混合動(dòng)力汽車行駛模式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　混合動(dòng)力汽車也就是(PHEV)可以在電池電量耗盡后通過(guò)外接電網(wǎng)獲得能量，這就會(huì)使電池電量更加充足，純電動(dòng)續(xù)航更長(zhǎng)。為此本文提出了駕駛員選擇行駛模式的控制策略，通過(guò)駕駛員選擇行駛模式的方式將駕駛員作為控制系統(tǒng)的一部分，體現(xiàn)了人-車-路閉環(huán)控制的思想，以達(dá)到在各種行駛工況下合理分配電池電量的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整車最優(yōu)的能量管理及控制。

　　關(guān)鍵詞：PHEV,行駛模式,控制系統(tǒng)

　　目前實(shí)車上應(yīng)用的插電式混合動(dòng)力汽車控制策略研究多采用CD/CS控制策略，借助電力驅(qū)動(dòng)控制策略在電量消耗(CD)階段的應(yīng)用，為外接電網(wǎng)導(dǎo)入廉價(jià)電能提供了基礎(chǔ)條件。如果電池的SOC進(jìn)入到特定范圍，則轉(zhuǎn)入電量保持(CS)階段，從而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并控制SOC處于特定范圍。

　　對(duì)于這種控制策略而言，由于架構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際中應(yīng)用較多。不過(guò)對(duì)于這種控制策略而言，只是考慮了電池消耗的電量，并沒(méi)根據(jù)實(shí)際工況及行駛里程合理地分配電池電量，但是日常行駛中的車輛行駛工況是有較大變化的。當(dāng)前階段，國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)提出了以ITS以及GPS為基礎(chǔ)的插電式混合動(dòng)力車輛的策略，即借助3S體系，將路況信息、工況信息及剩余電量信息等，對(duì)控制策略進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電量的合理分配。

　　對(duì)于我國(guó)目前現(xiàn)狀而言，由于智能交通體系沒(méi)有建成，駕駛員是可以讀取以上信息的。將駕駛員的操作導(dǎo)入到控制策略中，就可基于路況、形勢(shì)工況及剩余電量等信息來(lái)實(shí)現(xiàn)電量的分配。本文提出了通過(guò)駕駛員進(jìn)行行駛模式選擇的方式，輔助整車控制系統(tǒng)完成行駛過(guò)程中工作模式的選擇，主要原理是基于駕駛員需求和各種工況信息來(lái)合理分配各個(gè)能量源的功率實(shí)現(xiàn)對(duì)整車能量的管理控制。以實(shí)現(xiàn)在各種行駛工況下電池電量的合理分配，完成整車最優(yōu)的能量管理及控制。

　　1行駛模式選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本文提出的控制策略提供行駛模式供駕駛員選擇，可以更加合理地分配電量、增加純電續(xù)駛里程、實(shí)現(xiàn)對(duì)不同駕駛員的駕駛需求的滿足。對(duì)于行駛模式而言，主要是指在行駛過(guò)程中，混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的能量提供方式，主要涉及純電動(dòng)模式、電量保持模式以及充電和能量再回收等，對(duì)于駕駛員而言，可基于車輛運(yùn)行信息和道路反饋信息來(lái)切換行駛模式，以便實(shí)現(xiàn)整車的最佳性能目標(biāo)。1.1控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)的具體工作原理是：在初始階段直接進(jìn)入混合動(dòng)力模式，電池電量信息、純電動(dòng)續(xù)駛里程、車輛當(dāng)前行駛工況的類型等信息會(huì)通過(guò)CAN總線由VCU收集并反饋到中控臺(tái)信息顯示屏上，駕駛員可以根據(jù)上述信息手動(dòng)選擇行駛模式。

　　在行駛中，純電動(dòng)工況不滿足續(xù)駛里程要求或者有可能進(jìn)入到交通擁堵區(qū)域時(shí)，駕駛員可以切換到純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，采用廉價(jià)清潔的電能驅(qū)動(dòng);在中高速順暢的工況下選擇混合動(dòng)力模式或充電模式，為后續(xù)行駛增加純電動(dòng)續(xù)駛里程。所以，對(duì)于以駕駛員為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，需要增加新的功能，能夠顯示道路交通信息(是否擁堵)供駕駛員參考。通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及實(shí)時(shí)計(jì)算并比照大數(shù)據(jù)可以將當(dāng)前的道路信息、行駛工況信息及車輛信息顯示在駕駛員信息顯示屏上。可以手動(dòng)切換行駛模式的功能，主要是指駕駛員可以基于采集到的相關(guān)信息來(lái)選擇充電模式或者電動(dòng)模式。

　　1.2行駛模式選擇設(shè)計(jì)行駛模式指車輛行駛過(guò)程中動(dòng)力源能量流動(dòng)方式，包括混合動(dòng)力模式、電動(dòng)模式和充電模式三種。為了達(dá)到在不同工況下電量最優(yōu)分配的目標(biāo)，整車設(shè)置默認(rèn)模式為混合動(dòng)力模式，駕駛員參考車輛及道路交通信息，在適當(dāng)?shù)那闆r下手動(dòng)選擇純電動(dòng)模式或充電模式。

