編者按：本文介紹了一種基于小波變換的四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）混合動(dòng)力汽車控制策略，旨在提高行駛過(guò)程中的燃油經(jīng)濟(jì)性，并避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換。首先，作者分析了四驅(qū)混合動(dòng)力汽車的系統(tǒng)配置和原有控制策略，并指出了其不足之處。隨后，利用小波變換方法克服了原有控制策略的不足，將車輛的需求功率分解為穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率和瞬時(shí)響應(yīng)功率，并分別分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，以提高動(dòng)態(tài)特性并充分利用電動(dòng)機(jī)的快速瞬態(tài)響應(yīng)，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換。最后，作者在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立了車輛模型和控制策略模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提出的控制策略相較于原有策略，能夠縮小發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的范圍，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證了基于小波變換的控制策略的有效性。

本文譯自：

《The Control Strategy for 4WD Hybrid Vehicle based on Wavelet Transform》

文章來(lái)源：

Published April 06, 2021 by SAE International in United States

作者：

喬依然，初亮，陳辛波，郭崇，徐翔

作者單位：

同濟(jì)大學(xué)

原文鏈接：

https://doi.org/10.4271/2021-01-0785

摘要：為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換，提高行駛過(guò)程中的燃油經(jīng)濟(jì)性，本文提出了一種基于小波變換的四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）混合動(dòng)力汽車控制策略。首先，介紹并分析了四驅(qū)混合動(dòng)力汽車的系統(tǒng)配置和原有控制策略，總結(jié)了該控制策略的不足之處。然后，在分析原有控制策略的基礎(chǔ)上，利用小波變換克服其不足。利用小波變換方法在多信號(hào)處置方面的優(yōu)勢(shì)，將車輛的需求功率分解為穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率和瞬時(shí)響應(yīng)功率，分別分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)。這一過(guò)程在不同的駕駛模式下進(jìn)行。所提出的控制策略不僅保證了動(dòng)態(tài)特性，而且充分利用了電動(dòng)機(jī)的快速瞬態(tài)響應(yīng)，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換。最后，在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，建立了車輛模型和控制策略模型。仿真結(jié)果表明，與原來(lái)的控制策略相比，所提出的控制策略可以縮小發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的范圍，使其更加集中，從而有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。因此，所提出的策略提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證了基于小波變換的控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車，能量管理策略，小波變換，電源分配

引言

隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，新能源技術(shù)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇[1]。作為新能源技術(shù)的核心之一，混合動(dòng)力技術(shù)擁有相對(duì)成熟、高效、可靠的系統(tǒng)，可以有效避免純電動(dòng)技術(shù)帶來(lái)的續(xù)航里程焦慮，因此受到汽車企業(yè)的青睞。四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅具有混合動(dòng)力技術(shù)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，還能獲得優(yōu)異的動(dòng)力性能、通過(guò)能力和操控穩(wěn)定性等綜合性能，受到了市場(chǎng)的廣泛關(guān)注[2]。四驅(qū)混合動(dòng)力汽車由多個(gè)動(dòng)力部件組成，具有較高的自由度，導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式復(fù)雜。因此，控制策略的研究是四驅(qū)混合動(dòng)力技術(shù)的關(guān)鍵部分。本研究的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)良好燃油經(jīng)濟(jì)性的能量管理策略。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略的研究主要分為基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略兩大類?；谝?guī)則的控制策略包括基于確定性規(guī)則和模糊規(guī)則兩種類型[3]。基于確定性規(guī)則的控制策略通過(guò)設(shè)置基于邏輯閾值的規(guī)則[4, 5]或控制電池組中的剩余能量[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的功率分配。這種控制相對(duì)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性?；谀：?guī)則的控制策略利用模糊規(guī)則提高控制策略的魯棒性和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和次優(yōu)功率分配 [7]?；趦?yōu)化的控制策略可分為全局優(yōu)化和實(shí)時(shí)優(yōu)化。全局優(yōu)化的關(guān)鍵部分是求解全局范圍內(nèi)的最優(yōu)控制規(guī)律。為了減少動(dòng)態(tài)編程算法的計(jì)算時(shí)間，龔秋明等人改進(jìn)了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 SOC 下降區(qū)間的可行區(qū)域，提高了計(jì)算效率[8]。Nasser 等建立了目標(biāo)哈密爾頓函數(shù)，并利用 PMP 算法建立了能源管理策略，以求解全局條件下的最優(yōu)控制規(guī)律[9]。實(shí)時(shí)優(yōu)化能實(shí)時(shí)求解系統(tǒng)的最優(yōu)控制規(guī)律，主要基于等效最小油耗（ECMS）和模型預(yù)測(cè)控制（MPC）。Pisu 等人建立了基于 ECMS 的能源管理策略。通過(guò)與其他控制策略比較，驗(yàn)證了 ECMS 控制策略的仿真效果更接近全局優(yōu)化[10]。關(guān)于 MPC 控制策略的研究主要集中在狀態(tài)參考曲線的獲取、速度預(yù)測(cè)模型的建立和滾動(dòng)優(yōu)化算法的選擇等方面 [11，12]。

