基于負荷跟隨閾值變化規則的并聯混合動力汽車能量管理策略

陳致西　周金應　龍軍　張明德　高越

摘 要：針對并聯混合動力汽車的能量管理問題，提出了負載跟隨閾值改變的控制策略（LTS）。LTS控制策略基于閾值變化機制和負載跟隨方法，可以與電池電荷狀態（SOC）保持成比例的微小偏差，能夠有效確保電池持續穩定運行。本文設計LTS控制策略的閾值通過電池荷電狀態（SOC）和發動機轉速來綜合調整動力輸出方式，其能量管理的精細化程度更高。將該策略應用于混合動力汽車進行仿真測試，并與傳統的等效燃油消耗率最小化策略（ECMS）和電動輔助控制策略（EACS）進行性能對比。結果表明，在燃油經濟性方面，LTS控制策略優于EACS控制策略3.1%～10.4%，LTS控制策略優于ECMS控制策略2.5%～5.7%。在電池荷電狀態（SOC）方面，LTS控制策略可以使SOC值大于60%。

關鍵詞：混合動力汽車;負載跟隨;閾值變化;能量管理;控制策略

中圖分類號：U469.7文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0077-05

Abstract： Aiming at the energy management problem of parallel hybrid electric vehicle， a load-following threshold change control strategy （LTS） was proposed. Based on the threshold change mechanism and load following method， the LTS control strategy can maintain a small deviation proportional to the battery charge state （SOC）， which can effectively ensure the battery to run continuously and stably. In this paper， the threshold value of the LTS control strategy is designed to adjust the power output mode comprehensively through the battery state of charge （SOC） and the engine speed， and the energy management is more refined. The proposed strategy was applied to the simulation test of hybrid electric vehicle， and the performance was compared with the traditional equivalent fuel consumption minimization strategy （ECMS） and the electric assisted control strategy （EACS）.The results show that the LTS control strategy is superior to the EACS control strategy by 3.1%～10.4% in fuel economy， and the LTS control strategy is superior to the ECMS control strategy by 2.5%～5.7%.In terms of battery state of charge （SOC）， the LTS control strategy can make the SOC value greater than 60%.

Keywords： hybrid electric vehicle;load following; threshold change;energy management;control strategy

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）具有節能、低污染、技術成熟等優勢，現已成為車輛電動化轉型升級的解決方案之一[1]。與傳統的燃油汽車相比，混合動力汽車的動力系統具有多個動力源，對其動力系統進行科學合理的管理極為重要，一般是通過混合動力汽車的監控系統（SCS）來對多個動力源進行功率分配[2]。因此，對監控系統（SCS）進行深入研究，以提高車輛燃油經濟性并降低排放，具有重要的實際應用價值。

當前的監控系統（SCS）控制策略主要分為基于優化和基于規則兩種方法[3]?；趦灮目刂撇呗允峭ㄟ^求解復雜的優化問題來實現能量分配管理，典型代表有動態規劃（Dynamic Programming，DP）、等效燃油消耗最小化策略（Equivalent Consumption Minimization Strategies，ECMS）和龐德里亞金最小值原理等控制策略[4]。但是，基于優化的控制方法計算量較大，并且要完全獲知車輛行駛狀態參數，難以在實際車輛的能量管理中進行應用[5]?；谝巹t的控制策略一般是通過啟發式方法進行控制，其規則設置簡便且易于實現[6]。因此，在混合動力汽車中，一般采用基于規則的控制策略，其中以電力輔助控制策略（Electric Assisted Control Strategy，EACS）最為常見，但由于需要對很多車輛狀態參數進行標定，整個調優過程耗時較長[7]。

為了提高并聯式混合動力汽車的燃油經濟性，本文提出了一種負載跟隨閾值改變（LTS）的控制策略。由于并聯式混合動力汽車的發動機與車輪直接連接，在預定義功率閾值時，LTS控制策略設置的功率閾值綜合考慮了電池荷電狀態（State of Charge，SOC）和發動機轉速，可以使混合動力汽車能量管理精細化程度更高。為了驗證所提出方法的有效性，本文將LTS控制策略應用于混合動力汽車，設計了相關仿真試驗，并與傳統的等效燃油消耗最小化策略（ECMS）和電力輔助控制策略（EACS）進行對比。仿真結果表明，本文提出的LTS控制策略規則設置簡便，無須過多人工干預，并且具有較好的能量管理綜合性能。

1 動力系統架構和相關建模

如圖1所示，并聯式混合動力汽車具有兩個作用在單軸上的動力系統[8]。電機系統用于驅動后軸，而發動機（Internal Combustion Engine，ICE）系統則連接到前軸。由圖1可知，該車輛具有三個作用于車輛的動力源，包括齒輪箱之后的發動機功率[Peg]、變速器之后的電力輔助功率[Pmt]以及制動功率[Ph]。[Peg]始終為非負值，[Ph]始終為非正值，而[Pmt]可以取任何值，負值對應于再生制動或發動機對電池進行充電。

