Development of common algorithms of control unit for long-haul tractor with hybrid power plant

Abstract

The article describes the design concepts and implementation of control algorithms for a combined power plant (CPP) of a long-haul tractor. The control algorithm of an automatic transmission as part of CPP is presented in the article. A model of the control unit for a car with CPP, implemented in MATLAB/Simulink, is given.

Full Text

Введение Блок управления автомобилем, или VCU (от англ. Vehicle Control Unit), является одним из основных элементов системы управления автомобилем с комбинированной энергоустановкой (КЭУ). В функции блока управления автомобилем входит задание уставок по крутящему моменту для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электромашин, выбор передачи в коробке передач, управление сцеплением, запуск и остановка двигателя, а также контроль состояния электрических накопителей энергии и других компонентов КЭУ. Для того чтобы блок управления автомобилем мог выполнять возложенные на него функции, необходимо разработать и оптимизировать алгоритмы его работы. Проверка правильности алгоритмов, их доработка и оптимизация осуществляется в модели блока управления, испытываемой в составе математической модели движения автомобиля с КЭУ. Традиционно областью применения автомобилей с КЭУ рассматривалась городская среда, где в большей мере реализуется рекуперация кинетической энергии автомобиля. В данной статье приведено описание разработанных алгоритмов управления КЭУ полноприводного магистрального тягача с учетом рекуперации потенциальной энергии при переменном продольном профиле дороги, а также модели блока управления автомобилем, созданные в MATLAB/Simulink. Разработка требований к блоку управления автомобилем Основной задачей при управлении КЭУ является обеспечение адекватной реакции на «запросы» водителя, которые формируются путем воздействия на органы управления: руль, педали, переключатели режимов работы отдельных систем. При решении задачи управления КЭУ можно ограничиться следующими органами управления: · педаль управления ДВС; · педаль тормоза; · переключатель выбора режима работы (КЭУ). При разработке алгоритмов управления агрегатами автомобиля необходимо иметь информацию о состоянии объекта в целом и его подсистем: · скорости движения автомобиля; · частот вращения ДВС и электромашин; · степени разряда электрических накопителей энергии (далее - батареи). Перечисленные входные параметры должны полностью определять управляющие сигналы для компонентов КЭУ. При этом необходимо обеспечивать выполнение следующих условий: · отрабатывать задания водителя с высокой точностью и быстродействием; · не допускать формирование таких значений управляющих сигналов, которые способны повредить ту или иную составную часть КЭУ; · обеспечивать эффективность работы КЭУ как в отношении расхода топлива, так и в отношении степени заряда батареи; · минимизировать количество действий при управлении КЭУ, а также максимально сглаживать различные негативные явления, возникающие при переходных процессах работы. Разработка алгоритмов управления На рисунке 1 представлен один из возможных вариантов КЭУ, в которой используются три электромашины, одна из которых работает параллельно традиционному механическому приводу от ДВС на заднюю тележку тягача, а две другие обеспечивают индивидуальный привод колес передней оси. Рисунок 1. Компоновка КЭУ автомобиля При разработке алгоритмов работы КЭУ необходимо обеспечить управление: · крутящим моментом ДВС; · запуском и остановкой ДВС; · крутящим моментом электромашины между коробкой передач и сцеплением (ЭМ1); · крутящим моментом электромашин колес передней оси (ЭМ2 и ЭМ3); · включением и выключением сцепления; · выбором передачи в коробке передач. Рассматриваемая компоновка КЭУ имеет усложненную схему построения, что требует разработки дополнительных алгоритмов управления. В ходе решения поставленной задачи были рассмотрены две различные стратегии управления. Управление с помощью карт распределения мощности При разработке алгоритмов управления основной задачей является распределение потоков мощности между ДВС, электрическими машинами и батареей. При этом необходимо выдерживать