本文進(jìn)一步對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的原始控制策略--基于規(guī)則的控制策略進(jìn)行了研究。事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和效率特性都是不同的。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，高效區(qū)更大。同時(shí)，在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)會(huì)在原有控制策略下頻繁切換，導(dǎo)致車輛油耗增加。因此，綜合考慮以上兩個(gè)因素，提出了一種基于小波理論的四驅(qū)混合動(dòng)力汽車控制策略。本文利用小波變換對(duì)動(dòng)力進(jìn)行分解，這在上述參考文獻(xiàn)中還沒(méi)有研究。創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1.通過(guò)小波變換對(duì)驅(qū)動(dòng)工況的需求功率進(jìn)行分解，得到穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率和瞬態(tài)響應(yīng)功率。

2.改進(jìn)了原有的控制策略，將分解后的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率分配給前橋發(fā)動(dòng)機(jī)，瞬態(tài)響應(yīng)功率分配給后橋電機(jī)和電池，從而避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第1節(jié)介紹了四驅(qū)混合動(dòng)力系統(tǒng)的配置和特點(diǎn)。第2節(jié)介紹和分析了原有的控制策略，并總結(jié)了其不足之處。第3節(jié)提出了基于小波變換的控制策略。第4節(jié)建立了仿真模型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。第5節(jié)得出結(jié)論。

1  四驅(qū)混合動(dòng)力系統(tǒng)

本研究中四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的配置如圖 1 所示。前動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和前電機(jī)組成，而后車橋只包括一個(gè)后電機(jī)。車輛的基本參數(shù)如下表 1 所示。

混合動(dòng)力系統(tǒng)由多個(gè)動(dòng)力部件組成，因此自由度較高，控制策略也相對(duì)復(fù)雜。但由于沒(méi)有了變速箱，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制都得到了一定程度的簡(jiǎn)化。

系統(tǒng)的模式包括電動(dòng)模式（EV）、串聯(lián)模式（SV）和并聯(lián)模式（PV）。模式切換由離合器控制實(shí)現(xiàn)。各模式下的能量流如下圖 2 所示。在 EV 模式下，離合器斷開(kāi)，前后電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)；在 SV 模式下，離合器斷開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為前后電機(jī)提供電能，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)；在 PV 模式下，離合器閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)和前后電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力四輪驅(qū)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)配置

表1 車輛的基本參數(shù)

圖2 不同模式的能量流

2 原始控制策略

基于規(guī)則的控制策略簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、安全可靠。它廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的能量管理策略中[13]。因此，在本研究中，基于規(guī)則的控制策略作為原始控制策略。

根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)的描述，選擇功率閾值和速度閾值作為不同模式的切換條件，如圖3所示。該控制策略實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力部件在不同模式下的功率分配，以達(dá)到最大的油耗性能。