1.1 發動機（ICE）動力系統

發動機動力系統由以下兩部分組成。

第一，發動機。發動機設置為2 L汽油發動機，峰值功率為120 kW，峰值扭矩為300 N·m，基于發動機轉矩[Te]和發動機轉速[ωe]的工作效率如圖2所示。

式中：[mf]為燃油消耗;[QLHV]表示燃油低熱值，取44.4 MJ/kg;[ηe（Te，ωe）]為發動機效率。發動機提供的機械功率為[Pe=Teωe]。

第二，變速器。本文以6速自動變速器為例，假定機械效率[ηe=0.96]為恒定值，由此可得出：

1.2 電力輔助系統

電力輔助系統主要包括電池、DC-DC（直流-直流）轉換器、DC-AC（直流-交流）逆變器、電機和電機傳動等模塊。對其子模塊分別進行建模。

第一，電池?；旌蟿恿ζ嚨碾姵啬Ｐ驮O定使用鋰離子電池，電壓定義如下[9]：

根據電池功率[Pbl=Vbib]，可將電池平均電流[ib]求解為電池荷電狀態（SOC）和[Pbl]的函數：[ibSOC，Pbl]。電池的荷電狀態（SOC）模型描述如下：

第二，DC/DC轉換器和DC/AC逆變器。忽略DC/DC轉換器和DC/AC逆變器的高頻振蕩，并將其建模為具有恒定效率[ηdc=0.96]和[ηi=0.96]的靜態組件。由此可得：

第三，電機。采用三相永磁同步電機，峰值功率為27 kW，扭矩為200 N·m。根據相關文獻[9]可知，電機的效率[ηm]是關于電機轉矩[Tlm]和電機轉速[ωm]的函數。

第四，電機傳動系統。永磁同步電機和混合動力汽車后輪以固定齒輪方式連接，固定齒輪的效率為[ηt=0.96]?？傻萌缡剑?）所示的表達式：

1.3 車輛動力學模型

對于混合動力汽車來說，機械制動可以應用于前輪和后輪，再生制動一般只在連接了電動機的后軸上進行。此外，假設可以恢復2/3的制動功率，剩余的制動功率則由[Ph]提供。

1.4 系統集成

根據功率傳輸路線可知，混合動力汽車的功率流可由兩部分獨立動力源來表示[u=Peg，Pmt]，不同功率計算表達式如下：

2 能量管理控制策略

本節提出了一種針對并聯式混合動力汽車的啟發式控制策略。在汽車行駛過程中，負載會跟隨閾值發生改變，使能量管理更精準，有助于提高車輛的燃油經濟性。首先，簡要介紹傳統的等效燃油消耗最小化策略（ECMS）和電力輔助控制策略（EACS），然后提出本文的負載跟隨閾值改變的控制策略。

2.1 等效燃油消耗最小化策略（ECMS）

目前，等效燃油消耗最小化策略（ECMS）在許多混合動力汽車上得到了廣泛應用，其相關數學表達式為：

式中：[qeq]表示等效燃油消耗率，其計算公式如（14）所示;[Sd]和[Sc]為等效因子;[Pmtmin]和[Pmtmax]為電力系統提供的最小和最大功率;[Temax]為發動機最大扭矩。

式中：[qf=mf]為燃油消耗率。并聯混合動力汽車的等效燃油消耗最小化策略（ECMS）中，每一對[Sd，Sc]決定一個控制映射，該映射確定多個動力源之間的功率分配因數[u=Peg/Ppl]。

2.2 電力輔助控制策略（EACS）

電力輔助控制策略（EACS）是一種常見的基于規則式的控制策略，采用負載跟隨和閾值改變的方法對混合電池汽車動力系統的能量進行管理。一般主要以發動機（ICE）作為主要動力源，電力作為輔助動力源。當發動機工作效率低下或者功率需求超過發動機最大功率時，發動機與電池同時工作。當電池荷電狀態（SOC）下降到一定水平時，發動機會產生額外的能量給電池充電。電力輔助控制策略（EACS）的控制規則如圖3所示。

2.3 負載功率跟隨閾值改變策略（LTS）

LTS控制策略是基于閾值變化機制和負荷跟隨方法來設計的，可以與電池電荷狀態（SOC）保持成比例的微小偏差。首先定義功率閾值為：

功率閾值取決于電池荷電狀態（SOC）和發動機轉速（[ωe]）。式（16）中：右邊第二項是由ECMS生成的控制驅動，可以有效提高發動機的工作效率;[Pth]和[Pω]都是待確定的參數;SOCL和wL分別表示電池最小荷電狀態和發動機最小轉速。