определенное соотношение между количеством требуемой от КЭУ энергии, количеством энергии в батарее и «запросами» водителя. Рисунок 2. Пример карты распределения мощности Для соблюдения баланса энергии и рационального режима работы батареи необходимо удерживать ее заряд в диапазоне 50-70% в условиях переменных нагрузок и режимов работы. При решении этой задачи была разработана стратегия управления с использованием карт распределения мощности (рисунок 2). По карте в зависимости от требуемой мощности на ведущих колесах и степени заряда батареи рассчитывается мощность, которая суммарно необходима от электромашин и ДВС. Впоследствии взятые с карты значения корректируются с учетом температуры компонентов и количества топлива в баке с помощью соответствующих коэффициентов. При требуемой мощности, соответствующей минимальному удельному расходу топлива в ДВС (или близкой к ней), вся ее величина обеспечивается ДВС. При уменьшении требуемой мощности при низком заряде батареи излишек мощности отбирается электромашиной ЭМ1 для осуществления зарядки, а при высоком заряде - ДВС не используется и весь объем мощности получается от электромашин. При увеличении требуемой мощности при низком уровне заряда батареи ДВС начинает работать интенсивнее, при среднем заряде подключаются электромашины в тяговом режиме, а при высоком заряде - включается ДВС и работает совместно с электромашинами. При высоком уровне заряда батареи использование ДВС сводится к минимуму и осуществляется лишь при превышении требуемой мощности значения, равного максимальной мощности, развиваемой электромашинами. При низком уровне заряда батареи электромотор не используется в тяговом режиме, а лишь для подзарядки батарей при наличии такой возможности. При попытке реализации данной стратегии управления в математической модели движения автомобиля были выявлены серьезные недостатки, такие как: · сложность построения карт с высокой точностью (малым шагом сетки) ввиду невозможности автоматизации данного процесса; · сложность проведения калибровок; · низкая точность отработки управляющих воздействий водителя после наложения корректировочных коэффициентов на полученные с карт значения. Ввиду обозначенных недостатков от данной стратегии управления пришлось отказаться. Управление с использованием базовых режимов работы КЭУ В этом варианте реализована стратегия управления, основанная на выборе режима работы КЭУ и расчета нагрузок, исходя из выбранного режима. Стратегия базируется на принципах управления в параллельной схеме КЭУ, адаптированных к дополнительной задаче разделения мощности между несколькими электрическими машинами. На рисунке 3 показана схема алгоритма выбора режима движения. Принципиально возможны три варианта движения: 1) Подвод энергии к автомобилю (вариант «тяга»). В этом варианте необходимо подводить мощность к ведущим колесам (при этом скорость движения может увеличиваться, оставаться постоянной или падать). При этом компоненты КЭУ можно использовать следующим образом: · движение на электротяге: если запрашиваемый водителем крутящий момент возможно обеспечить только за счет электромашин (режим 1); · движение на ДВС с отбором мощности: если запрашиваемый водителем крутящий момент невозможно обеспечить только за счет электромашин, но при этом его величина меньше крутящего момента ДВС в экономичном режиме, осуществляется отбор мощности от ДВС с помощью электромашины. При этом ДВС работает в экономичном режиме, электродвигатель - в генераторном (режимы 2, 3); · движение на ДВС в экономичном режиме: если требуемый водителем крутящий момент близок по значению к экономичному режиму работы ДВС (режим 4); · движение на ДВС с добавлением мощности: если требуемый крутящий момент не обеспечивается двигателем в экономичном режиме и разница не больше максимального крутящего момента на электромашинах. При этом ДВС работает в экономичном режиме, электромашины - в тяговом (режим 5); · движение на режиме максимальной мощности: электромашины работают с максимальной нагрузкой, а ДВС в сумме обеспечивает требуемый водителем крутящий момент (режим 6). 2) Отбор энергии от автомобиля (вариант «торможение»). В этом варианте необходимо забирать мощность от ведущих колес и осуществлять рекуперативное торможение (режим 7). 