圖3 駕駛模式轉(zhuǎn)換

模式切換的原因可以歸結(jié)為:

1. EV模式轉(zhuǎn)SV模式。由于車輛在兩種模式下均由前后電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此模式切換的主要因素是電池的放電容量。實(shí)際上，電池的放電容量隨著SOC的降低而逐漸下降。當(dāng)SOC過(guò)低時(shí)，電池放電功率不足以滿足需求功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為前后電機(jī)提供動(dòng)力。因此，電池放電功率的限制將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

2. SV模式轉(zhuǎn)PV模式。高速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較高，工作點(diǎn)處于高效率范圍。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率相對(duì)較低，在SV模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電力的損失更大。

3.  EV模式轉(zhuǎn)PV模式。原因與上述相同，此時(shí)電池放電效率較低。

表2 基于規(guī)則的控制策略

當(dāng)需求功率和速度均較小時(shí)，車輛進(jìn)入純電動(dòng)模式，離合器斷開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，前后電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)需求功率高于功率閾值時(shí)，車輛進(jìn)入串聯(lián)模式(SV)，離合器斷開(kāi)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速時(shí)，它就工作并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)前后電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。根據(jù)電池的狀態(tài)，串聯(lián)模式可分為純串聯(lián)模式、串聯(lián)輔助模式和串聯(lián)充電模式。

當(dāng)需求功率較大且超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)范圍時(shí)，電池放電并輔助前后電機(jī)。在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)仍處于高效率區(qū)，由電池補(bǔ)償需求功率，稱為串聯(lián)輔助模式。當(dāng)需求功率低于發(fā)動(dòng)機(jī)的高效范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅滿足需求功率，還為電池充電。在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)在電池充滿電的情況下仍處于高效率區(qū)，稱為串聯(lián)充電模式。當(dāng)需求功率在發(fā)動(dòng)機(jī)的高效范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在電池不工作的情況下滿足需求功率，稱為純串聯(lián)模式。

當(dāng)車速高于速度閾值時(shí)，車輛進(jìn)入并聯(lián)模式(PV)，離合器接合，發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到所需的轉(zhuǎn)速。然后發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛。同時(shí)前后電機(jī)工作，根據(jù)需求功率調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)。根據(jù)電池的狀態(tài)，并聯(lián)模式分為純并聯(lián)模式、并聯(lián)輔助模式和并聯(lián)充電模式。

當(dāng)需求功率較大，超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)范圍時(shí)，電池產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)前后電機(jī)輔助。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)仍處于動(dòng)力電池補(bǔ)償需求功率的高效區(qū)，稱為并聯(lián)輔助模式;當(dāng)需求功率低于發(fā)動(dòng)機(jī)的高效范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)滿足需求功率，用剩余驅(qū)動(dòng)功率在前后電機(jī)不工作的情況下給電池充電，稱為并聯(lián)充電方式。當(dāng)所需功率在發(fā)動(dòng)機(jī)高效率范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)滿足需求功率，前后軸電機(jī)不工作，動(dòng)力電池不工作，稱為純并聯(lián)模式。

基于規(guī)則的控制策略最重要的部分是通過(guò)對(duì)電機(jī)和蓄電池的補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)，獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，如圖4所示。同時(shí)，在低速、低功率工況下，充分利用電機(jī)低速、高轉(zhuǎn)矩特性的優(yōu)勢(shì)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)、低負(fù)荷工況。在高速、大功率工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作彌補(bǔ)電池的快速放電損耗和電機(jī)高速時(shí)的效率損耗，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)能夠保持在一個(gè)更有效的區(qū)域，以減少燃料消耗。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略

雖然該控制策略簡(jiǎn)單、有效、易于實(shí)現(xiàn)，但也存在一些不足。一是沒(méi)有考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，即發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，這就決定了其動(dòng)力跟隨的控制效果較差。其次，工況下需求功率的復(fù)雜而頻繁的變化將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換，從而增加其油耗。因此，針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，下文將對(duì)4WD混合動(dòng)力汽車的控制策略進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3 提出的控制策略

