基于模糊控制的ISG-FHEV等效燃油消耗最小策略 付主木;刘晓真;周祥
【摘 要】针对ISG重度混合动力汽车,设计了一种基于模糊控制的等效燃油消耗最小策略,以提高发动机和电机驱动系统效率以及整车的燃油经济性.通过对整车等效燃油消耗的分析,构建了整车等效燃油消耗最小目标函数;引入模糊控制对等效因子进行调整,加强等效因子对行驶工况的适应性和对电池荷电状态的偏差控制.仿真结果表明,所设计的控制策略与常规ECMS相比,发动机效率提高8.3 %,电机驱动效率提高11.1 %,百公里耗油量降低8.4%.%In order to improve the driving efficiency of the engine and motor and the vehicle fuel economy further,an Equivalent Consumption Minimization Strategy(ECMS)based on fuzzy control is designed for a Full Hybrid Electric Vehicle assisted by an Integrated Starter Generator(ISG-FHEV). Firstly,based on the analysis of the equivalent fuel consumption of the vehicle,the equivalent fuel consumption minimization objective function is constructed. Secondly,the equivalent factor is adjusted by the introduction of fuzzy control to enhance the adaptability to the driving cycle and the deviation control of battery state of charge(SOC). The simulatio n results show that compared with the ECMS, the engine efficiency increases 8.3 %,motor driving efficiency increases 11.1 %,fuel consumption to travel 100 km decreases 8.4 %.
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2017(042)010
电影与国家形象【总页数】6页(P103-108)
【关键词】混合动力汽车;燃油经济性;等效因子;等效燃油消耗最小策略;模糊控制
【作 者】付主木;刘晓真;周祥
【作者单位】河南科技大学信息工程学院,河南 洛阳471023;河南省机器人与智能系统重点实验室,河南 洛阳471023;河南科技大学信息工程学院,河南 洛阳471023;河南科技大学电气工程学院,河南 洛阳471023
【正文语种】中 文
中日关系论文【中图分类】TP391.9
english translation
作为轻中度混合动力汽车的组合，拥有ISG电机和主电机的ISG重度混合动力汽车（Full Hybrid Electric Vehicle assisted by an Integrated Starter Generator，ISG-FHEV），同时具有轻中度结构的特性和优点，不仅为发动机提供更多的电机助力，而且在行车充电和再生制动情况下均有较高的发电效率，对于提高发动机和电机驱动系统以及整车效率有着很大的潜力［1-2］。
开发ISG-FHEV的一个关键问题是多个能量源之间的协调，能量管理的目标是在满足整车能量需求前提下尽量减少燃油消耗，同时维持电池荷电状态（State of charge，SOC）在合理范围内［3］。由于ISG-FHEV中电机驱动系统占了很大的比重，在考虑发动机燃油经济性的同时，也要考虑电机电能的经济性，并且针对能量实时最优分配，PAGANELLI G等［4］率先提出了基于等效燃油消耗最小策略（E-quivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS）的瞬时优化控制策略，考虑了油电转换效率，本质上包含了整车动力系统的效率问题，且等效燃油消耗最小策略的有效性关键在于等效因子的正确取值［5-6］。Sciarretta A［7］等针对充电和放电两种情况设计了两个随时间变化的等效因子，通
