基于规则控制的PHHV能量管理策略研究.docx

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基于规则控制的PHHV能量管理策略研究

基于规则控制的PHHV能量管理策略研究

摘要：

对并联式液压混合动力车辆（ParallelHydraulicHybridVehicle，PHHV）的模型进行搭建和分析，在美国城市测功机工况下对该模型进行仿真分析，并分析了液压泵/马达的排量和蓄能器的初始压力对PHHV燃油经济性的影响。

结果表明，PHHV比传统内燃机车辆的燃油经济性提高近20%，液压泵/马达的排量和蓄能器的初始压力对燃油经济性有决定性的影响。

关键词：

并联式液压混合动力车辆（PHHV）；液压泵/马达；燃油经济性；能量管理

中图分类号：

U469.72文献标文献标识码：

A文献标DOI:

10.3969/j.issn.2095-1469.2014.02.06研发以清洁的、具有多元化结构的、可再生的能源为动力的新能源汽车已成为当前汽车产业的主要发展方向，混合动力汽车因此应运而生。

而作为该技术分支的液压混合动力技术，在传统中、重型车辆和工程机械的动力系统节能技术改造升级中成为主要的技术手段。

混合动力汽车控制研究的控制策略主要有规则控制、模糊控制、实时最优控制等3种主要的方式[1]。

实时最优控制法对数学的要求较高，方法复杂且容易受CPU计算速度限

制，这对实时性要求较高的汽车控制系统是不利的；而对于模糊控制来说，控制的最终结果和车辆的结构形式、配置以及专家的经验丰富程度有关，控制效果无法较好地保证。

而规则控制法灵活多变，可以根据硬件条件或者自身的需要灵活变动，相对于其它两种方法来说，具有简洁方便的特点，现研究仍然较多。

本文利用Matlab中的Stateflow工具箱[2]建立控制规则，研究PHHV的燃油经济性，以及液压泵/马达参数对燃油经济性的影响。

1PHHV结构确定

1.1并联式混合动力汽车的结构混合动力汽车可以根据动力源之间的关系分为三大类：

串联、并联和混联[3]。

串联式系统能量从输出到利用必须经过能量转化环节，整体效率低[4]；并联式传动系统的结构形式与现有车辆传动系统较为相近，现有车辆通过适当改装即可配备并联式液压混合动力系统[5]。

本文着重研究PHHV的能量管理。

并联式混合动力汽车的结构如图1所示。

1.2液压泵/马达系统液压泵是一种将能量从转动轴传导到液体装置，从而增加了液体的压力。

而液压马达则正好相反：

它将存储在加压的液体中的能量转换到传动轴的能量。

液压泵/马达装置运行设计为泵或是马达。

如图2所示，加压的液体通常是存储在装有一个分离器的蓄能器中，分离器在液压流体和可压缩气

体之间。

当液压装置作为泵运行时，它将液压流体从低压蓄能器泵到高压蓄能器中；当它作为马达工作时，加压流体以相反的方向流动，驱动马达并卸压到低压蓄能器中。

1.3耦合方式在混合动力汽车中，替代能量源和内燃机之间的耦合方式多种多样，主要分为转速耦合，转矩耦合和混合耦合3种方式。

在文献[6]中详细介绍了这些耦合方式，本文选择了转矩耦合的方式。

转矩耦合方式能够充分发挥泵/马达低转速高转矩的特点，而且转矩耦合器为变速器改装而成，体积小、结构紧凑。

2PHHV分析与建模在整个车辆建模过程中，相对于其它系统部件来说，最重要的两个部件就是内燃机的建模和液压泵/马达系统的建

模。

同时整个建模过程的目的之一一一燃油经济性的计算也是整个建模中比较重要的一部分。

所以整个分析和建模过程，主要是这3个部分的分析与建模。

2.1车辆模型由于主要是分析内燃机和液压泵/马达之间的能量管理策略，所以需要忽略从车轮到耦合器之间的各种传动装置的具体细节，将各个环节用能量传递效率取而代之。

驱动车辆的能量计算公式如下。

式中，是车轮加速车辆并克服阻力、滚动摩擦和爬升力所需的能量；加速负荷Ma，既包括提高车辆的速度所需的力，又包括增加车辆旋转组件（如驱动轴和传动部件）的角速度所需的力；车辆的瞬时速度为V，其中的道路载荷RL是

