混合动力汽车的节能控制模式设计与实现

宁大方

摘 要： 针对传统节能控制模式计算过程复杂、速度缓慢等难题，设计了新的混合动力汽车的节能控制模式。给出控制器的总体结构图，选择ATmega2560单片机组成的控制芯片，通过模拟采集信号电路获取混合动力汽车系统的输入信号，最后采用新型A?ECMS策略通过提取最优等效因子，达到混合动力汽车等效燃油最小化的目的，并对电量维持性进行分析，结果表明，该混合动力汽车的节能控制模式不仅节能控制效果显著，而且具有较高的稳定性。

关键词：混合动力； 汽车节能； 控制模式； 设计与实现

中图分类号： TN245?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0136?05

Design and implementation of energy?saving control mode for hybrid electric vehicle

NING Dafang

（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150000， China）

Abstract： Since the traditional energy?saving control mode has the problems of complicated calculation process and slow calculation speed， a new energy?saving control mode of hybrid electric vehicle is designed. The overall structure chart of the controller is given. The control chip composed of SCM ATmega2560 is selected. The input signal of the hybrid electric vehicle system is acquired through the analog signal acquisition circuit. The new?type A?ECMS strategy is adopted to extract the optimal equivalent factor to minimize the equivalent fuel oil of the hybrid electric vehicle. The electricity maintenance is analyzed. The results show that the energy?saving control mode of the hybrid electric vehicle has significant energy?saving control effect， and high stability.

Keywords： hybrid power； automobile energy saving； control mode； design and implementation

0 引 言

随着科技的发展，乘坐汽车已经是人们出行的主要方式，汽车行业的不断发展使资源短缺问题日益严重。因此，综合利用电能、燃气以及煤柴油的混合动力汽车成为相关人员研究的热点。其中混合动力汽车的发动机节能控制模式是研究的核心技术，当前各国对节能控制模式的研究尚不完善，存在控制能力低、稳定性差以及节能效果不明显等问题。为了解决这些问题，本文设计并实现了一种稳定性强、节能效果明显的混合动力汽车发动机节能控制模式。

1 混合动力汽车的节能控制器设计

1.1 控制器电路总体框图设计

控制器电路设计主要包括控制芯片选型、电源转换电路设计、模拟信号采集电路设计等。本文混合动力汽车蓄电池的组合电压是36 V，通过电源转换电路后输送给单片机完成对系统的供电。各个传感器对输入信号进行采集后，调整电路使控制芯片接收到标准信号[1]，按照控制程序的引导，利用步进电机驱动电路对步进电机的转动角度进行调整，使其能够控制导流叶片倾角以及旁通阀开度，控制器硬件电路的总体框图如图1所示。

1.2 控制芯片的选择

控制器中控制芯片的选择要满足体积小、能耗低、精度高的要求。设计硬件电路时应尽量选择性能好、能耗低的电路元器件[2]。选择模糊控制芯片时，每个模块的设计和功能划分都要考虑周全，选型流程如图2所示。

依据实际控制的状况，从功能、成本以及技术等方面进行综合评定，本文选用Atmel公司的一款AVR系列单片机。

Atmel公司研发的ATmega640/1281/2560/2561是在AVR系列的基础上加强RISC架构的低功耗8 B微控制器。其具有强大的执行力，运行速度高达1 MIPS/MHz。ATmega640/1281/2560/2561系列有60 KB/120 KB/245 KB同时读写、3 KB的E2PROM、6 KB的SRAM等优点，比51单片机的功能要强。ATmega系列部分型号的对比见表1。

本文选取的是高配置的ATmega2560单片机，其配置是6 KB的RAM，74个片内外中断触发，3个串行USART口，另外，ATmega2560采用的RISC架构设计在后续程序中可继续使用。

1.3 单片机外围电路和电源转换电路设计

ATmega2560单片机的复位电路如图3所示，为了使ATmega2560芯片能够准确地接收到Arduino IDE编写的节能控制程序[3]，创建二者的映射关系是十分必要的，从而使ATmega2560单片机的I/O和Arduino的bootloader里的I/O产生关联。endprint

MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内存在一个电容性电压发生器，其作用是当单5 V电源供电时可提供EIA/TIA?232?E1电平。单片机和RS 232需要进行通信时，因为两个电平标准不同必须采用MAX232进行电平转换[4]。混合动力汽车蓄电池的组合电压是36 V，而有些传感器、元器件以及单片机等正常的工作电压是5 V，变送器的工作电压是13.5 V。因此，要先设计出电源转换电路，使工作电压与元器件所需电压相匹配。本文运用7805和LM317T模块获取13.5 V以及5 V的工作电压。

