基于分層決策思想的混合動力控制策略研究

基于分層決策思想的混合動力控制策略研究

混合動力汽車控制策略眾所周知，只有在最窄的操作區(qū)域才能實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟性和排放。離最遠(yuǎn)的運營區(qū)域越遠(yuǎn)，其經(jīng)濟和排放越差。內(nèi)燃機汽車在道路行駛過程中,由于行駛工況復(fù)雜多變,內(nèi)燃機往往遠(yuǎn)離其最優(yōu)運行區(qū),導(dǎo)致整車較差的燃油經(jīng)濟性和排放性。與內(nèi)燃機汽車相比,混合動力汽車由于電機的參與而使內(nèi)燃機的運行區(qū)域顯著改善,大幅度降低整車運行油耗和排放,近年來受到越來越廣泛的重視?；旌蟿恿ζ嚨膬?yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點:1)電機提供額外力矩,可以減小內(nèi)燃機的排量和尺寸;2)電機可以作為發(fā)電機在很多情況下給電池充電,同時發(fā)動機可以運行在比較高效的區(qū)域;3)電機可以在很短的時間內(nèi)將發(fā)動機快速啟動,在怠速條件下將發(fā)動機關(guān)閉;4)在制動時電機發(fā)電回收部分慣性能量以提高能量利用率。由于混合動力汽車存在兩種以上的動力源,多種動力源之間又存在復(fù)雜的耦合模式,因此控制模式?jīng)Q策和模式之間的平滑過渡控制是一項比較復(fù)雜的工作。AnthonyMP等人提出了一種基于10模式的網(wǎng)狀決策思想策略。為了簡化復(fù)雜的混合動力模式控制,本文針對正在開發(fā)的XL2000輕度混合動力轎車,提出了一種基于分層思想的模式?jīng)Q策方法和易于實現(xiàn)的HEV能量管理和力矩分配策略。同時以AVLCRUISE和MATLAB/SIMULINK為平臺,建立了用于控制策略研究和性能分析的仿真模型。通過對整車性能的仿真,優(yōu)化了主要的控制參數(shù),并且對該控制策略進行了評估和實驗驗證。1發(fā)電機與發(fā)動機XL2000混合動力轎車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。原夏利2000的四缸1.3L汽油機(豐田8A)換成了三缸1.0L汽油機,該汽油機的飛輪被替換為一個10kW永磁電機,其既可以作為電動機也可以作為發(fā)電機使用。電機轉(zhuǎn)子和發(fā)動機曲軸直接相連,定子固定在發(fā)動機機體上。永磁電機與144V、18A·h鋰離子電池組相連。傳動系采用5檔手動變速箱。發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩為80.9N·m(3600r/min),最大功率為41kW(6000r/min);電機最大轉(zhuǎn)矩為50N·m,標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2000r/min。發(fā)動機的節(jié)氣門被改造為電控節(jié)氣門,受主控制器控制。主控制器通過控制電控節(jié)氣門開度和管理電控噴油器功率回路,實現(xiàn)對發(fā)動機的力矩控制和啟停管理。主控制器通過CAN總線與電機控制器和電池管理系統(tǒng)交換信息,通過CAN總線向電機控制器發(fā)出力矩指令,實現(xiàn)對電機力矩的控制。2層的控制模式和矩陣分布策略2.1不同駕駛模式的劃分及比較為了簡化復(fù)雜的控制模式,將所有的運行和控制模式分成兩層:駕駛模式層(DML)和能量管理層(EML),分別由駕駛模式解釋器(DMI)、模式調(diào)度器和能量管理解釋執(zhí)行器(EMI)依次逐層進行模式判斷和執(zhí)行,如圖2所示?！榜{駛模式解釋器”根據(jù)司機的駕駛操作來決定車輛的駕駛模式,其主要的判斷條件為鑰匙位置、加速踏板位置、制動踏板位置、離合器位置、檔位信號以及發(fā)動機工作狀態(tài)。根據(jù)這些判斷條件,將車輛運行分成5種駕駛模式:停車模式、啟動模式、怠速模式、驅(qū)動模式、制動能量回饋模式。針對不同的駕駛模式,“模式調(diào)度器”調(diào)用相應(yīng)的“能量管理解釋執(zhí)行器(EMI)”。