩分配系数为M1、M2,能量管理系数为K1、K2。根据加速踏板位置值,主控制器分别调用4种不同的力矩分配算法。当加速踏板位置小于位置M1时,司机需求力矩为零,发动机被车辆的惯性反拖,为了弥补三缸发动机与四缸发动机摩擦力矩的差别,电机产生部分负力矩,车辆进行滑行发电,即滑行发电模式。当加速踏板位置在M1和K2之间时,发动机的经济力矩大于司机需求力矩,主控制器使发动机工作在或接近高效区域,其多余力矩用于推动电机给电池充电,即充电模式。当加速踏板位置在K2和M2之间时,发动机单独驱动整车,即纯发动机模式。当加速踏板位置大于M2时,电机提供辅助力矩和发动机共同驱动整车,即助推模式。图3中系数M1和M2决定电机是工作在充电区还是助推区,同时也直接影响发动机的性能指标和电机充电能力,称之为力矩分配系数。K1和K2则决定电机充电力矩大小和发动机的运行区域,这两个系数受电池的SOC值和发动机转速的制约,称为能量管理系数。当制动踏板踩下时,进入制动能量回馈模式。控制器根据制动踏板位置和车速,按照特殊设计的函数关系向电机给出负力矩值,电机处于发电状态,由此产生制动力矩,回收整车的部分惯性能量,实现制动能量回馈。电机制动力矩的大小还受到电池的最大允许充电电流的限制。3模拟与结果分析3.1整车模型的建立图4为XL2000HEV模型。该模型是基于AVLCRUISE汽车动力学仿真软件平台搭建的,整车各个部件均有相应的子模型。图中的主控制器模型实际上是与SIMULINK交换数据的接口。详细的主控制器算法模型是在SIMULINK中编写的。这样车辆就可以通过该接口与SIMULINK中的主控制器进行通讯。3.2车辆能量管理模块图5为XL2000HEV主控制器SIMULINK模型。模型分为三部分:第一部分为输入信号,第二部分为驾驶模式解释器(DMI)模块,第三部分为能量管理(EMI)模块。模型的输入信号来自CRUISE车辆模型中的输出,包括钥匙位置、加速踏板位置、制动踏板位置、离合器位置、档位信号,车速以及发动机转速等。主控制器的输出包括发动机起停指令、发动机节气门开度和电机负载(电机力矩信号)。这些控制变量传送到CRUISE车辆模型作为控制量的输入。3.3ucds工况下的电机负荷平衡控制为了比较XL2000HEV与夏利2000的性能,针对三种常见的驾驶循环工况,对整车控制策略进行了仿真评价。图6为三种循环工况图,循环1为日本10.15工况,循环2为美国UDDS工况,循环3为UDC工况。图7为在日本10.15工况下发动机和电机的力矩分配执行图。图中显示在整车处于大负荷时,电机提供额外的力矩和发动机共同驱动整车,同时在小负荷或是制动时电机可以作为发电机给电池充电。在循环的开始阶段,初始的电池SOC值为0.7,循环结束时电池的SOC值为0.68,电池的SOC值在整个循环保持在0.6~0.7之间,这就实现了电池的SOC值的平衡控制。在每一个循环工况的开始,如果电池的SOC值不在一个理想的区域,控制算法将自动对电机转矩值进行调节,若SOC值过大,则会加大电机助推的力度消耗电量。若SOC值过小,则电机将会加大充电时的负力矩给电池充电。这样能使电池保持在预定的合理区域。图8和图9分别为夏利2000与XL2000HEV在UDC循环工况下的发动机万有特性区域图。图中很明显,混合动力系统发动机的运行区域有很大的改善,发动机工作在一个经济性和排放性相对高效的区域。这主要是两个原因,一是由于发动机排量的减少;二是由于混和动力系统中电机的介入使发动机可以工作在一个比较理想的区域。因为在混合动力中至少存在电机和发动机两种以上的动力源,这样发动机的油耗就不能作为评价整车经济性的指标,为此引入当量油耗作为评价HEV经济性的指标。当量油耗是将电机消耗的电池电量或者充入的电量转化为发动机的油耗,其中的换算遵守了能量守恒定律。图10为在不同的驾驶循环下XL2000HEV与夏利2000当量油耗的比较。在日本10.15工况下,XL2000HEV的当量油耗为5.32L/(100km),而夏利2000为6.32L/(100km);在美国UDDS工况下,XL2000HEV的当量油耗为4.94L/(100km),而夏利2000为6.92L/(100km);而在UDC道路循环下,前者的当量油耗为5.65L/(100km),而夏利2000为7.46L/(100km)。经济性改善率分别达到15.8%、28.5%和24%,经济性的改善程度与道路行驶工况特征有很大关系。3.4根据发动机的转速和驱动模式认知混合动力系统图11为XL2000HEV动力总成系统在测功机台架上的动态试验结果。通过操作钥匙、油门踏板、制动踏板、离合器、档位等传感器信号,以此来模拟驾驶操作过程。图中结果依次为加速踏板位置变化、模式变化、节气门开度变化、发动机转速、电机力矩和电池电流。从图中可以看到混合动力系统经过了自检到启动、怠速、驱动等一连串的模式切换。从自检进入启动模式后,电机以100N·m的力矩拖动发动机运转,当发动机转速达到800r/min时,启动喷油器,发动机转速以更大的加速度上升;当转速超过1000r/min时,电机力矩开始线性减少直至撤出为零。此时发动机完成启动进入怠速模式,随着加速踏板位置的增加,系统从怠速进入驱动模式。在驱动模式的初期加速踏板位置较小,此时发动机提供额外的力矩作为电机的负力矩给电池充电。随着加速踏板位置的加大,电机充电过程逐渐减小,当加速踏板位置大于60%时,电机开始提供正力矩与发动机共同驱动,此时发动机则以满负荷工作,整个过程中电机力矩和转速变化平滑。4仿真设计和结果(1)本文针对正在开发的XL2000轻度混合动力轿车动力总成控制系统,提出了一种控制模式分层决策思想,将混合动力系统复杂的控制模式决策分为驾驶模式和能量管理模式两个层次来依