汽车辅助动力单元的模糊控制策略

汽车辅助动力单元的模糊控制策略

增程式电动汽车的基本控制方法有少量电动汽车排放和油耗，通常用于城市车辆的日常交通。由于发动机不直接驱动整车,简化了传动系统。增程式电动车既有电动汽车结构简单的特点,又弥补了当前电池能量密度不足的性能缺陷,是当前混合动力汽车发展的主要方向之一。增程式电动汽车的构型图如图1所示。其中,驱动电机为电动汽车的主要动力源;而由发电机与发动机组成的辅助动力单元(auxiliarypowerunit,APU)的主要功能是增加电动汽车的续行里程。APU是一个多输入多输出的复杂机电系统,它的很多变量相互耦合,其控制一直是个难点。如何协调控制发动机和发电机使APU根据整车功率需求快速切换工作点以及在定工作点稳定高效地发电是增程式电动车控制的最主要的问题。本文中根据混合动力汽车对APU性能的要求,提出了一种基于分段模糊控制思想的APU协调控制策略,可使APU的功率输出具有动态响应快且稳态波动小的特点,并通过快速控制原型进行整车动力系统台架试验,验证了控制策略的控制效果。1apu结构和控制策略1.1apu试验台本文中所采用的APU由4行程汽油机和永磁同步电机组成。汽油机为乘用车自然吸气发动机,负荷由模拟量油门踏板电压控制。这里的永磁同步电机,实际上是兼作发电和电动两用的集成起动/发电机;为区别于驱动电机,在APU中称为发电机。永磁同步电机控制器中集成PI转速控制功能,且PI控制器程序对用户开放,可以修改。采用Digatron公司的电池模拟器作为336V恒压直流电源。APU试验台架结构如图2所示。APU控制器采用dspace快速控制原型Microautobox,可方便实现Simulink模型仿真到台架试验的应用,且控制算法修改方便。1.2动态协调控制根据整车需求,增程器功能样机采用逻辑门限的控制思想,可在怠速、低功率发电和高功率发电3个模式下工作。增程器的开启可由整车的预热请求、暖风请求和SOC小于33%3个事件触发。当SOC大于50%且无暖风请求时,增程器关闭。而增程器的工作点则根据SOC高低而定。APU动态协调控制的功用是对APU输出功率做有效控制,以实现上层能量管理策略确定的动力源之间的功率分配。与发动机相比,永磁同步电机的转矩输出具有响应快、基速以下时精度较高的特点,因此本文中采用电机控制转速,根据电机当前转矩进行反馈控制发动机转矩的方式进行APU的协调控制。PI控制器具有良好的跟踪性能和鲁棒稳定性,很适合于APU这种机电耦合的强非线性系统。因此本文中设计了如图3所示的基于双PI闭环的APU协调控制策略。2控制参数的选择APU动态控制的效果很大程度上取决于电机PI控制器参数的选定。本文中将通过建模仿真结合试验进行PI控制参数的选定。2.1发电机转速/转速模型仿真在Matlab/Simulink下建立APU模型,其结构如图4所示。模型中APU的惯量、阻力矩和发动机转矩响应等参数数据通过台架试验数据分析获得。为得到APU惯量和阻力矩,由发电机拖动(此时作为电动机)发动机,记录发电机转速转矩数据,其曲线见图5。APU的转速与转矩应有如下对应关系:式中:n为转速;Tmotor为转矩;Tf为摩擦阻力矩;J为APU转动惯量,即发动机与发电机的转动惯量之和。为简化计算,假定Tf为一定值,根据转速稳定时发电机转矩数据,将Tf设为23N·m。为运用批处理最小二乘法对APU惯量进行估计,将式(1)改写为利用批处理法得到待估参数θ的最小二乘估计为其中:式中L为数据长度。计算得到APU惯量的估计值为0.148kg·m2。为验证所得惯量和阻力矩的精度,将图5中发电机拖动发动机转动时的发电机所接收的转速命令作为模型中发电机的输入转速命令,进行仿真,将得到的发电机转速/转矩仿真结果与试验结果进行对比,结果见图6。由图可见,转速/转矩的仿真结果与试验结果相差不大,说明辨识参数的精度可满足仿真需求。为获得发动机输出转矩对于控制器输出油门电压信号的响应,进行定转速下阶跃油门踏板电压信号的发动机负荷响应试验,发动机返回的负荷响应曲线如图7所示。分析图7,发动机转矩响应可用如下函数进行描述:2.2apu动态切换增程式电动汽车对APU性能要求主要包括动态和稳态两个方面。