。

式中，为气体阻力；fW为滚动阻力；

Wsine为爬升力；量f被称为滚动阻力系数，通常假设通过一定驱动时间其值保持不变。

2.2内燃机在该内燃机系统中，理想化了人对油门的控制因素，假定人可以按照城市道路循环（UrbanDyna-mometerDrivingSchedule，UDDS）工况的要求行驶，内燃机可以在自身性能范围之内提供所需要的转速和转矩，所以在整个建模过程中的输入参数仅有车辆运行速度V，车辆差动器传动比Nf和内燃机所需提供能量这3个量。

内燃机的循环为狄塞尔循环，所以循环热效率为

。

式中，&为压缩比；P为膨胀比；k为绝热系数。

发动机角速度计算公式

。

式中，Nf为差动传动比；Nt为齿轮比；ne为发动机转速，r/min。

从该公式也可得到发动机转速。

燃料的质量流率在上文中已经给出了。

内燃机的摩擦损失功率有非常多的经验公式[7]，本文采用的经验公式为

。

式中，cm为活塞队工作行程；ps和Vs分别为缸内燃气的密度和排量，理想情况下取ps=1000g/m3。

燃料的质量流率计算公式如下

。

式中，为发动机摩擦损耗功率；Hu为燃料的低热值；

nm为机械效率；notto为狄塞尔循环热效率。

2.3液压泵/马达

液压泵/马达的功率输出和输入能量是被泵排量和蓄能器容积两个因素限制的。

液压泵/马达功率计算公式为

。

式中，3h为液压泵/马达的转动角速度。

其中转矩计算公式为

Th=△pD。

式中，△p为液压泵/马达的蓄能器

与存储器的压力差；D为液压泵/马达每弧度的体积流量。

存储器只是用来保证一个稳定的低压，实际过程中存储器的压力远远小于蓄能器中的压力，所以有

△p=paccumulator。

式中，paccumulator为蓄能压力。

通过泵/马达的体积流

量为

Q=3hDo

需要注意的是D可正可负，符号代表的是液压泵/马达处于功率输出或是功率输入状态，负号表示功率输出状态。

同时D受到了土Dmax的限制。

液压泵/马达的性能通过能量方程与蓄能器热力学相关联，该方程联系了蓄能器内部能量随时间的变化率和工作中的气体变化。

。

在本文的研究模型中采用的是绝热模型，也可以选择其它模型，只需要在蓄能器模型中修正就可以了。

这样通过测算蓄能器中的温度和压力变化就可以得到流量Q，进而得到

转矩Th、位移D和功率等值。

3能量管理方法实现

3.1PHHV策略分析

在PHHV中，内燃机和替代能量源之间是相互独立的，所以两者之间的能量分配可以自由调节。

但是这种调节还是受到了内燃机和液压泵/马达工作最优状态的限制，如果能够以某种方式让内燃机始终工作在油耗较低的区域，则可以提高燃油经济性。

但是同时也不能忽视液压泵/马达的最大额定功率、荷电状态（StateofCharge，SOC）、使用寿命等一系列问题。

优化的主要方向是节能，即提高燃油经济性，所以可以通过油耗的万有特性曲线来对这个能量管理策略进行分析，同时寻找出液压泵/马达的一些限制条件，然后将它们转化为万有特性曲线上的转速和转矩的阈值，这样就可以完全在万有特性曲线上将能量管理方法量化。

