ISG-FHEV等效燃油消耗最小控制策略

周　祥，宋　璐，付主木，宋书中

(1.河南科技大学 电气工程学院，河南 洛阳　471023； 2.河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳　471023)



ISG-FHEV等效燃油消耗最小控制策略

周祥1，宋璐1，付主木2，宋书中2

(1.河南科技大学 电气工程学院，河南 洛阳471023； 2.河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳471023)

为了有效提高ISG重度混合动力汽车(full hybrid electric vehicle assisted by an integrated starter generator，ISG-FHEV)发动机和电机驱动系统效率以及整车的燃油经济性，设计了一种等效燃油消耗最小控制策略(equivalent consumption minimization strategy，ECMS);在分析ISG-FHEV功率分流模式的基础上，同时考虑发动机和电机驱动系统效率，构建出包含发动机和电机驱动系统的功率分配、ISG电机和主电机间的功率分配两个控制变量的整车等效燃油消耗最小目标函数;引入庞特里亚金极小值原理(pontryagin’s minimum principle，PMP)并加入电池SOC偏差控制确定等效因子;最后，进行了仿真和对比分析;结果表明，与基于规则的控制策略相比，发动机效率提高9%，ISG电机和主电机总效率提高11.4%，百公里耗油量降低9.98%。

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

0　引言

ISG(integrated starter generator)型混合动力汽车用ISG电机代替原起动机实现发动机的快速启停，同时具有辅助发电功能，ISG技术近年来已成为国内外汽车行业研究的热点[1]。

目前对ISG混合动力汽车的研究主要集中在轻中度结构上[2-3]，可实现发动机快速启动和纯电动模式，但存在发动机输出能量损失较大和没有考虑ISG电机工作效率等不足。ISG重度混合动力汽车(ISG-FHEV)采用ISG电机和主电机两个电机，提供更大功率的电机驱动系统，有效解决了上述不足，同时具有轻中度结构的优点，是极具潜力的混合动力汽车结构[4]。

国内外对于ISG-FHEV的研究主要是针对特定驱动系统设计相应的控制策略。ADHIKARI等[5]以提高发动机输出效率为目的，提出了一种复合式ISG-FHEV在线能量平衡控制策略。秦大同等[6]针对采用离合器和行星排作为动力耦合机构的重度混合动力汽车，提出离合器模糊控制和电机输出转矩对发动机转矩波动的补偿控制。上述研究方法以发动机燃油经济性为重点，对于电机电能的经济性考虑较少，这样保证机械效率最优，不能获得电效率最优。PAGANELLI等[7]率先提出了基于等效燃油消耗最小策略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，目前在混合动力汽车能量管理控制策略领域得到了普遍的认可[8-9]。林歆悠[10]等构建发动机与电池间的功率分配，采用等效燃油消耗最小控制策略进行实时优化。杨阳等[11]制定了电荷消耗型和电荷增长型两种不同的驱动方案，并以瞬时系统效率最优为目标制定了整车等效燃油消耗控制策略，使整车燃油经济性得到很大的提高。

基于此，本文针对ISG-FHEV，综合考虑发动机和电机驱动系统的效率，提出了一种新的确定油电转换等效因子的方法，设计了一种含两个变量的等效燃油消耗最小控制策略，最后在MATLAB/ADVISOR环境下进行了仿真与对比分析。

1　ISG-FHEV动力总成结构及模式分析

1.1ISG-FHEV动力总成结构

本文拟采用发动机、ISG电机、主电机和3个离合器相结合的ISG-FHEV，其系统结构如图1所示。

图1　ISG-FHEV系统结构

该混合动力汽车系统结构上将ISG电机和发动机放在一个传动输出轴上，两者之间采用单轴并联式连接结构。增设了分流器总成和相应的离合器，不仅能使ISG电机实现发动机的快速起停、发电和辅助发动机驱动，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。

1.2模式分析

上述ISG-FHEV系统结构中的分流器总成主要起到两个作用，首先是实现发动机驱动系统与电机驱动系统之间的功率分配，其次是实现ISG电机和主电机之间的电功率分配。假设离合器闭合时不发生功率损耗，则ISG-FHEV驱动系统下功率分流模式包含4种情况。

1)行车充电模式：离合器Ⅰ、Ⅱ闭合，Ⅲ分离。发动机将多余的输出功率经ISG电机、电机控制器向电池充电。其功率分流如下：

(1)