基于以上對(duì)原有控制策略的分析，本文提出了一種基于小波變換的能量管理策略。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和工作特性，采用小波變換對(duì)需求功率進(jìn)行分解。在原有控制策略的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。下面對(duì)小波理論進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

A. 小波理論

小波理論是在時(shí)間和頻率范圍內(nèi)進(jìn)行局部變換的理論。與傅里葉變換相比，小波變換可以通過(guò)伸縮和平移對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化，這可以在時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理。它在多尺度分析領(lǐng)域，特別是非平穩(wěn)信號(hào)分析領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。

將一個(gè)小波基函數(shù)平移后，在不同參數(shù)下，與待分析信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積，即

尺度因子用于對(duì)基函數(shù)進(jìn)行伸縮變換，表示基函數(shù)的平移量。因?yàn)楹褪沁B續(xù)變量，所以它是連續(xù)小波變換（CWT）。由于尺度因子和平移因子的不斷變化，CWT變換過(guò)程中的信息冗余和效率較低。為了克服這一缺點(diǎn)，引入了離散小波變換（DWT）。

因此，尺度因子和平移因子是離散不連續(xù)的，小波變換變?yōu)檎恍〔ㄗ儞Q。由于正交小波變換完全沒(méi)有冗余性，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度處理分析。

根據(jù)離散小波變換的多尺度特性，可以采用Mallat算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，并采用下采樣方法對(duì)不同頻段的信號(hào)進(jìn)行分解。小波分解的每一層都是對(duì)上一層的低頻近似分量進(jìn)行分解，得到分解后的高頻細(xì)節(jié)分量和低頻近似分量。這個(gè)分解過(guò)程一直持續(xù)到最后一層。從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看，可以表述為：

表示離散小波的分解級(jí)數(shù)，表示位移因子，和分別表示層分解得到的低頻近似分量和高頻細(xì)節(jié)分量，和分別表示低頻近似分量和高頻細(xì)節(jié)分量的小波系數(shù)，其中由信號(hào)與尺度函數(shù)φ的點(diǎn)積得到，由信號(hào)與尺度函數(shù)ψ的點(diǎn)積得到。

小波分解可以得到各層的高頻分量和低頻分量，然后利用過(guò)采樣方法進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，即對(duì)分解后的高頻細(xì)節(jié)分量和低頻近似分量分別進(jìn)行小波單支重構(gòu)。重構(gòu)過(guò)程是小波分解的逆過(guò)程，最終得到高頻和低頻信號(hào)。

小波變換的過(guò)程如圖5所示，其中代表原始信號(hào)，Ca1~Ca3表示各層的低頻分量，Cd1~Cd3表示各層的高頻分量。

小波變換可以分解非平穩(wěn)信號(hào)，得到高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，這個(gè)過(guò)程有助于混合系統(tǒng)的能量管理[14]。目前小波理論主要應(yīng)用于動(dòng)力電池和超級(jí)電容器的能量管理領(lǐng)域[15]。將頻繁變化的功率需求分解為穩(wěn)態(tài)功率和暫態(tài)功率，分別分配給超級(jí)電容和動(dòng)力電池，從而實(shí)現(xiàn)能量源的最優(yōu)效率控制[16-17]。在文獻(xiàn)[17]中，通過(guò)對(duì)一個(gè)實(shí)際行駛工況和標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)公交車行駛工況下的動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解，對(duì)基于小波理論方法的有效性進(jìn)行了評(píng)估。在兩種行駛工況下，基于小波變換的策略與DP求解的最優(yōu)結(jié)果差異相對(duì)較小，說(shuō)明所提方法的可行性和有效性。基于這一思想，本文提出了基于小波變換的四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車控制策略，將需求功率進(jìn)行分解并分配到各功率元件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)。

