混合动力汽车控制策略.doc

混合动力汽车控制策略介绍了混合动力汽车控制策略及控制方式陈长骏 混合动力电动汽车具有优良的经济性能和良好的排放性能，这是由于在动力总成控制器控制下，混合动力电动汽车的各部件之间的相互协调。在混合动力电动车中，控制策略是核心，它是实现整车能量管理与动力系统控制的算法，与发动机ECU、电机ECU、电池ECU、变速器控制器、各种传感器以及执行器进行通讯，经过控制决策发出控制指令从而进行合理的能量分配，使汽车运行在适应的工作模式下，以此达到高整车效率、低的排放的目的。控制策略包含两方面内容，一方面，控制策略协调整车各部件以一定的方式配合，以满足驾驶员对汽车行驶工况的基本要求；另一方面，多部件的系统组成和混合动力多驱动方式并存的特点又对控制提出了“优化”的要求。对于既定的工况要求，一般会有多种满足方式，这就需要考虑多工作模式下的控制方式、结果及影响，达到最佳的控制效果。要实现混合动力汽车低油耗低排放目标的关键是确定合理而有效的控制策略。在满足汽车的动力性和其他基本技术要求及成本等的要求前提下，针对各部件的特性、汽车的运行状况，控制策略要能够实现功率流在发动机、电机之间合理的分配，使整车效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、低排放以及平稳的驾驶性能。 综合各种控制策略思想的发展，主要有一下几种典型的控制策略1.基于规则的逻辑门限控制策略(Based on the Regular Logical Gateway Control Strategy)这类控制策略的主要思想是:根据发动机的静态效率曲线图，通过控制选定的几个变量，如整车功率需求，加速信号，电池等，并根据预先设定的规则，判断并选择混合动力系统的工作模式，使车辆运行在高效率区，提高汽车的燃油经济性。 1)电力辅助控制策略来源于数学中的平均值和方差的概念，它将整车的功率需求分为平均功率需求Pa和动态功率需求Pb两部分。传统汽车在一般工况下所需的平均功率需求一般不到发动机峰值功率的20%，这就意味着大部分情况下发动机是在低效率区工作，如果由运行在高效率区的发动机单独提供，而爬坡或加速时所需的额外动态功率由电机提供，可以大大地提高整车燃油经济性。发动机作为汽车的主驱动源，电力驱动系统作为辅助驱动源，电动机对发动机的输出转矩起“削峰填谷”的作用，同时将电池的SOC(State of Charge)值保证在一定范围内。电力辅助策略的关键是确定发动机的优化工作区域，以经济性能和荷电状态值为控制目标。控制荷电状态值在一定范围内变化的同时，选择发动机工作在高燃油经济性区域内，此区域接近发动机的高负荷率区，优化区域的确定应综合考虑电机的工作能力和电池的充放电能力，使控制结果能满足工况的能量需求。这种控制策略的控制效果比较粗糙，性能也不能达到“最优化”，另外还有一个缺点是没有考虑汽车的排放性能，缺乏体现混合动力汽车的环保特性。2)最大电池控制策略的目标是电池尽量维持在最高允许值处，发动机尽可能运行，尽可能少地使用电动驱动系统。这是由于车辆在城市工况下频繁地加速，将会导致电池快速放电，使电池下降很快，对电池的寿命影响很大。3)发动机开/关控制策略也叫恒温器控制策略，最早应用于串联式混合动力汽车。当汽车高速运行于公路上，不需要频繁加减速时，大大减少了使用电动驱动系统的概率，且此时车辆功率需求常常低于发动机满载时，发动机还有一部分的富余功率，致使电池很容易达到上限。为避免发动机低效工作，此时应关掉发动机，由电机单独驱动汽车;当电池达到设定的下限时，发动机启动，由电机单独驱动，富余的功率则用来给电池充电。基于规则的逻辑门限控制策略算法简单，容易实现，且具有很好的鲁棒性，但从理论上讲，静态的控制策略不是最优的，它不考虑工况的动态变化，而且一般只考虑燃油经济性而不考虑排放另外，当低于设定门限值时就要进行充电，没有考虑电池充放电的能量损失。2.瞬时优化控制策略(Instantaneous Optimization Control Strategy) 基于规则的逻辑门限控制策略是基于工程师的经验及静态的能耗图来制定的，由于它不考虑工况的动态变化，因此它不是最优的。为了克服这些缺点，人们又提出了一种新的控制策略:瞬时优化控制策略，也叫实时控制策略。目前提出来的瞬时控制策略主要有“等效燃油消耗最少法”和“功率损失最小法”两种，虽然这两种方法的出发点不同，但其原理是一样的，等效燃油消耗最小法的主要思想是：在某一瞬时工况，将电机消耗的电量折算成发动机提供相等能量所消耗的燃油和产生的排放，再加上制动回收的能量与发动机实际的燃油消耗和排放组成总的整车燃油消耗与排放模型，计算此模型的最小值，并选在此工况下最小值所对应的点作为当前发动机的工作点。瞬时优化控制策略可以综合考虑燃油消耗和排放，它通过一组权值来描述各自的重要性，用户可以根据自己的要求来设定这组权值，从而在燃油消耗和排放之间获得折中，如果把权值设成0就可以忽略排放。瞬时优化控制策略具有实时选择发动机、电机工作状态最优点的功能，综合考虑了经济性能和排放性能，但这种控制策略需要大量的浮点运算，计算量大，实现起来困难，成本比较高。