混合动力汽车瞬时等效油耗最低控制策略*

宫唤春 徐胜云

（燕京理工学院）

瞬时等效油耗是衡量混合动力汽车燃油经济性的重要指标，由于混合动力汽车工况变化复杂，存在传动动力和电动动力等2种以上动力模式组合驱动，所以在瞬时工况下燃油消耗问题成为混合动力汽车研究的热点问题。目前关于混合动力汽车瞬时等效油耗的研究还比较少，文章利用Advisor软件建立瞬时等效油耗相关参数模型，分析优化瞬时等效油耗的控制方法。

1 瞬时等效油耗最低控制策略

瞬时等效油耗最低控制策略（ECMS）包含两层含义[1]：1）等效油耗。对于电量维持型混合动力汽车，消耗的电池电能（除再生制动回收的电能外）需要在汽车后面的行驶中消耗一定量的燃油进行补充，因此需要建立所消耗电池电能与补偿这些电能所需燃油的等效关系，将某一瞬时发动机消耗燃油与所消耗电池电能的等效燃油量归结为统一的能耗指标，作为优化控制的控制目标，是瞬时优化控制策略的核心。2）瞬时优化。根据混合动力汽车的实际运行状态，在每一控制时间内对汽车行驶需求的驱动功率在发动机和电机之间的分配进行实时优化，以使作为控制目标的等效油耗最低，从而确定动力总成的工作模式和功率分配。

混合动力汽车ECMS可以表述为[2]：

同时需满足机械和结构约束的条件：

ΔSOC——行驶工况开始和结束时电池荷电状态的变化；

Tfc（t），Tmc（t），——t步骤时，发动机、电机的输出扭矩，N·m；

Twh（t）——t步骤时，车轮处的驱动需求扭矩，N·m；

ωfc（t），ωmc（t），ωwh（t）——t步骤时，发动机、电机、车轮转速，rad/s；

SOC（t）——t步骤时，电池的SOC；

SOC（0）——电池带电状态；

ηtx——传动效率；

Δt——控制周期时间，s；

N——统计平均再生制动功率的控制周期的个数；

mmc_eq——等效油耗，g/s；

ρ——燃油密度，kg/L；

i（k（t））——瞬时工况变化率。

式（1）的解虽然不是混合动力汽车在目标行驶工况下油耗最低问题的全局最优解，但是它能够真实反映混合动力汽车的实际行驶情况和混合动力汽车能量管理控制策略技术研究的现状，可以用于对混合动力汽车实际性能的评估，也可将其研究结果或方法用于混合动力汽车的实际控制。

瞬时优化能量管理控制策略通过对每个控制周期内驾驶员需求功率在发动机和电机之间分配的局部优化，在满足驱动功率的前提下，使得该控制周期内动力总成的能量消耗（包括发动机消耗的燃油能量和电机消耗的电池电能）最小，从而在混合动力汽车行驶工况的全局上提高汽车的燃油经济性。

因此应构建能够真实反映混合动力汽车各能量源特性与使用特点的瞬时能量消耗优化目标函数，如果构建的目标函数仅包含传统驱动系统消耗的燃油能量或直接将电驱动系统消耗的电池电能与传统驱动系统消耗的燃油能量直接相加，均不能真正反映采用电量维持策略的混合动力汽车电池电量来源与使用的实际情况。其原因是混合动力汽车电驱动系统将电池电能转化为机械能的效率远高于将燃油化学能转化为机械能的传统驱动系统的效率，如果将所消耗的电池电能和燃油能量直接相加作为优化目标函数，其结果将会使能量控制策略倾向于优先使用电能，直到将电池的电能耗尽。

根据混合动力汽车电池电能使用和补偿情况，用电池电能未来补偿（即当前电池放电）和电池电能未来消耗（即当前对电池充电）2种基本工况表示电池在混合动力汽车行驶过程中的复杂工况，然后根据混合动力汽车的节能机理和各部件总成的效率特性，计算这2种基本工况下电池电能的等效油耗。

2 电池电能未来补偿

电池电能未来补偿[3]是指由于电机消耗电池电能驱动汽车行驶，造成电池SOC降低，偏离目标值，需要在汽车未来的行驶过程中通过消耗燃油对电池进行充电，以补偿所耗的电能，使电池SOC恢复到目标值。电池SOC过高或过低都会引起电池的充放电效率降低，因此要避免在电池SOC过高时进行充电和在SOC过低时继续放电。文章引入惩罚函数对电池电量的等效油耗进行修正，以调整控制策略对电能的使用倾向，使电池SOC维持在合理范围内。