当然也可以通过设定瞬时油耗和液压泵/马达的效率来确定两者工作状态的变化。

3.2基于规则的控制方法的具体实现基于规则的控制方法就是实现凭借理论分析和工程经验设定一系列车辆运行的工作状态，并将其工作状态进行划分[8]。

本文的策略实现过程如下。

（1）通过厂家给出的油耗万有特性曲线初步判定出内燃机工作高效区的最高转速nmax和最低转速nmin，以及转矩最低值Tmin。

若是自己搭建的发动机模型，可以参考文献[9]中的方法生成万有特性曲线。

本文中的发动机模型在文献[10]中有相关的万有特性曲线介绍，根据该万有特性曲线设定转速范围是1200〜1700r/min，转矩最低值为300N?

m。

（2）分析液压泵/马达的限制条件。

在上一步骤设定的转速和转矩范围内，当内燃机工作在最低转速值1200r/mim和最低转矩值300N?

m时，根据式（3）〜（6）可以求出此时车辆行驶速度V以及燃油体积流率。

经计算，液压泵/马达的瞬时油耗阈值26.1L/100km。

当瞬时油耗低于该值时进入液压泵/马达单独驱动状态，高于该值是两者混合输出。

同时设定了SOC的范围为0.2〜0.8，范围外的液压泵/马达的

工作效率偏低。

（3）分析液压泵/马达单独输出能量，内燃机单独输出能量，液压泵/马达和内燃机共同输出能量，液压泵/马达回收制动能量。

得到如图3所示的Stateflow控制流程图。

从图3中可以看到，存在了4种混合动力系统的工作状态。

Regen状态代表了车辆制动时回收制动能量，Eng状态

代表了内燃机单独工作状态，Pm代表了液压泵/马达单独工作状态，EngCoPm代表了内燃机和泵/马达联合工作状态。

状态之间的连线上的式子表示的是状态切换的条件。

3.3各种参数设置在该模型中，主要的部件包括内燃机、液压泵/马达、动力传动系统。

系统参数见表1〜4。

4模拟分析与结果

本试验仿真时间为400〜600s内，图4是车辆运行速度，车轮需求能量和制动累积总能量3条曲线图。

4.1传统车辆与PHHV的比较先来分析在该模拟时间内，车辆内部液压泵/马达和内燃机配合工作的状况。

图5是该策略下混合动力车辆的SOC曲线。

对比图4可以看出，当车辆速度降低，也就是处于制动状态下时，该SOC曲线是处于上升状态的，说明液压泵/马达处于回收制动能量的Regen状态，对比图4中的制动总能量也能够看出有3段能量上升过程，也就是制动过程。

