P3并联混动架构ECMS仿真策略解析（1）

cengjili

学海无涯，回头是岸

本文我们解析Simulink案例库中的P3并联混动架构模型。模型在模型库中的位置如下图所示。



P3并联混动架构的动力总成包含：发动机、变速箱以及驱动电机。

P3并联混动架构的电机位于变速箱输出端，电机扭矩与变速箱输出扭矩耦合后输出至主减速器，经差速器传递到轮端。纯电驱动和动能回收的效率高，急加速的效果非常直接。在功能上，P3电机可实现能量回收、纯电驱动以及调节发动机的工作点。

与P0、P1和P2架构相比，P3架构的电机扭矩传递路径不经过变速箱，在纯电驱动和制动能量回收时的效率更高。但它的问题同样明显，P3电机没法实现驻车充电，你要想在户外露营吃个小烧烤，它就无能为力了。



模型包含工况、环境、驾驶员、控制器、车辆以及观测器等模块，同时提供了能耗分析脚本，以辅助进行各部件的能耗分析。

同时，案例模型提供了simscape及simulink两种建模方式，通过模型转换脚本可以进行模型类型的转换。

本文我们只解析Controllers中的HCM模块模型，其他模块的逻辑并不复杂，有兴趣的铁子可以自行研究学习。



HCM模型包含了三个子模块，分别为轮端驱动扭矩请求、能量回收以及基于ECMS的电机及发动机扭矩控制。




基于ECMS的电机及发动机扭矩控制

该部分为策略的核心，内部包含两个子模块：能量管理关闭（制动）及能量管理开启（驱动）。



制动部分完成的功能是将轮端的需求扭矩计算到电机端，内容比较简单，这部分就不展开讲了。



ECMS策略位于驱动部分，其包含三部分内容：待分配扭矩的定义域、限制信息以及满足等效最低燃油消耗的扭矩分配计算。



我们从ECMS的扭矩分配计算开始介绍。

等效燃油消耗最小算法基于庞特里亚金最小值原理，在本模型中，其核心是P3电机和发动机的扭矩分配问题。每一个步长下，将轮端需求扭矩在限值范围内进行不同比例的分配，并计算每一种扭矩分配下的发动机瞬时油耗和电池电能的瞬时等效燃油消耗，确定使得系统瞬时总油耗最小的发动机与电机扭矩分配比例。

在 ECMS 能量管理控制算法中，等效因子是一个重要的控制参数，代表了燃料的化学能转化为电能的效率，用于将电池消耗的电能转化为等效燃油消耗。在ECMS 求解函数中相当于一个权重因子，通过调整等效因子的大小，来调节电能使用的比重：当 SOC 较小时，增大等效因子来增加电能等效油耗的比重，减小电能消耗；当 SOC 较大时，减小等效因子来减少电能等效油耗的比重，增加电能消耗。

模型中有两种等效因子计算方法：标准 ECMS 算法、自适应的A-ECMS算法。

标准ECMS算法中，等效系数s是个固定值，取值时，需要迭代ECMS_s值，使ΔSOC（即电荷维持）接近零。



自适应 A-ECMS 是对标准 ECMS 算法的改进，是通过调节等效因子来控制 SOC 以达到工况自适应。主要思想是根据当前 SOC 与期望值的偏差，通过对等效因子进行自适应调节，使 SOC 稳定在期望值：



式中：

s t ——自适应等效因子；

s ——初始等效因子；

Kp ——调节系数；

SOC （t）——当前电池 SOC ；

SOC ——期望 SOC 值。

模型中建模如下：



此外，还需要考虑SOC变化量、限制条件触发、驱动功率偏差、发动机功率变化率等带来的限制。

当扭矩分配带来较大的SOC变化、触发限值条件、较大的驱动功率偏差、较大的发动机功率变化率时，均需要适当提高该分配比例下的等效燃油消耗率。

“

SOC变化量惩罚系数

模型中，该值定义上限为2，下限为0。上限值的大小取决于SOC及车速。惩罚系数按下式计算：



当SOC高于目标值，惩罚系数<1，会适当降低电池的等效燃油消耗；

当SOC低于目标值，惩罚系数>1，会适当增大电池的等效燃油消耗。



“

限制条件触发惩罚

当分配触发发动机、电机或电池的限制条件时，设置较大的惩罚系数，以增加该分配比例下的能耗成本。



“

驱动功率偏差惩罚

原理同上，目的都是增加该分配比例下的能耗成本。



“

发动机功率变化率限制

在某些情况下，基于最优能耗成本的发动机扭矩分配可能会带来扭矩突变。例如当前时刻需要发动机以较小的扭矩运行，但为了维持能耗最优，下一时刻需要发动机输出较大的扭矩。这在控制中是不允许的，所以需要对发动机的功率（或扭矩）变化率进行限制。

模型中将发动机功率矢量与发动机功率需求的差添加到总的成本函数中，以适当增加扭矩突变时的能耗成本。



以上在模型中建模如下：



关于ECMS的策略先介绍到这里，关于惩罚的条件以及定义域的计算我们后面介绍，有兴趣的铁子点点赞，回见。