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，Pisg为ISG电机输出功率。

2)发动机单独驱动模式：离合器Ⅰ闭合，Ⅱ、Ⅲ分离。电机驱动系统不参与整车驱动。其功率分流如下：

(2)

3)混合驱动模式：离合器Ⅰ闭合，Ⅱ、Ⅲ的分离和闭合由分流器总成决定。电机驱动系统包括主电机驱动和ISG电机驱动。如果离合器Ⅲ分离，发动机与ISG电机混合驱动车辆；如果离合器Ⅱ、Ⅲ闭合，发动机、ISG电机和主电机全混合驱动；如果离合器Ⅱ分离，发动机与主电机混合驱动。其功率分流如下：

(3)

式中，Pemg为主电机输出功率。

4)纯电动模式：离合器Ⅰ分离，Ⅱ、Ⅲ的离合状态同混和驱动模式下相同，由分流器总成决定。发动机不参与整车驱动。其功率分流如下：

(4)

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。

2　等效燃油消耗最小控制策略

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。其中恒定的等效因子s只适用于特定的驱动工况，实际使用时还应根据实际工况做出相应调整，避免实际工况与预设循工况相差较大时等效燃油消耗量计算误差太大等不足。

2.1整车等效燃油消耗分析

为了实现发动机、ISG电机和主电机的功率最优分配，这里定义两个变量α和β，其中α来实现发动机驱动系统和电机驱动系统之间的模式切换，β来实现主电机驱动和ISG电机驱动之间的模式切换，定义如下

(5)

(6)

由于两个控制变量α和β均和电机驱动系统输出功率Pbat有直接关系，并且ISG电机和主电机所消耗的电能均来自于电池，两者消耗的电池电能可等效为发动机的燃油消耗。因此，为使控制简单，后文采用等效燃油消耗思想，将上述两个控制变量转化为一个控制变量。

目标函数为任意时刻的整车燃油消耗率：

(7)

(8)

(9)

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，结合发动机的高效运行曲线图，通过目标函数求得最小等效燃油消耗量Jmin及其所对应的电池功率Pbat。由式(5)可求出α，从而确定出发动机和电机驱动系统的功率分配，但通过式(6)不能直接确定β，还需要利用电机驱动系统的最高效率。其中电机驱动系统总效率为：

(10)

根据功率平衡，由式(6)得ISG电机输出的功率为：

(11)

将式(6)和(11)代入到(10)中，可求出电机驱动系统的最高效率

(12)

由上述分析可以看出，通过等效燃油消耗最小控制策略求出两个控制变量α和β的值，可以实现工作模式的切换以及每一时刻发动机、ISG电机和主电机三者之间的功率最优分配。

1) 当α<0时为行车充电模式；

2) 当α=0时为发动机单独驱动模式；

3) 当0<α<1且β=0时为发动机与ISG电机混合驱动模式；

4) 当0<α<1且0<β<1时为三者混合驱动模式；

5) 当0<α<1且β=1时为发动机与主电机混合驱动模式；

6) 当α=1且β=0时为ISG电机单独驱动模式；

7) 当α=1且0<β<1时为双电机混合驱动模式；

8) 当α=1且β=1时为主电机单独驱动模式。

2.2等效因子的确定

等效因子s将发动机燃油消耗和电池电能等效燃油消耗统一起来，它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，则汽车在行驶中将不倾向于使用电池电能，会导致油耗增加；反之，汽车行使中过于倾向使用电池电能，导致电池SOC下降过快。

最优的等效因子s每一时刻都由电池SOC决定，这里用电池动态方程表征整车系统状态变化，引入庞特里亚金极小值原理推导等效因子s。根据电池SOC的定义，电池SOC动态变化ξ(t)的表达式为：

(13)

式中,I(t)为电池中的电流，Qbat为电池容量。

引入庞特里亚金极小值原理，取式(13)的哈密顿函数为：

(14)

式中，λ为协态变量。

由于Ebat=QbatVbat，Pbat(t)=VbatI(t)，结合式(7)、(8)和(14)则推导出等效因子s和协态变量λ的关系

(15)

