混合动力系统发动机工况点优化的标定实现

引言

增程式混合动力系统模式切换过程的快速性、平顺性直接关能耗、排放及舒适性，对模式切换过程中的动态协调控制策略的研究及验证具有十分重要的意义。本文通过增程式混合动力系统台架试验，基于精确转矩的动态协调控制系统，研究“发动机 － 发电机”系统的快速切换性能，期望切换过程中 ＡＰＵ 系统始终处在最低油耗区，并保持发动机较小的转速和转矩超调量。试验结果证明基于动态协调控制策略的混合动力发动机变工况切换过程的响应及平顺性良好。

一、概述

当前，能源危机和环境污染两大社会问题日益受到重视。既是化石燃料的重要消耗者，也是大气污染物的重要来源。实践证明，混合动力是解决目前能量利用率低与尾气污染问题的重要途径。其中，增程式电动兼具了续驶里程足、高效低排放的特点，具有重要的研究意义。混合动力系统的辅助功率单元（ＡＰＵ）由发动机和发电机组成，其作用是给动力电池充电或直接驱动电机，从而提高续驶里程。研究ＡＰＵ控制策略，使发动机工作在最佳工况下，对提高增程式混合动力续驶里程及节能减排至关重要。混合动力的能量管理策略主要解决在多动力源之间分配需求功率以使系统具备最佳的动力性、经济性和耐久性的问题，对其进行研究十分重要。能量管理策略基本可以分为基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略两大类。基于规则的能量管理策略分为基于确定性规则和基于模糊规则两大类，基于优化的能量管理策略分为全局优化和局部优化两大类。动态过程控制的目的是解决在混合动力模式切换过程中，各转动部件之间耦合时出现的动力输出不平稳或转矩不足和超调等问题。动态过程控制的好坏直接关系到混合动力整体的动力性和舒适性。目前对动态协调控制策略的研究较少。一方面，研究主要集中于混合动力系统的稳态的能量管理策略；另一方面，目前关于动态协调控制策略的研究，主要是针对混联式混合动力和并联式混合动力系统，关于增程式混合动力系统模式切换过程的动态控制策略研究比较少。对混合动力系统进行模式切换过程中速度变化和差速器前端的动力传动的转矩变化进行了研究，虽然指出了动态协调控制的目标，但没有提出具体的动态协调控制算法；重点研究了混合动力系统的动态响应过程，将混合动力系统动态控制问题归为多变量控制问题，利用鲁棒控制方法解决。

二、混合动力系统发动机工况点优化的标定实现

（一）始工况点未超过发动机外特性

如何合理分配混合动力系统中能量回收及发电电量，即如何通过电机助力来调整发动机工况点。在单轴并联系统中，模式切换（纯电动模式到混动模式的切换）是电机助力的一种特殊情况———电机完全助力。当初始工况点未超过发动机外特性时，电机助力等效燃油消耗率计算原理如下。1）发动机初始工况点A（nSpdA，TTrqA）。电机助力后发动机工况点为D（nSpdA，TTrqD）。ΔTN=TTrqA-TTrqD式中：ΔTN———电机助力扭矩，Nm；TTrqD———调整后发动机工况点扭矩，Nm。2）基于发动机万有数据，工况点D1s内对应油耗量mDkg。3）电机助力工况点E（nSpdA，ΔTN）。WBatt_DishcagE=nSpdA×ΔTN／ηTM_MotE／ηBatt_DishcagE／9550／3600式中：WBatt_DishcagE———动力电池放电量，kWh；ηTM_MotE———E点电机电动效率；ηBatt_DishcagE———E点动力电池放电效率。4）得到初始工况点未超过外特性时，电机助力等效燃油消耗率：KMot_N=（mA-mD）×1000／WBatt_DishcagE式中：KMot_N———初始工况点未超过外特性时，电机助力等效燃油消耗率，g／kWh；mD———调整后发动机工况点油耗量，kg。5）发动机转速nSpd_ini，变化范围nmin~nmax，变化步长ΔnSpd。发动机转速nSpd_ini对应的扭矩初始值TTrq_ini，变化范围Tmin~Tmax（Tmax由此时发动机转速对应发动机外特性扭矩决定），变化步长ΔTTrq。对于所有发动机初始点，电机助力扭矩变化范围TMot_min~TMot_max（TMot_max由发动机初始点、电机、动力电池数据决定），变化步长ΔTMot。6）得到Ncount_mot_N个以发动机初始扭矩需求、电机助力扭矩为横纵坐标、以电机助力等效燃油消耗率为输出的电机助力基础MAP。Ncount_mot_N=Ncount_gen式中：Ncount_mot_N———初始工况点未超过发动机外特性时，助力等效燃油消耗率计算用转速点个数。由于在助力等效燃油消耗率计算中采用与发电等效燃油消耗率相同的转速划分方式，所以基础MAP个数相同，实际应用中可根据需求改变。7）得到优化范围内所有电机助力等效燃油消耗率KMot_N。电机助力等效燃油消耗率表示动力电池放电1kWh替代的发动机油耗KMot_Ng。KMot_N越大，对应电机助力效率越高。

（二）高速增程模式系统传动效率分析

由前面的分析可知，高速增程模式下，行星排对发动机的机械功率进行多次分流，同时在输出端对所有分流后的功率再次进行汇流，为典型的复合功率分流模式，系统比较复杂。而机械能在转化为电能的同时存在能量转化的损失，随后电能再次转化为机械能，又存在能量损失，因此，机械能转化为电能越多，二次转化所造成的整体效率越低。对复合功率分流模式下的传动效率进行研究，能够确定机械结构的合理性。

（三）加速试验

加速过程为不稳定工况，在需要不同加速强度时，混合动力系统优先由电机ＭＧ２提供较大扭矩输出，发动机输出扭矩起辅助作用。整个提速过程中，发动机输出扭矩保持在稳定的范围，发动机运行在较稳定的工作区域，以便发动机拥有良好的燃油经济性，不足的动力由电机ＭＧ２来补充，实现既有效节省燃油又不损失动力。

结语

（１）本文提出的基于转矩模型的动态协调控制策略能够保证ＡＰＵ系统在发动机工况切换时基本沿着最佳等效燃油消耗线运行。（２）工况点之间切换用时最低约为0.6ｓ，ＡＰＵ系统的最低功率变化率为29.77ｋＷ／ｓ，切换响应较迅速。（３）整个过程中发动机转速最大超调量约为150ｒ／ｍｉｎ，与最大转速之比为5.4％；转矩最大超调量约为35Ｎ·ｍ，与最大转矩之比为15.7％。整个过程中转速和转矩超调量较低。

参考文献

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