EMI根據(jù)加速踏板位置、制動踏板位置、電池SOC狀態(tài)、車速以及其他信號等來決定發(fā)動機和電機之間的力矩耦合問題,同時通過能量管理算法來計算發(fā)動機和電機的力矩分配需求。在每一種控制模式中都有兩種或更多的算法來進行管理。例如,對于啟動模式,根據(jù)發(fā)動機冷卻水溫的高低,分別執(zhí)行發(fā)動機冷啟動策略或熱啟動策略;對于驅(qū)動模式,則有滑行發(fā)電算法、充電算法以及助推算法等。2.2汽車工況2:平行電機+助力電機為了使發(fā)動機運行在一個高效的區(qū)域,同時保持鋰電池的SOC值工作在一個合理的范圍,發(fā)動機和電機之間的力矩分配策略將起著決定性的作用。圖3為驅(qū)動模式采用的力矩分配策略,其中力矩分配系數(shù)為M1、M2,能量管理系數(shù)為K1、K2。根據(jù)加速踏板位置值,主控制器分別調(diào)用4種不同的力矩分配算法。當(dāng)加速踏板位置小于位置M1時,司機需求力矩為零,發(fā)動機被車輛的慣性反拖,為了彌補三缸發(fā)動機與四缸發(fā)動機摩擦力矩的差別,電機產(chǎn)生部分負(fù)力矩,車輛進行滑行發(fā)電,即滑行發(fā)電模式。當(dāng)加速踏板位置在M1和K2之間時,發(fā)動機的經(jīng)濟力矩大于司機需求力矩,主控制器使發(fā)動機工作在或接近高效區(qū)域,其多余力矩用于推動電機給電池充電,即充電模式。當(dāng)加速踏板位置在K2和M2之間時,發(fā)動機單獨驅(qū)動整車,即純發(fā)動機模式。當(dāng)加速踏板位置大于M2時,電機提供輔助力矩和發(fā)動機共同驅(qū)動整車,即助推模式。圖3中系數(shù)M1和M2決定電機是工作在充電區(qū)還是助推區(qū),同時也直接影響發(fā)動機的性能指標(biāo)和電機充電能力,稱之為力矩分配系數(shù)。K1和K2則決定電機充電力矩大小和發(fā)動機的運行區(qū)域,這兩個系數(shù)受電池的SOC值和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的制約,稱為能量管理系數(shù)。當(dāng)制動踏板踩下時,進入制動能量回饋模式?？刂破鞲鶕?jù)制動踏板位置和車速,按照特殊設(shè)計的函數(shù)關(guān)系向電機給出負(fù)力矩值,電機處于發(fā)電狀態(tài),由此產(chǎn)生制動力矩,回收整車的部分慣性能量,實現(xiàn)制動能量回饋。電機制動力矩的大小還受到電池的最大允許充電電流的限制。3模擬與結(jié)果分析3.1整車模型的建立圖4為XL2000HEV模型。該模型是基于AVLCRUISE汽車動力學(xué)仿真軟件平臺搭建的,整車各個部件均有相應(yīng)的子模型。圖中的主控制器模型實際上是與SIMULINK交換數(shù)據(jù)的接口。詳細(xì)的主控制器算法模型是在SIMULINK中編寫的。這樣車輛就可以通過該接口與SIMULINK中的主控制器進行通訊。3.2車輛能量管理模塊圖5為XL2000HEV主控制器SIMULINK模型。模型分為三部分:第一部分為輸入信號,第二部分為駕駛模式解釋器(DMI)模塊,第三部分為能量管理(EMI)模塊。模型的輸入信號來自CRUISE車輛模型中的輸出,包括鑰匙位置、加速踏板位置、制動踏板位置、離合器位置、檔位信號,車速以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。主控制器的輸出包括發(fā)動機起停指令、發(fā)動機節(jié)氣門開度和電機負(fù)載(電機力矩信號)。這些控制變量傳送到CRUISE車輛模型作為控制量的輸入。3.3ucds工況下的電機負(fù)荷平衡控制為了比較XL2000HEV與夏利2000的性能,針對三種常見的駕駛循環(huán)工況,對整車控制策略進行了仿真評價。圖6為三種循環(huán)工況圖,循環(huán)1為日本10.15工況,循環(huán)2為美國UDDS工況,循環(huán)3為UDC工況。圖7為在日本10.15工況下發(fā)動機和電機的力矩分配執(zhí)行圖。圖中顯示在整車處于大負(fù)荷時,電機提供額外的力矩和發(fā)動機共同驅(qū)動整車,同時在小負(fù)荷或是制動時電機可以作為發(fā)電機給電池充電。