式中,Ebat为电池总能量，Vbat为电池电压。

这里可以由协态变量λ计算出等效因子s，而协态变量λ的最优值依赖于未来的电能需求，是未来驱动条件和电池SOC当前值的函数。根据全局优化控制策略，最优协态变量只能使用完整的行程信息获得，由于不确定的未来电能需求，只能使用局部信息得出一个估计值，这将不可避免地产生误差并导致电池SOC从它的边界限制的发散，得到的只是次优控制。所以这里定义包含电池SOC偏差惩罚在内的整车能量消耗最优成本函数为：

(16)

结合式(14)和(16)，根据哈密顿-雅克比-贝尔曼方程，最优协态变量λref是最优成本函数的偏导数，则协态变量为：

(17)

将式(17)代入(15)可得到等效因子s关于电池SOC随时间变化的表达式：

(18)

此时，等效因子s的初始值s0为：

(19)

上述惩罚函数是一个非线性函数，用来试探性地惩罚电池SOC的实际值和参考值之间的偏差，使其接近于参考值，以自适应调整等效因子s，得到理想的最小等效燃油消耗。本文采用惩罚函数后将等效因子s的表达式改写为：

(20)

惩罚函数的形状可以通过参数l1和l2进行调整，使电池SOC控制在合理的范围内，并保证电池SOC的初始值和最终值相同。

由上述分析可知，等效因子初始值s0是固定的，它对某一工况得到的燃油消耗可能是最小的；但对于变化的工况，固定的s0就无法时刻保证等效燃油消耗最小。研究表明，等效因子初始最优值sref的轨迹与SOCref一致[12]，而SOCref与汽车当前工况相关，那么引入sref就能很好地适应变化的工况。所以在此基础上，针对等效因子初始值s0，加入关于电池SOC参考值SOCref的PI控制，得到等效因子初始最优值sref的表达式：

KI∫(SOCref-SOC(t))dt

(21)

则等效因子s关于电池SOC随时间变化的表达式改写为：

(22)

此时将电池的SOC纳入到等效因子的计算中，对工况的变化的适应性更强，从而在获得良好的整车燃油经济性的同时，也能将电池的SOC值维持在良好的范围内。根据最小等效燃油消耗量Jmin得出所对应的电池功率Pbat(t)，以期实现每一时刻发动机、ISG电机和主电机三者之间的功率最优分配。

3　仿真及对比分析

本文在保证动力性的前提下，对所设计的一种基于ISG-FHEV的等效燃油消耗最小策略与基于规则的控制策略下的整车仿真模型在MATLAB/ADVISOR环境下进行了仿真及对比分析。仿真所用汽车的主要部件参数如表1所示。

表1　汽车主要部件参数

在NEDC路况下验证ISG-FHEV的发动机效率、电机效率和电池SOC变化。NEDC路况如图3所示。

图3　NEDC路况

NEDC路况下电池SOC变化曲线如图4所示。这里取电池SOC初值为0.7，从图4(a)和(b)可以看出，采用等效燃油消耗最小策略后，电池SOC最终值接近于初始值，并且保证电池SOC在小范围内变化。而采用基于规则控制策略后，电池SOC变化曲线呈波浪线快速下降趋势，电池损耗增加，不利于电池的长期使用。

图4　NEDC路况下电池SOC曲线

图5和图6分别为NEDC路况下两种控制策略的主电机和发动机的工作点。对图5(a)和(b)的比较可以看出，采用等效燃油消耗最小控制策略后，主电机输出转矩为正时，低速段效率为75%以上，高速段在85%～90%左右，主电机效率很高。而基于规则控制策略的主电机工作点大部分集中在低转矩附近，主电机的输出效率降低。从图6发动机的运行工作点可以看出，采用基于规则控制策略下的发动机工作点非常分散，许多工作点在高效运行区外，并有部分工作点在发动机最大转矩曲线上，发动机输出效率很低。而采用等效燃油消耗最小控制策略后，发动机工作在最优曲线上，发动机效率得到很大的提高。

图5　NEDC路况下主电机工作点

仿真统计结果如表2所示。由表可知，采用等效燃油消耗最小策略后，实现了电池SOC初始值和最终值相同，保证电池SOC在小范围内变化，并且其燃油经济性、发动机效率、电机效率和电池的充放电效率均有明显提高。

表2　仿真结果数据对比

图6　NEDC路况下发动机工作点

4　结论

本文通过对ISG-FHEV进行等效燃油消耗分析，设计了一种包含发动机和电机驱动系统的功率分配、ISG电机和主电机间的功率分配两个控制变量的等效燃油消耗最小策略，并进行了仿真和对比分析。结果表明，采用等效燃油消耗最小策略后，与基于规则的控制策略相比，ISG-FHEV的发动机效率提高了9%，电机总效率提高了11.4%，百公里耗油量降低了9.98%，节能效果明显。

[1] 欧阳明高. 我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J]. 汽车工程,2006,28(4): 317-321.