此外，在计算过程中，需要对未来的行驶工况中由制动产生的回收能量进行预估，这就需要建立一个比较精确的预测模型，既要对典型工况进行统计分析，又要实时判断行程工况，实现起来比较困难。其中比较有代表性的一种瞬时优化控制策略是自适应(Adaptive)控制策略，它是由美国能源部(DOE)的可再生能源实验室(NREL)研究和发展的。3.全局管理控制策略(Whole Management Control Strategy)全局管理控制策略的主要思想是：在某一工况下，计算满足工况需求的发动机/电机任意扭矩组合所对应的能量消耗，求其最小值对应的发动机、电机扭矩作为优化输出。按照此方法对所有工况点进行计算，将计算结果保存并制取与汽车行驶工况相对应的最优发动机、电机扭矩MAP图，并将电机、发动机MAP存储于汽车控制器中，进行实时查询及调用。此策略是考虑到了保持电池电量平衡的问题，解决方法是通过当前SOC值与目标SOC值的差值对电机MAP进行修正。可以通过一个非线性的惩罚函数来解决这一问题，在SOC目标值附近的，补偿系数比较小，在SOC值上、下限值附近，补偿系数比较大，这样就可以增大充、放电力度，使SOC值迅速回到目标值附近。全局管理控制策略具有良好的燃油经济性能，电池电量也能保持在合理的范围内。在智取电机最优MAP图时，可以采用离线方法，减少了实时控制的计算量，因此降低了控制器对硬件的要求，有利于降低成本。但全局管理控制策略在实际实时控制中的应用还有待进一步研究，在目前研究的各种全局管理控制策略中，汽车的行程必须是已知的，但通常汽车的行程是无法预先知道的，这就限制了其应用化。目前全局管理控制策略主要用于：:(a)在标准行驶循环下，参考全局管理控制策略，对实时控制策略的效果进行评估。（b）从全局管理控制策略中派生出实用的实时控制策略。4.智能控制策略(Intelligent Control Strategy) 智能控制的基本出发点是模仿人的智能，根据复杂被控动态过程的定性信息和定量信息，进行定性定量综合集成推理决策，以实现对难以建模的复杂非线性不确定系统的有效控制。由于混合动力汽车的能量消耗模型正是这么一个系统，因此它非常适合于智能控制。目前提出的基于智能控制的并联混合动力汽车控制策略主要有3种:模糊逻辑控制策略，神经网络控制策略，遗传算法控制策略。1)模糊逻辑是经典数理逻辑与模糊数学相结合的产物。在模仿人的推理和决策方面，模糊逻辑无疑是目前最成功的技术之一，与经典逻辑相比，它更接近人的思维方式，表达上更接近自然语言的形式。模糊逻辑控制的核心是模糊控制器由4部分组成:规则库，推理机制，模糊化接口和反模糊化接口。模糊控制器将其关心的各传感器传来的精确信号转换成模糊量，根据专家制定的推理机制，应用基于控制知识与专家工程经验的规则库中的相关规则，得出模糊结论，并将其转换成精确量，作为控制指令，协调车辆各部件的能量流动，使整车的燃油经济性和排放达到最佳。模糊逻辑控制策略不需要精确的整车能量消耗的数学模型。它可以很方便的处理诸如:如果车速较高且较低而加速踏板踩下较小的角度，则发动机单独驱动，并给电池充电这样无法用精确参数表达的控制规则。它不仅可以优化发动机，同时还可以优化其他组件，如电机，电池，变速器等，实现各组件间的折中，以达到整车的燃油消耗和排放的最优。当然，模糊逻辑控制策略也有其局限性:在模糊推理过程中会增加模糊性;在整个控制过程中，各变量的论域等级是固定的，控制规律也是固定的，系统的动态特性较差，无法满足不同驾驶员意图和不同的路面环境下汽车的自动控制;对于复杂系统的模糊规则的建立还没有确定的方法可以遵循，隶属度函数的确立也需要反复进行确定;缺乏简单有效的方法对模糊逻辑系统进行稳定性的研究。2)神经网络是以对信息的分布式存储和并行处理为基础，在许多方面更接近人对信息的处理方法，有很强的逼近非线性函数的能力，它具有自组织，自学习的功能，但它采ISG轻度混合动力电动汽车控制策略的研究用的是典型的黑箱式学习模式，因此当学习完成后，神经网络所获得的输入/输出关系无法以容易被人接受的方式表达出来。3)遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法。它能够同时搜索空间的许多点，且能充分搜索，因而能够快速全局收敛。遗传算法的优化问题是对优化参数的集合进行编码，而不是对参数本身，其遗传操作均在字符串上进行。只需要评价用的适应函数，而不需要其它形式信息，这些都使得遗传算法对问题适应能力强。 控制方案而从控制方案上来看，混合动力轿车控制方案基本上分为两大类，即分布式和集成式。所谓分布式是指设置相对独立的多控制单元，同时整车主控制单元和各控制单元之间相互独立（至少在逻辑上）；集中控制是指整车主控制单元和各控制单元中的两个或者两个以上合并成为一体（同样是在逻辑上）。图1 典型分布式控制系统一般而言，目前的混合动力电动车系统普遍采用分布式控制系统方案，如图1所示。与传统的集中控制系统相比，系统结构清晰，可靠性高，易扩展，是一种全新的控制模式。华普ISG混合动力总成控制系统属于多能源动力系统总成，主要解决主控制器与发动机子系统、电机子系统、电池子系统的控制关系，各个子系统之间由CAN总线传递信息，通过主控制器协调工作才能实现混合动力系统的驱动行驶功能，从而体现混合动力系统在提高燃油经济性和排放性能方面的优势。主控制器根据驾驶员