从图5中还可以看出，有3段SOC保持不变的水平直线状态，这是因为液压泵/马达处于不工作状态，也就是内燃机单独工作的Eng状态下。

由以上分析得出液压泵/马达的主要工作时间在加速阶段和制动阶段。

图6是平均燃油经济性曲线，从图中非常明显地看出混合动力车辆的平均燃油经济性更高。

图7是瞬时燃油经济性曲线。

从中也可以看出在液压泵/马达工作的车辆加速的3个时间段内，混合动力车辆的燃油经济性都比传统内燃机车更高，而在其它情况下两者的燃油经济性曲线是相重合的。

这充分说明了本文的策略是正确可行的，且该策略在加速时能显著提高车辆的燃油经济性。

4.2液压泵/马达参数对油耗的影响

4.2.1排量对平均燃油经济性的影响

确定基本排量为Vp/m=2.3873X10-5m3,然后调节泵排量分别为2V、3V和4V，得到了燃油经济性的比较图。

从图8中可以分析出，初始时随着排量的增加平均燃油经济性是提高的，但是到达一定程度之后，燃油经济性是下降的。

根据式（7）和式（8）可知液压泵/马达输出功率计算公式为

。

式中，Q为液压泵/马达的体积流速。

由图9可知，燃油

消耗率的变动范围在10%以内，可以近似看成不变，且随着排量增加呈不变趋势。

分别对液压泵/马达的蓄能器压力和体积流速两者进行分析，得到图10和图11。

从图10中可以看到当排量变化时，曲线的整体形状没有变化，而是在蓄能器工作过程中压力升高时间变短，压力升高率有微弱的增大趋势。

但是需要注意的是随着排量的增加，蓄能器压力升高时间和升高率不会变化，也就是排量对蓄能器压力的影响力变差，蓄能器压力曲线近似不变。

排量增加并不会导致蓄能器压力的下降。

从图11中可以看出曲线的整体形状有所变化，排量越高曲线越陡峭，且到达的最高流速也越高。

同样随着排量的增加，体积流速曲线也将保持近似不变。

由图10和图11分析可知，随着排量的增加，混合动力车辆的燃油经济性会提高，但是当排量增加到一定程度时，排量对燃油经济性的影响很小。

从理论分析中也可以得出相似的结论。

影响液压泵/马达输出功率的主要因素是体积流速和蓄能器压力。

当排量较小时，蓄能器容易达到饱和或者排空状态，接近这种状态时的体积流速变化明显。

随着排量的增加，体积速率受到这种边界效应的影响较小，而主要是受到角速度3和每弧度体积流

量D的影响。

液压蓄能器的温度变化是不大的，始终在220〜

380K之间，也就是至多有2倍变化，这相对于蓄能器

体积变化来说微不足道。

而当排量较小时，蓄能器体积变化

较大。

根据公式

P=T/Vconst。

可知V对蓄能器压力的影响很大。

随着V的增加，V的变动较小，从而导致P的变化不明显。

4.2.2初始压力对平均燃油经济性的影响

设定基本的初始压力Ppc=125MPa，然后分别模拟在2Ppc、3Ppc、4Ppc情况下的燃油经济性状况，且在该情况下不改变基本排量的大小，排量始终为V（p/m）=2.3873X10-5m3，于是可以得到如图12所示的结果。

由结果可知，平均燃油经济性是和初始压力成正相关性的，初始压力越高，燃油经济性越好。

和分析排量对燃油经济性的影响一样，通过体积流速和蓄能器压力两者来分析产生这种情况的原因。

由图13可知燃油消耗率的变化不是很明显。

由图14可知，随着初始压力的增加，蓄能器压力曲线是呈整体上移趋势的，与初始压力成正比。

由图15可知，蓄能器初始压力对体积流速的影响较小，整个曲线近似不变。

这也和式（8）相吻合，体积流速主要受到角速度和D的影响。

从分析可知，蓄能器初始压力对燃油经济性的影响是单方面的，而且呈近似正比关系。

4.3完整模拟时间下的平均燃油经济性

当分析整个1360s的模拟过程时，设定如下的工况，

1PPC表示125MPa,1V表示2.3873X10-5m3，可以得到完整模拟时间下的平均燃油经济性数据，见表5。

从整个模拟的结果可知，400〜600s的分析结果和整个

模拟时间下的结果是相符合的。

而在该模型下的无混合动力情况下的燃油经济性为22.47L/100km，燃油经济性提高了18.92%。

5结论

通过在Matlab/Simulink平台上建立PHHV的车辆模型，并且在UDDS道路工况下进行模拟。

通过模拟试验得出在同样的道路工况下PHHV的燃油经济性比传统内燃机提高近20%。

同时，PHHV中的液压泵/马达参数对燃油经济性有影响。

决定液压泵/马达性能的参数主要包括液压蓄能器初始压力和液压泵/马达的排量，液压蓄能器初始压力增加可以提高燃油经济性，而液压泵/马达的排量增加也可以提高燃油经济性，但是当排量增加时排量对燃油经济性的影响会逐渐减弱。

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