1.4 模拟采集信号电路设计

由于未搭建废弃能量回收平台，无法回收混合动力汽车系统的输入信号，在Proteus仿真电路中，不能对输入信号进行实时采集[5]，所以，运用模拟信号采集电路完成混合动力汽车系统四个输入变量的信号采集任务。4个滑动变阻器调剂涡轮机转速[n、]发电机电流[I、]排气背压[P]以及蓄电池SOC值，该电路是模拟采集变送器传输的0～5 V电压值，模拟信号采集电路如图4所示。

2 混合动力汽车的节能控制模式的实现

完成控制器的设计后，节能控制模式采用新型A? ECMS 策略实现混合动力汽车的节能控制。首先应考虑混合动力系统瞬间最优解控制策略（ECMS策略）的限制性，说明等效燃油最小控制策略的成因和等效因子的定义及类别；再设计一种方案获取最优等效因子并分析其变化规律。

2.1 等效燃油最小控制策略

混合动力汽车在某一行驶工况下的最佳耗油值可用式（1）表示为：

[Jmin=mint=0N-1meTet，wt?Δt+mequalTmt，wt?Δt] （1）

由于式（1）获取最优解的条件必须是熟悉的行驶工况，且求解过程复杂、速度缓慢，所以很难在实际中运用，因此研究人员提出了瞬间最优解控制策略，即ECMS策略。ECMS引入等效因子[s，]将消耗的电能转换成等效燃油量[6]，再加上发动机消耗的燃油，得出瞬时的代价函数为：

[minJt，u=met，u+st?Pbt，uQl] （2）

式中：[Pbt]表示电池的功率；[Ql]表示燃油低热值；[st]表示等效因子。完成瞬时最优控制的方法是在各个时间步长内，选择使代价函数[Jt，u]最小的[u]为控制量，按需分配转矩。

等效因子是ECMS策略的重要参数，其数值的大小直接影响控制效果。等效因子分为恒定值等效因子SOC和自适应等效因子。恒定值等效因子策略是指在ECMS策略中的等效因子在汽车行驶过程中保持恒定不变。为了证明ECMS策略的最优特性，采用哈密顿函数对混合动力系统全局最优控制问题进行转化，使其成为瞬时最小化问题，等效因子的变化方程为：

[st=-st??Pbx，u，t?x] （3）

式（3）的计算过程必须满足知悉的循环工况，且庞大的计算量并不适合汽车的实际应用。自适应等效因子策略是指在汽车行驶过程中能自动调节的ECMS策略（即A?ECMS策略）。依据策略中等效因子校正方式的不同，可将A?ECMS自适应等效因子分为三类：

（1） 基于工况预测的等效因子调节方法。

（2） 基于工况识别的等效因子调节方法。

（3） 基于SOC值（SOC描述了汽车蓄电池的电荷状态）反馈的等效因子调节方法。

通过调节等效因子的状态来减弱SOC的偏移，使SOC值保持在[SOCref]左右。该种等效因子調控方法的鲁棒性较高，可得到近似最佳的控制效果，避免SOC值过度偏离。

2.2 最优等效因子的提取

最优等效因子的提取是在其有效变化区间内完成的，因此需要先明确等效因子的有效变化区间[7]。本文以恒定值等效因子的ECMS策略为仿真对象，在限定的循环工况上监测不同数值的等效因子对应的[ΔSOC]的变化规律，得出等效因子的有效变化区间。

观察图5可知，[ΔSOC]并不是单纯地随着[s0]的增大而增大，当恒定值等效因子[s0<2]或[s0>6]时，不同工况下[ΔSOC]的值都不存在显著变化；当[s0]的值在2～6这个区间时，不同工况下[ΔSOC]的值都变化显著。所以，本文确定等效因子的有效变化区间是[2，6]。

2.3 新型A?ECMS策略的设计

新型A?ECMS策略的设计主要从电量维持性进行分析，使其达到最低的能耗效果[8]。首先确定电池SOC最佳维持区间，限定SOC的工作区间是为了保证电池达到最佳的使用效果。本文把防止电池过充或过放电的工作区间称为电池SOC的基本工作区间；把能保证电池最佳使用效果的区间称为电池SOC的最佳维持区间，SOC最佳维持区间在SOC的基本工作区间范围内。在混合动力能量控制策略中一般选择电池充放电内阻小的区间为SOC的基本区间，本文通过不同循环工况上的仿真计算，得出SOC的最优工作区间是[0.6，0.8]。