圖5 小波變換的過(guò)程

B. 基于小波理論的控制策略

由于動(dòng)力部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不同，本研究在上述基于規(guī)則的控制策略的基礎(chǔ)上，提出了一種基于小波理論的控制策略，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的頻繁切換。控制策略主要分為兩部分。一部分是需求功率的分解，另一部分是各組成的功率分配。

1.需求功率的分解

利用小波變換實(shí)現(xiàn)需求功率的分解。小波變換的效果主要由小波基函數(shù)和小波分解層數(shù)決定。

Haar小波作為最受歡迎的母小波，與其他小波相比，其在時(shí)域上具有最短的濾波器長(zhǎng)度。此外，Haar小波是最簡(jiǎn)單的小波，具有一個(gè)很好的特性，即WT等于它的逆。利用這些特性，Haar小波使分解計(jì)算比使用其他小波簡(jiǎn)單得多，便于在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)小波變換策略。這樣可以簡(jiǎn)化程序組成，進(jìn)一步提高代碼執(zhí)行效率。同時(shí)，提取瞬態(tài)過(guò)程的功能仍然可以很好地實(shí)現(xiàn)而不會(huì)退化。因此，本文選擇Haar小波作為小波基函數(shù)。

隨著小波分解層數(shù)的增加，穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率的變化頻率和幅值會(huì)逐漸減小，最終分解為恒定的穩(wěn)態(tài)功率。在本文研究中選擇了三層小波分解。

通過(guò)小波變換對(duì)需求功率進(jìn)行分解，得到穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率和瞬態(tài)響應(yīng)功率，如公式6所示。

小波變換對(duì)需求功率的分解描述為：將需求功率作為原始信號(hào)，利用小波理論將其分解為低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，分別代表穩(wěn)態(tài)需求功率和瞬態(tài)需求功率。然后將穩(wěn)態(tài)需求功率的正值部分作為穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率，將穩(wěn)態(tài)需求功率的負(fù)值部分和瞬態(tài)需求功率的組合作為瞬態(tài)響應(yīng)功率。分解過(guò)程如圖6所示。結(jié)果如下文圖7所示。

圖6 需求功率的分解

2.各部分的功率分配

通過(guò)小波變換對(duì)需求功率進(jìn)行分解，得到穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率和瞬態(tài)響應(yīng)功率，即Pstable和Ptransient。然后，利用分解后的功率完成各部分的功率分配。所提出的控制策略不改變?cè)械墓β屎退俣乳撝担瑑H對(duì)串并聯(lián)模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，以提高其油耗性能。

當(dāng)車輛進(jìn)入串聯(lián)模式且穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率在發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，將穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率分配給發(fā)動(dòng)機(jī)，瞬態(tài)響應(yīng)功率分配給蓄電池。通過(guò)電池的快速響應(yīng)，可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，使其工作在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，如公式7所示。當(dāng)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率超過(guò)高效區(qū)時(shí)，功率分配策略與原控制策略相同。

當(dāng)車輛進(jìn)入并聯(lián)模式并且穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率處在發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率分配給發(fā)動(dòng)機(jī)，瞬態(tài)響應(yīng)功率分配給前后電機(jī)。通過(guò)前后電機(jī)的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)，使其工作在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，如公式8所示。當(dāng)穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率超過(guò)高效區(qū)時(shí)，功率分配策略與原控制策略相同。

圖7 小波變換結(jié)果

綜上所述，與原有的基于規(guī)則的控制策略相比，主要存在以下差異：

1.功率分配策略的條件在串聯(lián)和并聯(lián)模式下是不同的。原控制策略以原需求功率為基礎(chǔ)，而改進(jìn)后的控制策略選擇穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率作為判斷條件。

2.在串聯(lián)和并聯(lián)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分配不同。分配給發(fā)動(dòng)機(jī)的是穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率，而不是原來(lái)的需求功率。同時(shí)，利用電機(jī)和電池的快速補(bǔ)償響應(yīng)，有效避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁切換，改善了其油耗性能。