动态方面主要是APU工作点进行动态切换时,应能较为迅速地达到目标工作点附近,满足输出功率需求,且切换过程中APU输出功率应平稳变化。稳态方面主要是APU在目标工作点稳定工作时转速转矩波动幅度较小,保证输出电流稳定。2.2.1发电机转速、转速和功率的关系为满足APU工作点切换时的动态性能要求,以由转速1500工作点调节到2500r/min工作点的过程为例,制定期望的APU输出电流和转速随时间的变化曲线,如图8所示。由期望转速和期望电流,根据发电时的电功率和机械功率关系,得式中:N为APU转速,rad/s;T为发电机转矩,N·m;U为电池模拟器电压,V;η为电机效率。设电机效率为0.92,电池模拟器电压为336V,计算得到期望发电机转矩,结合APU角加速度与惯量,同时可计算出期望发动机转矩,如图9所示。以文献和文献中的方法作为参考进行仿真调试,得出发电机PI参数分别为Kp1=0.1875和Ki1=0.1172时,增程器在工作点切换时的转速、转矩和电流均可以满足设计需求。仿真和试验结果如图10所示。由图可见,所选PI参数可以满足工作点切换时的动态控制需求,同时也说明本文中所建立的仿真模型可满足开发APU控制策略的需要。2.2.2发电机参数优化在完成动态控制参数选定之后发现,当定转速发电时,发电转矩和电流有较大波动,输出功率稳定性较差。这主要是由于发动机本身转矩波动和发电机PI控制参数不适合稳态工况引起的,见图11。鉴于APU瞬态转速转矩的波动较为复杂,难以建立仿真模型进行研究。本文中通过台架试验进行发电机控制参数的优化。运用随机振动理论,可以通过对发电机转速转矩与目标转速转矩之差的二阶原点矩加权求和,作为评价APU工作稳定程度的定量指标,即以η(n)作为性能指标,在APU定点发电的情况下调节PI控制参数,经试验得出:Kp1=0.01875和Kp2=0.0586时稳态控制效果达到最优,见图12。2.3pi参数调节模糊控制为使APU控制在动态和稳态都达到较好的效果,本文中运用模糊控制的思想,进行PI控制参数的调节,以完成动态和稳态控制参数之间平滑切换。以当前转速与目标转速之差ΔN为横坐标,制定如图13所示的PI参数调节的模糊控制规则。根据动态模式和稳态模式的隶属度ε1、ε2,确定当前所用的PI参数为进行APU的切换发电工作点试验,结果如图14所示。由图可见:APU工作点切换迅速,在45~52s之间,发电机转矩的波动随转速向目标转速的贴近逐渐减小,APU工作趋于稳定,说明使用模糊变参数的PI控制器可满足APU的动态和稳态工作需求。3pb3d新技术响应为验证APU控制策略在整车上的适用性,搭建通过挡位、钥匙和踏板控制的整车动力系统台架进行试验,台架各总成主要参数见表1。试验过程中电池SOC、电动机和发电机转速转矩如图15~图17所示。0到720s时,电池SOC大于33%,车辆以纯电动模式行驶。在400到500s两次打开暖风请求开关测试APU响应。720s时电池SOC降到33%,发动机温度低于20℃,APU启动到怠速暖机,如图18所示。792s时电池SOC降到30%以下,APU切换到2600r/min、56N·m工作点1,以16kW恒功率发电,如图19所示。此时发电功率不能满足整车驱动需求,SOC继续降低。928s时电池SOC降到28%以下,APU切换到3500r/min、62N·m工作点2,以22kW恒功率发电,如图20和图21所示。1623s时电池SOC达到50%,APU停机,重新进到纯电动模式,如图22所示。试验证明,本文中所设计的控制策略可以很好地完成APU各工况下的控制,可以满足增程式电动车对APU的需求。4试验验证了当(1)仿真与试验结果的对比表明,本文中搭建的仿真模型可以较好地满足APU策略开发的需求。(2)本文中设计的控制方式结合模糊变PI参数控制算法可以使APU功率输出在动态响应和稳态控制上都具有良好的效果。(3)试验验证了基于本文的控制思想所设计的APU控制策略可较好地满足增程式电动车的需求,达到了APU动态响应快、定点工作稳的控制目标。式中Δt为采样间隔时间。将(T