在LTS控制策略中，當功率需求[Ppl≥Pegmin]時，將激活發動機（ICE），并利用功率負載跟隨方法以較小的偏差進行工作，如式（17）所示：

式中：[Pch≥0]且為可調參數，[SOCmid=SOCU+SOCL/2]是期望的電池荷電狀態值。

3 仿真驗證及相關分析

將功率負載跟隨閾值改變策略（LTS）、等效燃油消耗最小化策略（ECMS）以及電力輔助控制策略（EACS）與并聯式混合動力汽車模型結合，對比三種控制策略的性能。根據全球統一的輕型車輛測試程序（WLTP），在低速（WL-L）、中速（WL-M）、高速（WL-H）和超高速（WL-E）共4個不同工況下進行仿真測試，不同工況的車速分布如圖4所示。

為了評價各控制策略的燃油經濟性，對實際燃油消耗和電池充電消耗均采用統一的規則：

式中：[ΔSOC=SOCinitial-SOCfinal];[Sd，efc]和[Sc，efc]是兩個等效系數，可以根據相關文獻[9，10]中折線圖方法計算得到，其獲得的數值如表1所示。

通過最小化等效燃油消耗[mefc]可以得到三種控制策略在不同工況下的性能最優值。表2給出了不同工況下三種控制策略的燃油經濟性和最終SOC值。由表2可以看出，LTS控制策略無論是在燃油經濟性方面還是在電池運行狀態方面都具有最佳的性能表現。在燃油經濟性方面，LTS控制策略優于EACS控制策略3.1%～10.4%，LTS控制策略優于ECMS控制策略2.5%～5.7%。在電池荷電狀態（SOC）方面，LTS控制策略可以使SOC值保持在60%以上，電池運行處于較好的狀態。

圖5是不同控制策略下所產生的驅動功率情況。由于電機功率在給定發動機功率時是確定的，所以僅輸出相關的發動機功率分布情況。由圖5可知，三種控制策略都是在低功率負載情況下使用純電動模式，當驅動負載功率需求較高時，激活發動機驅動模式。對于ECMS和LTS控制策略，發動機通常提供比所需要的驅動負載更多的功率，并且超出的功率存儲在電池中以備后續使用;而EACS則不直接使用發動機為電池充電，除非電池達到SOC下限。另外，在WL-L和WL-M這兩個工況下，對于發動機的激活時間，LTS控制策略和ECMS控制策略較為相似;但在WL-H和WL-E兩種工況下，LTS會更頻繁地激活發動機模式，保證混合動力汽車具有較好的動力性能。EACS控制策略雖然采用了負載跟隨模式，但電池充電主要依靠再生制動，如果沒有足夠的再生制動來源，其就難以實現電池荷電狀態的平衡。

三種控制策略的電池荷電狀態（SOC）分布如圖6所示（WL-L工況為左上，WL-M工況為右上，WL-H工況為左下，WL-E工況為右下）。由圖6可知，除了WL-H工況外，其余三種工況下LTS控制策略和ECMS控制策略的SOC分布較為相似，這進一步證明了所提出LTS控制策略的有效性。對于EACS控制策略，由于負載跟隨機制和再生制動有限，因此無法在所有的驅動循環中實現電池荷電狀態平衡。因此，從保證電池穩定運行的角度來看，所提出的LTS控制策略具有與ECMS類似的性能，并顯著優于EACS。

4 結論

本文采用負載跟隨閾值改變的方法，設計了一種能夠兼顧汽車燃油經濟性和電池荷電狀態的能量管理控制策略。針對控制實時性的需要，采用簡化調優的方式對設計規則進行了改進。最后設計相關仿真測試，與傳統的等效消耗最小化策略（ECMS）和電動輔助控制策略（EACS）進行對比，驗證了所提出方法的有效性，得出如下結論。

①負載跟隨閾值改變控制策略（LTS）設計規則簡便高效，在燃油經濟性和電池荷電狀態平衡方面均優于電動輔助控制策略（EACS）。

②與等效燃油消耗率最小化策略（ECMS）相比，雖然LTS控制策略在燃油經濟性方面與等效消耗最小化策略（ECMS）相差不大，但易于在車輛上實現且能夠使電池保持穩定運行狀態，綜合性能優于等效消耗最小化策略（ECMS）。

③考慮到目前提出的LTS控制策略尚不能實現在多種工況下均保持有效性，在后續的工作中，將進一步對LTS控制策略進行改進，解決其在部分工況下燃油經濟性改善程度不高的問題。

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