在循環(huán)的開始階段,初始的電池SOC值為0.7,循環(huán)結(jié)束時電池的SOC值為0.68,電池的SOC值在整個循環(huán)保持在0.6~0.7之間,這就實現(xiàn)了電池的SOC值的平衡控制。在每一個循環(huán)工況的開始,如果電池的SOC值不在一個理想的區(qū)域,控制算法將自動對電機轉(zhuǎn)矩值進行調(diào)節(jié),若SOC值過大,則會加大電機助推的力度消耗電量。若SOC值過小,則電機將會加大充電時的負(fù)力矩給電池充電。這樣能使電池保持在預(yù)定的合理區(qū)域。圖8和圖9分別為夏利2000與XL2000HEV在UDC循環(huán)工況下的發(fā)動機萬有特性區(qū)域圖。圖中很明顯,混合動力系統(tǒng)發(fā)動機的運行區(qū)域有很大的改善,發(fā)動機工作在一個經(jīng)濟性和排放性相對高效的區(qū)域。這主要是兩個原因,一是由于發(fā)動機排量的減少;二是由于混和動力系統(tǒng)中電機的介入使發(fā)動機可以工作在一個比較理想的區(qū)域。因為在混合動力中至少存在電機和發(fā)動機兩種以上的動力源,這樣發(fā)動機的油耗就不能作為評價整車經(jīng)濟性的指標(biāo),為此引入當(dāng)量油耗作為評價HEV經(jīng)濟性的指標(biāo)。當(dāng)量油耗是將電機消耗的電池電量或者充入的電量轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的油耗,其中的換算遵守了能量守恒定律。圖10為在不同的駕駛循環(huán)下XL2000HEV與夏利2000當(dāng)量油耗的比較。在日本10.15工況下,XL2000HEV的當(dāng)量油耗為5.32L/(100km),而夏利2000為6.32L/(100km);在美國UDDS工況下,XL2000HEV的當(dāng)量油耗為4.94L/(100km),而夏利2000為6.92L/(100km);而在UDC道路循環(huán)下,前者的當(dāng)量油耗為5.65L/(100km),而夏利2000為7.46L/(100km)。經(jīng)濟性改善率分別達(dá)到15.8%、28.5%和24%,經(jīng)濟性的改善程度與道路行駛工況特征有很大關(guān)系。3.4根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動模式認(rèn)知混合動力系統(tǒng)圖11為XL2000HEV動力總成系統(tǒng)在測功機臺架上的動態(tài)試驗結(jié)果。通過操作鑰匙、油門踏板、制動踏板、離合器、檔位等傳感器信號,以此來模擬駕駛操作過程。圖中結(jié)果依次為加速踏板位置變化、模式變化、節(jié)氣門開度變化、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機力矩和電池電流。從圖中可以看到混合動力系統(tǒng)經(jīng)過了自檢到啟動、怠速、驅(qū)動等一連串的模式切換。從自檢進入啟動模式后,電機以100N·m的力矩拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn),當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到800r/min時,啟動噴油器,發(fā)動機轉(zhuǎn)速以更大的加速度上升;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1000r/min時,電機力矩開始線性減少直至撤出為零。此時發(fā)動機完成啟動進入怠速模式,隨著加速踏板位置的增加,系統(tǒng)從怠速進入驅(qū)動模式。在驅(qū)動模式的初期加速踏板位置較小,此時發(fā)動機提供額外的力矩作為電機的負(fù)力矩給電池充電。隨著加速踏板位置的加大,電機充電過程逐漸減小,當(dāng)加速踏板位置大于60%時,電機開始提供正力矩與發(fā)動機共同驅(qū)動,此時發(fā)動機則以滿負(fù)荷工作,整個過程中電機力矩和轉(zhuǎn)速變化平滑。4仿真設(shè)計和結(jié)果(1)本文針對正在開發(fā)的XL2000輕度混合動力轎車動力總成控制系統(tǒng),提出了一種控制模式分層決策思想,將混合動力系統(tǒng)復(fù)雜的控制模式?jīng)Q策分為駕駛模式和能量管理模式兩個層次來依