基于dSPACE并联式混合动力汽车能量管理策略的研究

杜常清，徐懂懂

（武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070）

混合动力汽车既可以改善燃油经济性，还可以降低排放，被认为是近期最有希望替代传统汽车的方案。由于能量分配管理策略从根本上决定了混合动力电汽车整体性能的优劣，按照形式工况需求，实时、合理、最优地分配驱动装置（发动机与电机）动力输出成为整车控制策略的核心所在[1-2]。

目前，关于插电式混合动力汽车PHEV（plug-in hybrid electric vehicle）能量管理问题的许多研究仅仅停留在仿真阶段，仿真能够对控制策略进行初步的验证，但由于仿真过程中对实际部件做了不同程度的简化，各类信号干扰小，存在物理延迟、仿真时间与真实时间不一致等问题，导致仿真很难真实反映出控制效果，需要做进一步的实时验证。而整车试验虽然能够将真实道路信息施加在车辆上，但在样车上进行控制策略的实际测试与研究所需的成本和时间通常是不允许的，且若控制策略存在缺陷或者系统布置需要更改，其实现也相当困难。

确定规则控制策略的思想是根据发动机和电机的特性，其优点是控制策略思路清晰，算法简单，计算量小，也是第一种应用在商品化混合动力汽车的控制策略，在此采用了基于确定规则的控制策略[3-6]。结合现代控制器V字型开发流程，基于模型的设计MBD（model-based design）思想建立快速原型则能够很好地解决仿真中存在的实时性与信号真实性问题，基于快速控制原型的台架试验相对于整车试验在成本和时间上具有极大优势，且能够接受系统不同的布置形式，可以进行多类型灵活的测试、试验。最后，利用半实物仿真与控制器开发的软硬件平台dSPACE与Matlab/Simulink无缝连接，进行半实物仿真试验，研究该能量管理策略对并联式混合动力汽车的实效性和合理性，其试验结果更加接近真实。

1 能量管理策略

在混合动力汽车前向仿真结构中引进了驾驶员模型，由驾驶员—控制器—车辆—驾驶员构成闭环回路，如图1所示。前向仿真的能量流、信号传递与实际系统完全一致，其结构决定了前向仿真能够进行瞬态与非线性过程的研究。因此，在控制器以及控制策略开发过程中，常使用前向仿真作为开发、测试基础。

图1 前向仿真中整车控制器结构Fig.1 Structure of vehicle controller in forward simulation

以电驱动自动变速器EMT（electric-drive mechanical transmission）的同轴并联混合动力汽车为研究对象，系统搭载1台四缸1.8 L汽油机，峰值转矩33 kW的永磁同步电机集成在1台四速自动变速器内，构成电驱动机械变速器系统，动力系统结构如图2所示。

图2 动力系统结构Fig.2 Power system structure

1.1 能量管理策略分析

在PHEV控制过程中，首要任务是在满足循环工况要求的前提下，降低发动机燃油消耗与排放。同时，为提高电池充放电效率并延长其使用寿命，在每次循环工况后，需使电池的荷电状态SOC（state of charge，为剩余电量与额定电量的比值）的初始与终止值保持在较小的变化范围内。另外，由于发动机作为涉及机械、流动、燃烧、传热的复杂非线性时变系统，其动态响应性和控制准确性都相对较差，而电机作为电力系统，具有敏捷的动态特性，且其控制技术也较为成熟，故在电池电量允许的情况下，应尽量采用电机带动车辆起步，以提高整车的动态反应能力。若动力电池SOC很低时，电机不再参与工作，发动机单独工作，且利用其富余转矩给电池充电；而当电池SOC很高时，此时电池不再适合回收能量，制动能量回收暂时关闭。

1.2 驱动控制策略

混合动力系统转矩分配包括以下内容：（1）总需求转矩的确定；（2）系统模式的确定；（3）在特定工作模式下2套动力系统输出转矩的确定[7]。

1.2.1 总需求转矩

车辆总需求转矩确定方式有多种，在此计算总需求转矩的方法[7]如下：

a.驱动模式下，油门踏板开度 γ∈［0，1］，nm为电机转速，Treq为需求转矩。根据nm查表得到当前转速下发动机和电机的最大输出转矩分别为Te，max，Tm，max，则驱动模式下总需求转矩为

b.制动模式下总需求转矩如式（2）所示，制动踏板行程 α∈［-1，0］，

式中：Tb，max为最大汽车制动需求转矩 （按国家规定80 km/h制动距离为50 m，加速度为-4.9 m/s2换算得到）。

驾驶员模型一般根据目标车速与实际车速做差，以所得的差值来判断速度跟随效果，通常使用PID控制器调节油门、制动踏板开度，若单纯使用比例模块调节，速度跟随效果显然不理想。使用PID调节时，参数整定是其关键，通常需要反复整定、模型仿真比较，才能得到符合需求的参数。

1.2.2 系统模式

根据系统工作模式分析，系统工作模式主要根据动力电池SOC的值（包括设定电池允许进行行车充电的SOC最大值Sc，max及电池允许放电的最小值Sc，min），系统总需求转矩Treq，当前转速下发动机最小、最大输出转矩值 Te，max和 Tm，min，车辆运行速度，等确定。

在确定发动机最大、最小工作转矩的基础上适当扩大模式切换范围，即由单一的某一数值转变为以Te，max，Te，min为中心的一小段区间，从而避免需求转矩小范围波动导致的系统工作模式来回切换，保证系统正常、稳定运行。使用上一时刻的系统工作模式作为反馈信号，当系统引入反馈信号时，会出现输出量直接赋值给输入量的情况，从而产生代数环。为避免仿真过程中代数环的出现，在仿真模型中添加Memory模块。系统模式确定逻辑（针对Sc>Sc，min）见表1。

