汽車輔助動(dòng)力單元的模糊控制策略

汽車輔助動(dòng)力單元的模糊控制策略

增程式電動(dòng)汽車的基本控制方法有少量電動(dòng)汽車排放和油耗，通常用于城市車輛的日常交通。由于發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)整車,簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)。增程式電動(dòng)車既有電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),又彌補(bǔ)了當(dāng)前電池能量密度不足的性能缺陷,是當(dāng)前混合動(dòng)力汽車發(fā)展的主要方向之一。增程式電動(dòng)汽車的構(gòu)型圖如圖1所示。其中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?而由發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)組成的輔助動(dòng)力單元(auxiliarypowerunit,APU)的主要功能是增加電動(dòng)汽車的續(xù)行里程。APU是一個(gè)多輸入多輸出的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),它的很多變量相互耦合,其控制一直是個(gè)難點(diǎn)。如何協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)使APU根據(jù)整車功率需求快速切換工作點(diǎn)以及在定工作點(diǎn)穩(wěn)定高效地發(fā)電是增程式電動(dòng)車控制的最主要的問(wèn)題。本文中根據(jù)混合動(dòng)力汽車對(duì)APU性能的要求,提出了一種基于分段模糊控制思想的APU協(xié)調(diào)控制策略,可使APU的功率輸出具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且穩(wěn)態(tài)波動(dòng)小的特點(diǎn),并通過(guò)快速控制原型進(jìn)行整車動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了控制策略的控制效果。1apu結(jié)構(gòu)和控制策略1.1apu試驗(yàn)臺(tái)本文中所采用的APU由4行程汽油機(jī)和永磁同步電機(jī)組成。汽油機(jī)為乘用車自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī),負(fù)荷由模擬量油門踏板電壓控制。這里的永磁同步電機(jī),實(shí)際上是兼作發(fā)電和電動(dòng)兩用的集成起動(dòng)/發(fā)電機(jī);為區(qū)別于驅(qū)動(dòng)電機(jī),在APU中稱為發(fā)電機(jī)。永磁同步電機(jī)控制器中集成PI轉(zhuǎn)速控制功能,且PI控制器程序?qū)τ脩糸_(kāi)放,可以修改。采用Digatron公司的電池模擬器作為336V恒壓直流電源。APU試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。APU控制器采用dspace快速控制原型Microautobox,可方便實(shí)現(xiàn)Simulink模型仿真到臺(tái)架試驗(yàn)的應(yīng)用,且控制算法修改方便。1.2動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制根據(jù)整車需求,增程器功能樣機(jī)采用邏輯門限的控制思想,可在怠速、低功率發(fā)電和高功率發(fā)電3個(gè)模式下工作。增程器的開(kāi)啟可由整車的預(yù)熱請(qǐng)求、暖風(fēng)請(qǐng)求和SOC小于33%3個(gè)事件觸發(fā)。當(dāng)SOC大于50%且無(wú)暖風(fēng)請(qǐng)求時(shí),增程器關(guān)閉。而增程器的工作點(diǎn)則根據(jù)SOC高低而定。APU動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制的功用是對(duì)APU輸出功率做有效控制,以實(shí)現(xiàn)上層能量管理策略確定的動(dòng)力源之間的功率分配。與發(fā)動(dòng)機(jī)相比,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出具有響應(yīng)快、基速以下時(shí)精度較高的特點(diǎn),因此本文中采用電機(jī)控制轉(zhuǎn)速,根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方式進(jìn)行APU的協(xié)調(diào)控制。PI控制器具有良好的跟蹤性能和魯棒穩(wěn)定性,很適合于APU這種機(jī)電耦合的強(qiáng)非線性系統(tǒng)。因此本文中設(shè)計(jì)了如圖3所示的基于雙PI閉環(huán)的APU協(xié)調(diào)控制策略。2控制參數(shù)的選擇APU動(dòng)態(tài)控制的效果很大程度上取決于電機(jī)PI控制器參數(shù)的選定。本文中將通過(guò)建模仿真結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行PI控制參數(shù)的選定。2.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)速模型仿真在Matlab/Simulink下建立APU模型,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。模型中APU的慣量、阻力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)等參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析獲得。