　　下面分別對(duì)三種行駛模式下兩個(gè)動(dòng)力源的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

　　(1)純電動(dòng)模式：以降低行駛過(guò)程中能耗為目標(biāo)，采用電能驅(qū)動(dòng)，最大限度地發(fā)揮車輛的純電動(dòng)行駛能力，系統(tǒng)自動(dòng)協(xié)調(diào)整車狀態(tài)以增加續(xù)駛里程。當(dāng)電池SOC低于限值時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到混合動(dòng)力模式。

　　(2)混合動(dòng)力模式：車輛起步后的默認(rèn)模式，經(jīng)濟(jì)擋位下，電量高時(shí)多用電能驅(qū)動(dòng)，電量不足時(shí)需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以保持電池電量水平，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)提供主要驅(qū)動(dòng)能源;運(yùn)動(dòng)擋位下發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，增強(qiáng)整車動(dòng)力性能。

　　(3)充電模式：根據(jù)車輛和道路信息，在較順暢的工況下駕駛員可以手動(dòng)選擇充電模式，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電機(jī)組充電。以增加后續(xù)行程的純電動(dòng)續(xù)駛里程。此模式下電池SOC到達(dá)上限值后自動(dòng)切換到電量保持狀態(tài)。

　　為了分析駕駛員如何選擇行駛模式，用一段行駛工況來(lái)具體表示。在行程初始階段t0~t1車輛啟動(dòng)時(shí)整車控制策略為默認(rèn)的混合動(dòng)力模式，由于已經(jīng)完成通過(guò)外接電網(wǎng)的形式充電，電池電量為最高值，此時(shí)的混合動(dòng)力模式為電量消耗模式。

　　t1時(shí)刻起，駕駛員得知車輛行駛在車速較低的擁堵工況下，且通過(guò)中控臺(tái)信息儀表得知當(dāng)前電池電量充足，駕駛員依據(jù)上述信息手動(dòng)選擇進(jìn)入純電動(dòng)模式。此時(shí)電能作為唯一的驅(qū)動(dòng)能源，電池電量下降明顯。t2時(shí)刻的電池SOC已降到最低限值，車輛仍然行駛在擁堵工況、發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)，因此不能選擇充電模式，車輛則默認(rèn)自動(dòng)進(jìn)入混合動(dòng)力模式以維持電量平衡。當(dāng)t3時(shí)刻駕駛員目測(cè)到當(dāng)前行駛較為順暢、進(jìn)入了市郊工況，電池電量較低，駕駛員手動(dòng)選擇充電模式。為下階段的行駛做電量?jī)?chǔ)備。t4時(shí)刻根據(jù)駕駛信息反饋模塊提供的續(xù)駛里程估計(jì)值，如駕駛員判斷純電動(dòng)續(xù)航可維持到行程終點(diǎn)，此時(shí)駕駛員可以選擇純電動(dòng)模式，以電能作為唯一動(dòng)力來(lái)源，行程結(jié)束后仍可外接電網(wǎng)充電。

　　2仿真結(jié)果及分析

　　為了驗(yàn)證本文中設(shè)計(jì)的控制策略的合理性及準(zhǔn)確性。采用前向建模仿真的方法，基于Matlab/Simu-link仿真平臺(tái)搭建控制策略模型并基于Cruise仿真軟件搭建整車模型，聯(lián)合仿真，驗(yàn)證本文制定的控制策略的是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。圖8中，當(dāng)位于0～1200s區(qū)間范圍內(nèi)，原車的控制策略電池SOC下降明顯，與此階段對(duì)應(yīng)的工作模式為CD模式;超過(guò)1200s之后，如果達(dá)到電量消耗模式的電量下限后，電量區(qū)間為35%～45%之間，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，1600s后車速增加，整車需求動(dòng)力增加，在切換到聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式后，電機(jī)全程參與工作。

　　當(dāng)位于0～800s區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)下降明顯，此時(shí)會(huì)切換到電動(dòng)模式，此時(shí)唯一的動(dòng)力源來(lái)自電池;在800～1200s區(qū)間范圍內(nèi)屬于高速工況，此時(shí)會(huì)進(jìn)入到充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)為電池充電，電池SOC呈上升趨勢(shì)，1200s后工況識(shí)別結(jié)果為擁堵工況，將工作模式切換回電動(dòng)模式，電池SOC繼續(xù)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)，在1400～1600s道路交通較順暢的情況下，切換至充電模式，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)為電池充電。1600s后進(jìn)入電動(dòng)模式至行程結(jié)束，電池電量下降，發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

　　3結(jié)論

　　本文首先搭建了行駛模式選擇型控制系統(tǒng)的架構(gòu)，詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的工作原理，并采用建模聯(lián)合仿真的方式，在仿真平臺(tái)上對(duì)本文設(shè)計(jì)的控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求，達(dá)到了合理分配電池電量，提高經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

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