为了使电池在混合动力系统中节能效果最大化，本文将SOC值控制在最佳维持区间[0.6，0.8]。等效因子的调节建立在最优等效因子的均值和SOC维持水平的关系上，依据SOC最佳维持区间的程度来调节[9]，即：

[s0=-0.017 8?SOC-1.833+2.554] （4）

当[SOC≤0.7]时，有：

[s=s0+0.6-SOC0.2?5-s0] （5）

当[SOC>0.7]时，有：

[s=s0+0.6-SOC0.2?s0-3] （6）

综上所述，设定SOC最佳维持区间的中间值0.7是临界点，当SOC<0.7时，则SOC可能接近最佳维持区间[0.6，0.8]的下限，依据SOC距离下限0.6的程度，等效因子的值向自身最大值方向靠近[9]。根据上文获取等效因子的有效区间是[2，6]，所以，如果SOC=0.6，等效因子的值在式（6）作用下会得到最大值6，以最大程度地控制电能的消耗，达到节能目的。endprint

3 实验结果与分析

通过实验检测本文设计的混合动力汽车节能控制模式的有效性，实验采用高级汽车防撞软件ADV ISOR2002，将某种类型的双轴混合动力公交客车动力模型当成整车仿真模型，电机使用40 kW三相交流感应异步电机模型，使用北京公交循环工况。设置实验中的自变量是发动机的总扭矩与转速，混合动力汽车发动机的总能耗是通过总扭矩反映的，在汽车行驶中，电子节气门的开度随着发动机转速的增大而增大，耗能量也随之增大。所以，为了达到好的节能控制效果，必须缩减发动机总扭矩与转速。而且，可通过节能控制后的两者曲线波动判断混合动力汽车发动机节能控制模式的稳定性，即波动越小稳定性越高。未采用本文节能控制模式的混合动力汽车在不同条件下，分别以2档和4档行驶2 000 m，并完成急停、起步、加速等同步操作，所得的发动机总扭矩与转速曲线图如图6，图7所示。

分析图6和图7可得，在同等条件下，未采用本文节能控制模式的混合动力汽车发动机的4档位总扭矩与发动机转速的最高值分别是70[N?m]與2 000 r/min；2档位总扭矩与发动机转速的最高值分别是68[N?m]与1 980 r/min。在200～2 000 m内，4档位总扭矩与发动机转速的平均值分别是48[N?m]与1 355 r/min；2档位总扭矩与发动机转速的平均值分别是40[N?m]与1 402 r/min。

采用本文节能控制模式的发动机总扭矩以及转速曲线图如图8，图9所示。与图6和图7进行对比可得，本文设计的混合动力汽车发动机节能控制模式不仅能够对发动机进行节能控制而且效果显著。观察图8和图9的曲线，波动明显比图6和图7平缓很多，说明本文设计的混合动力汽车发动机节能控制模式稳定性高。

实验对电机效率和高效区实施调控，进而定量检测未采用本文节能控制模式以及采用本文节能控制模式下，电机效率对实验混合动力汽车燃油经济性、排放以及电池SOC均衡的干扰，检测结果如图10，图11以及表2所示。

因为混合动力汽车对驱动电机的要求较高，需求得电机的运行区间内全速区域以及转速区域，确保各工作点的效率较大。分析图10可得，未采用本文节能控制模式的电机在中高转速以及大转矩情况下具备较大的电动效率，在低转速以及小转矩情况下具备较小的电动效率，使得混合动力汽车在纯电动、发动机驱动并发电运行模式下的效率较小，对于平均车速较小的市区行驶的混合动力汽车特别不利。

采用本文节能控制模式对图10中混合动力汽车实施节能控制，分析本文控制模式对该混合动力汽车燃油经济性能的优化效果，结果如图11所示。

分析图11和表2能够看出，本文节能控制模式提高了电机总体效率，并且扩大了电机高效区的区间，优化了电机效率和汽车燃油经济性，取得了令人满意的节能效果。

4 结 论

本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器解决了行驶工况的局限性以及计算复杂等问题，达到了节能效果明显的目的，且具有较高的稳定性，适合未来汽车行业发展的需求。

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