為得到APU慣量和阻力矩,由發(fā)電機(jī)拖動(dòng)(此時(shí)作為電動(dòng)機(jī))發(fā)動(dòng)機(jī),記錄發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù),其曲線見(jiàn)圖5。APU的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩應(yīng)有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:式中:n為轉(zhuǎn)速;Tmotor為轉(zhuǎn)矩;Tf為摩擦阻力矩;J為APU轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,即發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定Tf為一定值,根據(jù)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù),將Tf設(shè)為23N·m。為運(yùn)用批處理最小二乘法對(duì)APU慣量進(jìn)行估計(jì),將式(1)改寫為利用批處理法得到待估參數(shù)θ的最小二乘估計(jì)為其中:式中L為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。計(jì)算得到APU慣量的估計(jì)值為0.148kg·m2。為驗(yàn)證所得慣量和阻力矩的精度,將圖5中發(fā)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的發(fā)電機(jī)所接收的轉(zhuǎn)速命令作為模型中發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速命令,進(jìn)行仿真,將得到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn),轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差不大,說(shuō)明辨識(shí)參數(shù)的精度可滿足仿真需求。為獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)于控制器輸出油門電壓信號(hào)的響應(yīng),進(jìn)行定轉(zhuǎn)速下階躍油門踏板電壓信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷響應(yīng)試驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)返回的負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖7所示。分析圖7,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)可用如下函數(shù)進(jìn)行描述:2.2apu動(dòng)態(tài)切換增程式電動(dòng)汽車對(duì)APU性能要求主要包括動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)方面。動(dòng)態(tài)方面主要是APU工作點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換時(shí),應(yīng)能較為迅速地達(dá)到目標(biāo)工作點(diǎn)附近,滿足輸出功率需求,且切換過(guò)程中APU輸出功率應(yīng)平穩(wěn)變化。穩(wěn)態(tài)方面主要是APU在目標(biāo)工作點(diǎn)穩(wěn)定工作時(shí)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度較小,保證輸出電流穩(wěn)定。2.2.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系為滿足APU工作點(diǎn)切換時(shí)的動(dòng)態(tài)性能要求,以由轉(zhuǎn)速1500工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到2500r/min工作點(diǎn)的過(guò)程為例,制定期望的APU輸出電流和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線,如圖8所示。由期望轉(zhuǎn)速和期望電流,根據(jù)發(fā)電時(shí)的電功率和機(jī)械功率關(guān)系,得式中:N為APU轉(zhuǎn)速,rad/s;T為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,N·m;U為電池模擬器電壓,V;η為電機(jī)效率。設(shè)電機(jī)效率為0.92,電池模擬器電壓為336V,計(jì)算得到期望發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,結(jié)合APU角加速度與慣量,同時(shí)可計(jì)算出期望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,如圖9所示。以文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中的方法作為參考進(jìn)行仿真調(diào)試,得出發(fā)電機(jī)PI參數(shù)分別為Kp1=0.1875和Ki1=0.1172時(shí),增程器在工作點(diǎn)切換時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流均可以滿足設(shè)計(jì)需求。仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖可見(jiàn),所選PI參數(shù)可以滿足工作點(diǎn)切換時(shí)的動(dòng)態(tài)控制需求,同時(shí)也說(shuō)明本文中所建立的仿真模型可滿足開(kāi)發(fā)APU控制策略的需要。