[2] 张晓伟,孙逢春,邢杰,等. 基于CAN总线的混合动力汽车监控系统开发[J]. 计算机测量与控制,2011,19(10): 2427-2429.

[3] 秦大同,叶心,胡明辉,等. ISG型中度混合动力汽车驱动工况控制策略优化[J]. 机械工程学报,2010,46(12): 86-92.

[4] 秦大同,隗寒冰,段志辉,等. 重度混合动力汽车油耗和排放多目标实时最优控制[J].机械工程学报,2012,48(6):83-89.

[5] Adhikari S,Halgamuge S,Watson H C. An online power-balancing strategy for a parallel hybrid electric vehicle assisted by an integrated starter generator[J]. IEEE Vehicular Technology Society,2010,59(6): 2689-2699.

[6] 秦大同,刘东阳,杜波,等.重度混合动力汽车驱动模式切换动力源转矩协调控制[J].公路交通科技,2012,29(7): 151-158.

[7] Paganelli G,Delprat S,Guerra T M,et al. Equivalent consumption minimization strategy for parallel hybrid power trains[A]. Proceedings of the 2002 Vehicle Technology Conference[C].2002：2076-2081.

[8] Jihun H,Youngjin P,Dongsuk K. Optimal adaptation of equivalent factor of equivalent consumption minimization strategy for fuel cell hybrid electric vehicles under active state inequality constraints[J]. Journal of Power Sources,2014,267(1): 491-502.

[9] Sciarretta A,Serrao L,Dewangan P C. A control benchmark on the energy management of a plug-in hybrid electric vehicle[J].Control Engineering Practice,2014(29): 287-298.

[10] 林歆悠,孙冬野. 基于ECMS混联式混合动力客车工况识别控制策略[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2012,39(10): 43-49.

[11] 杨阳,巩慧,秦大同,等. 基于效率优化的CVT重混汽车驱动控制策略[J].中国公路学报,2014,27(3): 108-115,121.

[12] Sciarretta A,Back M,Guzzella L. Optimal control of parallel hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2004,12(3): 352-363.

Equivalent Consumption Minimization Strategy for Full Hybrid Electric Vehicle Assisted by an Integrated Starter Generator

Zhou Xiang1，Song Lu1，Fu Zhumu2，Song Shuzhong2

(1.College of Electronic Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang471023,China；2.College of Information Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang471023,China)

In order to effectively improve the drive efficiency of the engine and motor and the whole vehicle fuel economy for Full hybrid electric vehicle assisted by an Integrated Starter Generator (ISG-FHEV),this paper designed an equivalent consumption minimization strategy (ECMS). Considering the engine and the motor drive system efficiency based on the analysis of ISG-FHEV power split mode,the equivalent fuel consumption minimization objective function containing two control variables which are power distribution between the engine and motor drive system and the ISG motor and the main motor was constructed. By introducing Pontryagin’s Minimum Principle (PMP) and the deviation control of battery state of charge (SOC) to determine the equivalent factor. Finally,we carried on the simulation and comparative analysis. The simulation results show that engine efficiency increases 9%,total motor efficiency is up 11.4%,fuel consumption to travel 100 km decreases 9.98% compared with the Rule-based control strategy.

hybrid electric vehicle; fuel economy; equivalent factor；equivalent consumption minimization strategy

1671-4598(2016)04-0083-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.025

TP391.9

A

2015-10-27；

2015-11-17。

国家自然科学基金资助(61473115，51375145)；河南省科技创新人才杰出青年计划资助(144100510004)；河南省高校科技创新人才支持计划资助(13HASTIT038)。

周祥(1991-)，男，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事混合动力汽车控制策略的研究。

宋书中(1961-)，男，河南济源人，博士，教授，博导，主要从事混合动力汽车控制策略的研究。