4 模擬與驗(yàn)證

基于所提出的控制策略和原始控制策略，利用MATLAB/模擬軟件建立了仿真模型。比較了不同循環(huán)條件下所提出的控制策略和原有控制策略在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了改進(jìn)后的控制策略的有效性。

A.仿真模型

基于以上車輛參數(shù)信息和所提出的基于小波變換的控制策略，利用MATLAB/模擬墨水平臺(tái)建立了仿真模型，如圖8所示。仿真模型主要由駕駛員模型、車輛模型和控制策略模型組成。驅(qū)動(dòng)程序模型，旨在跟蹤目標(biāo)條件。車型滿足了動(dòng)力總成零部件的性能要求?？刂撇呗阅Ｐ褪菍?shí)現(xiàn)能量管理，利用模擬墨水的狀態(tài)流模塊，如圖9所示。

圖8 仿真模型

圖9  模式切換模塊

表3 不同循環(huán)條件下的油耗結(jié)果

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)比

B.結(jié)果與討論

利用上述建立的仿真模型，分別對(duì)兩種控制策略進(jìn)行了仿真。比較了不同工作條件下的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了基于小波變換的控制策略的有效性。

在NEDC、WLTC、US06、HWFET等循環(huán)條件下，比較了兩種控制策略的仿真結(jié)果，如表3所示。與原有的基于規(guī)則的控制策略的燃油消耗結(jié)果相比，基于小波變換的控制策略可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，對(duì)所有循環(huán)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，基于小波變換的控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的控制范圍更小、更集中，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的平均工作效率優(yōu)于原控制策略。因此，這個(gè)比較證明了所提出的控制策略的有效性。

并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。從表 3、可以看出，在不同的條件下，最優(yōu)化了 所提出的控制策略的控制效果是不同的 主要是由于大小和頻率的差異嗎 在這個(gè)周期下的需求功率。如圖11所示， NEDC的需求能力和變化率相對(duì)較小， 而WLTC，US06和HWFET需要更高的功率和 更大的變化率。因此，需求的規(guī)模就越大 功率是，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng) 而且發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載就會(huì)越高。越高 變化頻率為，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域越大 將在分解之前。穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)功率后 分解使發(fā)動(dòng)機(jī)在更穩(wěn)定的區(qū)域工作， 因此，優(yōu)化效果更加明顯。

為了進(jìn)一步分析所提出的控制策略中影響優(yōu)化效果的因素，我們改變了小波變換過(guò)程中的分解層數(shù)。選擇HWFET循環(huán)作為仿真條件。比較了不同分解層條件下的仿真結(jié)果。

隨著分解層數(shù)的增加，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了顯著的提高，如表4所示。小波分解層數(shù)越多，分解后的驅(qū)動(dòng)功率越穩(wěn)定，即發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)越穩(wěn)定，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率越穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)功率變化越快，變化幅度越大，即對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)能力的要求越高。同時(shí)，還應(yīng)考慮電機(jī)的效率。因此，應(yīng)綜合考慮電機(jī)的特性，并選擇適當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)，以達(dá)到系統(tǒng)的最佳效率。

從以上結(jié)果可以看出，所提出的控制策略可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，其優(yōu)化效果是由循環(huán)特性和分解層決定的。

圖11 不同周期的需求功率比較

表4 小波分解模擬結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)原有控制策略的不足，提出了一種基于小波理論的四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力車輛控制策略。與原有的基于規(guī)則的控制策略相比，本研究提出的方法有效地避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁切換，縮小了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。它為能源管理策略的研究提供了一個(gè)新的思路。在今后的工作中，我們將進(jìn)一步研究基于小波理論的控制策略。小波理論將應(yīng)用于配置較復(fù)雜的混合動(dòng)力汽車。今后將詳細(xì)考慮電機(jī)和電池等部件的特性。而未來(lái)的研究將對(duì)工作臺(tái)和實(shí)際車輛進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)