惩罚函数的调整方法[4]是当电池SOC接近目标SOC时，惩罚函数的取值基本为1，即当电池SOC接近目标SOC时，基本不对电池电量的有效进行修正，以便控制策略能够按照最低等效油耗对需求功率进行分配。而且SOC惩罚函数在目标SOC附近取值的变化应该相对较为平缓，以使实际的规律分配尽可能接近最优扭矩分配；当电池SOC接近SOC工作区间的上下限值时，SOC惩罚函数的取值应该迅速加大对电池电量等效油耗的修正，以防止出现电池过充或过放，使电池SOC尽快恢复到目标SOC。

文章采用的SOC惩罚函数是由3次曲线和4次曲线函数拟合而成的S形函数，可以通过修改系数对曲线形状进行调整。

式中：DEVSOC——电池SOC相对于目标SOC的偏移量；

SOCL，SOCH——电池SOC工作区间的下上限；

KSOC——电池电量等效油耗修正系数；

a，b，c——相关修正系数。

图1示出电池SOC状态参数在混合动力汽车运行工况下的变化曲线，根据不同SOC参数分析优化瞬时等效油耗的控制策略。

3 再生制动回收能量的修正

混合动力汽车在行驶过程中会回收一部分制动能量，电机消耗电池电能驱动汽车行驶后，在未来的行驶中需要发动机消耗燃油补偿的电池电能将会小于电机驱动汽车行驶所消耗的电能，因此要对这部分再生制动回收能量对电池电能消耗与补偿关系进行修正，以真实反映混合动力汽车能量消耗与使用的实际情况。

对于汽车的某一行驶工况，再生制动能量的回收是不断变化的，很难精确地确定从电机参与驱动汽车到发动机完成电池电量补偿期间，电机通过再生制动回收的电量。因此文章对当前计算时刻的前面一段时间内再生制动功率进行统计，取该段时间内再生制动功率的平均值，对需要补偿的电机驱动功率进行修正。

再生制动功率统计时段内的平均再生制动功率表达式为[5]：

Pge_brk_i——再生制动功率统计时段内第i个控制周期的再生制动功率，kW；

Δt——控制周期时间，s；

N——统计平均再生制动功率的控制周期的个数。

4 ECMS的算法实现与验证

文章在Advisor软件下修改相应模块以实现ECMS算法，ECMS算法主要包括用于电池SOC维持的SOC惩罚函数修正模块和最优工作点计算模块。SOC惩罚函数修正模块采用查表的方式，根据当前的电池SOC值确定电池电量等效油耗修正系数。最优工作点计算模块根据汽车行驶的需求扭矩与转速、Advisor整车模型前面计算得到的当前需求转速下电机和发动机能够提供的输出或输入扭矩范围、平均预期再生制动功率和KSOC，以及通过Matlab工作空间获得的发动机和电机的效率特性数据计算获得发动机的最优输出扭矩分配，并根据扭矩平衡由电机提供剩余的扭矩。

图2示出整车行驶过程电池实际SOC的变化。从图2可知，SOC在0.65～0.70之间变化，与图1电池目标SOC的变化范围基本一致。在1 500 s以后，由于车速较低，显然对电池充电更能够提高整车能量的利用效率，主要以发动机为主驱动汽车行驶，并同时给电池充电，以使发动机工作在高效率区域。图3示出发动机燃油消耗率曲线，从图3可以看出，在电机的调整下，发动机基本工作在燃油消耗率适中的区域。

5 确定ECMS算法控制参数的取值范围

Advisor具有通过m文件控制进行批量仿真计算的功能，利用这项功能对瞬时等效油耗最低控制策略未来补偿工况和电池电能未来消耗工况的等效油耗转换系数进行正交优化试验，以确定ECMS算法中控制参数的取值范围。表1示出城市工况燃油经济性参数正交优化计算结果。

表1 城市工况燃油经济性参数正交优化计算结果 L/100 km

从表1可以看出：电池电能未来消耗工况的等效油耗转换系数（feq_chg）值越大，表示未来电能消耗越多，那么当前充电功率相应提高以备将来使用，而过多的使用电能将会使整体油耗也随之增加。同样如果电池电能未来补偿工况的等效油耗转换系数（feq_dischg）取值过高也会引起整体油耗增加。由表1中的仿真计算数据可以初步确定ECMS算法控制参数feq_chg和feq_dischg的取值范围为（0，2]。当feq_chg和feq_dischg中一个或全部为0时，ECMS算法将失去对电池电能调节的能力，因此控制参数的取值范围不应包括0点。

6 结论

文章利用Advisor软件建立了混合动力汽车瞬时等效油耗计算模型，采用正交优化算法计算得出瞬时等效油耗最低控制策略，结果表明计算结果精度较高，为混合动力汽车瞬时等效油耗的进一步研究提供了依据。文章只是在软件平台进行仿真模拟计算，还需进一步在实车上测试验证该方法的可行性。