过引入一个新的参量，将两个等效因子统一为一个参量。Onori S等［8］提出一种自适应ECMS，根据电池充放电状态的反馈在线调节等效因子。Bo G等［9］在不同的行驶条件下采用驱动模式识别方法估计等效因子，并周期性更新控制参数以更精确地估计。Sezer V［10］等将电池的SOC纳入到充放电等效因子的计算中。等效因子的确定依赖于精确的数学模型，对系统误差非常敏感，而混合动力汽车与行驶工况的精确模型均比较复杂。模糊控制具有自适应性，不依赖精确的数学模型就能有效解决推理过程的非线性和不精确问题，有更大的容错性，适用于解决复杂行驶工况中混合动力汽车的快速动力学问题［11-12］。
基于此，本文针对ISG-FHEV，设计了一种基于模糊控制的等效燃油消耗最小策略，最后在MATLAB/ADVISOR环境下进行了仿真与对比分析。
伊枯草菌素本文采用发动机、ISG电机、主电机和3个离合器相结合的ISG-FHEV，其系统结构及能量流动情况如图1所示。
该系统结构中，ISG电机和发动机之间采用单轴并联式连接结构。为了保证发动机、主电机和ISG电机驱动系统的相对独立，增设了分流器总成和相应的离合器，不仅使ISG电机实
现发动机的快速启停、发电和电机助力，而且还具有单独驱动、辅助主电机驱动等功能，可以实现多种工作模式的切换。
假设离合器闭合时不发生功率损耗，由分流器总成决定3个离合器的闭合和分离，将ISG-FHEV驱动系统下的功率分流模式分为行车充电模式、发动机单独驱动模式、混合驱动模式和纯电动模式。整车需求功率由发动机和电机驱动系统共同提供。
式中，Preq为整车的需求功率，Peng为发动机输出功率，Pbat为电机驱动系统输出功率。
在混合驱动模式、纯电动驱动模式均有电机驱动系统的参与，电机驱动系统功率包括了主电机、ISG电机输出功率
式中，Pemg为主电机输出功率，Pisg为ISG电机输出功率。
此时引入一个参量α来描述主电机和ISG电机驱动之间的工作模式，定义如下
①当α=0时，Pemg=0主电机不提供动力输出，此时为ISG电机单独参与驱动；
②当0＜α＜1时，主电机和ISG电机均为汽车提供动力输出，此时为双电机驱动；
③当α=0时，Pemg=Pbat主电机提供全部的动力输出，此时为主电机单独参与驱动。
上述功率分流方式通过分流器总成来实现，通过设计相应的能量管理控制策略，实现混合动力汽车工作模式切换的同时分配该模式下的发动机、ISG电机和主电机的最优功率，从而实现整车的最佳燃油经济性。
对于电量维持型混合动力汽车而言，电池只是作为一个能量缓冲器，消耗的电池电能需要在车辆未来的行驶中由发动机多消耗一定量的燃油进行补偿，需要建立所消耗电池电能与补偿所需燃油的等效关系。首先整车等效燃油消耗量的表达式为
式中为发动机燃油消耗率，s是等效因子，是ISG电机的电能消耗率是主电机的电能消耗率。
由于ISG电机和主电机所消耗的电能均来自于电池电能，所以先将两者的等效燃油消耗量归结为所消耗电池电能的等效燃油量。
式中，QLHV为燃油低热值。
针对电池放电和充电两种情况，引入一个二值变量γ，γ等于0或1，当γ=0时是电池充电，当γ=1时是电池放电，则ISG-FHEV整车燃油消耗率的目标函数为线粒体dna
式中，schg和sdis分别为充放电等效因子，ηbat-chg和ηbat-dis分别为电池的充放电效率，ηele为电机驱动系统效率，包括ISG电机效率ηisg和主电机效率ηemg。
其约束条件为：
在约束条件下，以整车等效燃油消耗量最小值Jmin为控制目标，以电池功率Pbat为控制变量，通过目标函数求得最小等效燃油消耗量Jmin及其对应的电池功率Pbat，进而求出发动机功率，并在保证电机驱动系统的最高效率下求出变量α，从而实现工作模式的切换及每一时刻发动机、ISG电机和主电机三者间的功率最优分配。
等效因子的确定是等效燃油消耗最小策略的核心。如果等效因子s太大，在行驶中将倾向于使用燃油，导致油耗增加；反之，则倾向于使用电池电能，导致电池SOC下降过快。
首先在电池放电状态下，假设单位时间内从电池中输出的电能为Ebat-dis，电机驱动系统输出功率为Pbat-dis，则
工夫在诗外式中，ηdis为此时放电路径的整体效率。
则补偿这部分电能所消耗的燃油成本CEbat-dis为：
式中，Cchg为整个行驶工况下发动机用于补偿电能所消耗的总的燃油量，Hchg为总的充电能量。ηeng-chg（t）为发动机给电池充电的发动机效率，ηbat-chg（t）为电池充电效率，Pbat-chg（t）为电池的实际充电功率。
结合式（6）、式（9）～式（11），得到放电等效因子为
式中为发动机给电池充电时发动机的平均效率为电池的平均充电效率。
同理充电等效因子为