2.2.2發(fā)電機(jī)參數(shù)優(yōu)化在完成動(dòng)態(tài)控制參數(shù)選定之后發(fā)現(xiàn),當(dāng)定轉(zhuǎn)速發(fā)電時(shí),發(fā)電轉(zhuǎn)矩和電流有較大波動(dòng),輸出功率穩(wěn)定性較差。這主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和發(fā)電機(jī)PI控制參數(shù)不適合穩(wěn)態(tài)工況引起的,見(jiàn)圖11。鑒于APU瞬態(tài)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較為復(fù)雜,難以建立仿真模型進(jìn)行研究。本文中通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)電機(jī)控制參數(shù)的優(yōu)化。運(yùn)用隨機(jī)振動(dòng)理論,可以通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩之差的二階原點(diǎn)矩加權(quán)求和,作為評(píng)價(jià)APU工作穩(wěn)定程度的定量指標(biāo),即以η(n)作為性能指標(biāo),在APU定點(diǎn)發(fā)電的情況下調(diào)節(jié)PI控制參數(shù),經(jīng)試驗(yàn)得出:Kp1=0.01875和Kp2=0.0586時(shí)穩(wěn)態(tài)控制效果達(dá)到最優(yōu),見(jiàn)圖12。2.3pi參數(shù)調(diào)節(jié)模糊控制為使APU控制在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)都達(dá)到較好的效果,本文中運(yùn)用模糊控制的思想,進(jìn)行PI控制參數(shù)的調(diào)節(jié),以完成動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)之間平滑切換。以當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差ΔN為橫坐標(biāo),制定如圖13所示的PI參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊控制規(guī)則。根據(jù)動(dòng)態(tài)模式和穩(wěn)態(tài)模式的隸屬度ε1、ε2,確定當(dāng)前所用的PI參數(shù)為進(jìn)行APU的切換發(fā)電工作點(diǎn)試驗(yàn),結(jié)果如圖14所示。由圖可見(jiàn):APU工作點(diǎn)切換迅速,在45~52s之間,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)隨轉(zhuǎn)速向目標(biāo)轉(zhuǎn)速的貼近逐漸減小,APU工作趨于穩(wěn)定,說(shuō)明使用模糊變參數(shù)的PI控制器可滿足APU的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作需求。3pb3d新技術(shù)響應(yīng)為驗(yàn)證APU控制策略在整車上的適用性,搭建通過(guò)擋位、鑰匙和踏板控制的整車動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn),臺(tái)架各總成主要參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程中電池SOC、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩如圖15~圖17所示。0到720s時(shí),電池SOC大于33%,車輛以純電動(dòng)模式行駛。在400到500s兩次打開(kāi)暖風(fēng)請(qǐng)求開(kāi)關(guān)測(cè)試APU響應(yīng)。720s時(shí)電池SOC降到33%,發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低于20℃,APU啟動(dòng)到怠速暖機(jī),如圖18所示。792s時(shí)電池SOC降到30%以下,APU切換到2600r/min、56N·m工作點(diǎn)1,以16kW恒功率發(fā)電,如圖19所示。此時(shí)發(fā)電功率不能滿足整車驅(qū)動(dòng)需求,SOC繼續(xù)降低。928s時(shí)電池SOC降到28%以下,APU切換到3500r/min、62N·m工作點(diǎn)2,以22kW恒功率發(fā)電,如圖20和圖21所示。1623s時(shí)電池SOC達(dá)到50%,APU停機(jī),重新進(jìn)到純電動(dòng)模式,如圖22所示。試驗(yàn)證明,本文中所設(shè)計(jì)的控制策略可以很好地完成APU各工況下的控制,可以滿足增程式電動(dòng)車對(duì)APU的需求。4試驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)(1)仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明,本文中搭建的仿真模型可以較好地滿足APU策略開(kāi)發(fā)的需求。(2)本文中設(shè)計(jì)的控制方式結(jié)合模糊變PI參數(shù)控制算法可以使APU功率輸出在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)控制上都具有良好的效果。(3)試驗(yàn)驗(yàn)證了基于本文的控制思想所設(shè)計(jì)的APU控制策略可較好地滿足增程式電動(dòng)車的需求,達(dá)到了APU動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定點(diǎn)工作穩(wěn)的控制目標(biāo)。式中Δt為采樣間隔時(shí)間。將(T