表1 驱动模式下模式变化逻辑Tab.1 Mode change logic in drive mode

在离线仿真时，尝试使用不同的上下界限，经过比较发现a=b=c=d=5时具有较好的仿真效果。

除了正常驱动模式，还需要考虑其他几种特殊模式：当Sc

表2 特殊模式变化逻辑Tab.2 Special mode change logic

1.2.3 转矩分配策略

为了转矩分配分析更加清晰，在此忽略传动系统中的能量损失，其效率记为100%。表3为相关控制量的定义及其含义。

表3 控制量的定义及其含义Tab.3 Definition and meaning of control quantity

转矩分配规则如下：

①系统处于纯电动模式，即hevmod=1，且motmod=1，此时电机提供车辆的需求转矩为

若motmod=-1，此时车辆有制动需求，系统处于制动能量回收状态，若 abs（Treq）

若 motmod=-1，且 abs（Treq）>Tm，max，此时电机以最大的负转矩输出，剩余的制动转矩由机械制动器提供，即

②系统处于发动机单独工作模式时，即hevmod=1，且motmod=0，此时发动机提供车辆的需求转矩为

当hevmod=1，且motmod=-1时，系统处于行车充电模式，此时发动机输出转矩驱动车辆且利用剩余转矩给动力电池进行充电；

若0

若 Te，min

若 Te，opt

③系统处于发动机与电机联合驱动模式时，即hevmod=3，此时发动机和电机同时提供车辆的需求转矩；

若 Treq

若 Treq≥Tm，max+Te，opt， 发动机以最大转矩输出，电机提供的额外转矩为车辆需求转矩与发动机最优转矩的差值以及电机最大转矩的较小者，即

2 仿真结果及分析

为测试控制策略在真实系统中的控制效果，搭建了EMT试验台架。台架由如下几部分构成：①EMT，负载电机及其相应的控制器、高压电池及BMS等高压系统；②dSPACE控制系统；③油泵、电磁阀、各类传感器及其低压供电系统；④联轴器、固定支架、冷却回路等物理系统。EMT台架测试系统的原理如图3所示。

图3 试验台架原理Fig.3 Schematic of test bench

从成本和惯性负载两方面考虑，在设计试验台架时，使用了另一台电机作为负载（功能与测功机类似，称为负载电机）。测功机能够在动力系统试验中，施加载荷并对所测对象进行全面综合的测试，但主流的测功机成本相对较高，许多用户没有条件接受；真实系统在换档过程中车辆虽然中断动力传递但继续依靠惯性前行，速度基本保持不变，在试验台架中如果EMT输出轴无法提供合适的转动惯量，这将与实际车辆换档过程存在较大差异。负载电机的存在为变速器输出轴提供了合适的负载，并能够模拟实际车速为换档提供条件，其成本较主流测功机大幅度降低。试验台架实物如图4所示。

图4 试验台架实物Fig.4 Test bench physical

能量管理控制策略完成计算机仿真后，将控制策略嵌入到dSPACE系统中，进行快速控制原型的试验。限于试验条件限制，输出的指令虽然无法直接传输给发动机等真实部件，但在dSPACE系统中的仿真与在Matlab中已经有本质区别。系统输入为真实的加速、制动踏板信号，车辆速度与当前档位；系统输出为发动机与电机转矩以及各类开关信号，如图5所示。

图5 能量管理控制原型Fig.5 Energy management control prototype

在此，选取加速和制动2种情况进行能量管理控制原型试验，系统历经纯电动模式、发动机单独驱动模式和联合驱动模式，其中包括制动能量回收阶段。

从电动汽车试车工作过程出发，将转矩量作为整车能量管理的落脚点，提出了基于规则的能量管理策略。图6为在加速情况下，随着加速踏板开度的不断增大，系统从纯电动模式过渡到发动机单独驱动模式最后到联合驱动模式下发动机、电机转矩及离合器状态的变化。

加速踏板开度较小系统处于纯电动模式时，发动机不工作，电机单独输出转矩驱动车辆前行，离合器分离；当转矩需求逐渐增大，系统进入发动机单独驱动模式，离合器结合，发动机输出转矩，电机停止工作；而系统有大转矩需求时，电机和发动机共同驱动车辆前行，离合器结合，系统处于联合驱动模式，且此时发动机能够按照最优转矩曲线输出。

图7为系统减速制动时进行制动能量回收时电机输出转矩与电池Sc变化曲线，电机输出的负转矩随着踏板开度的增加而增大，而电池Sc因为制动能量回收而逐渐升高，验证了所建控制系统的制动能量回收功能。

图6 加速试验不同模式下发动机、电机转矩及离合器状态的变化Fig.6 Change of engine，motor torque and clutch state under different modes in the accelerated test

图7 系统制动试验Fig.7 System braking test

3 结语

基于dSPACE平台进行并联式混合动力系统能量管理策略的研究，采用了基于规则的能量管理控制策略，重点研究了MBD思想建立快速原型解决仿真中存在的实时性与信号真实性问题；在半实物仿真与控制器开发的软硬件平台dSPACE上进行半实物仿真试验，在加速和制动两种典型情况下进行转矩分配，台架直接连接了实车的加速、制动踏板信号，针对转矩分配难以动态验证的情况，在离线仿真的基础上引入了实际部件，使得结果更加接近实际，达到了预期目标。后续将对控制策略进行优化，并在实际车辆上进行试验，通过硬件在环仿真对能量管理控制策略的有效性进行验证，并进一步优化控制参数。

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