3) Вариант «стоянка» (режим 8). Рисунок 3. Схема алгоритма выбора режима движения При варианте «тяга» предпочтительным является движение в режиме 4. При этом будет обеспечиваться наибольшая экономичность при работе ДВС без участия электропривода (то есть без потерь на преобразование энергии и отбор мощности). Распределение крутящих моментов по описанным выше условиям производится с учетом ограничений на работу электрических машин. Максимально возможный крутящий момент каждой электромашины при текущей частоте вращения определяется ее внешней скоростной характеристикой. При низком уровне заряда батареи, высоком нагреве электромашины, ее инвертора или батареи накладывается ограничение на снимаемый с электромашины крутящий момент. Расчет крутящих моментов на агрегатах КЭУ производится в соответствии с выбранным режимом движения. Зависимости подобраны таким образом, чтобы в точках перехода между режимами нагрузки на агрегатах по возможности оставались неизменными. Таким образом, обеспечивается плавность смены режимов работы КЭУ. Дополнительные алгоритмы управления Управление коробкой передач Управление коробкой передач осуществляется по критерию выведения ДВС на режим с наименьшим удельным расходом топлива. Совокупность точек в осях «обороты ДВС» / «крутящий момент», в которых при определенной мощности удельный расход топлива будет минимальным, представляет собой линию оптимальных режимных точек (ОРТ). По величине запрашиваемого в данный момент крутящего момента от ДВС определяется оптимальная частота вращения, а с учетом текущей скорости, и передача в коробке передач с помощью выражения: где: - оптимальная частота вращения ДВС по топливной экономичности; - частота вращения на предыдущей передаче; - частота вращения на следующей передаче; - текущая частота вращения ДВС; , - коэффициенты, исключающие зацикленные смены передач; , - коэффициенты, препятствующие немедленной смене передачи в обратную сторону после одного или нескольких переключений, которые могут принимать значения 0 или 1. По значению переменной определяется необходимость: · повышения передачи (при значении 2); · понижения передачи (при значении 1); · сохранения текущей передачи (при значении 0). Реализация алгоритмов управления в модели VCU Модель блока управления изображена на рисунке 4. Рисунок 4. Модель блока управления автомобилем с КЭУ, реализованная в MATLAB/Simulink Блок управления получает следующие входные сигналы: 1) Throttle (0..1) - управляющее воздействие водителя в виде перемещения педали подачи топлива; 2) Brake (0..100) - управляющее воздействие водителя в виде нажатия педали тормоза; 3) Front Active (0,1) - положение тумблера включения и отключения электромашин переднего моста; 4) Battery SOC (0..100) - степень заряда батареи, определяющая распределение мощностей в КЭУ, а также включение/отключение ДВС и переход в режим электромобиля; 5) Velocity (0…Vmax, км/ч) - текущая скорость автомобиля; 6) ICERPM (500…2500, об/мин) - текущие обороты ДВС; 7) ED1RPM (0...2600, об/мин) - текущие обороты первой электромашины (ЭМ1). Блок управления имеет следующие выходы: 1) ICE Load (0...1) - нагрузка на ДВС, крутящий момент в долях от максимального по внешней скоростной характеристике при данных оборотах (от 0 до 1); 2) ICE on/off (0,1) - сигнал, информирующий о необходимости включения или выключения ДВС; 3) ED1 Load (-1..1) - нагрузка на электромашину в коробке передач, определяющая величину и направление снимаемого с нее крутящего момента; 4) ED23 Load (-1..1) - нагрузка на электромашины переднего моста, определяющая величину и направление снимаемого с нее крутящего момента (для левой и правой электромашины одинакова); 5) Clutch Control (0..100) - сигнал, информирующий о необходимости включения или выключения сцепления между ДВС и электромашиной коробки передач. 6) Gear Number (1,2..12) - номер передачи, которая должна быть включена в коробке передач. Состав модели блока управления автомобилем с КЭУ представлен на рисунке 5. Рисунок 5. Состав модели блока управления автомобилем с КЭУ Основой модели блока управления автомобилем является диаграмма состояний (конечный автомат) Main Chart. Она отвечает за расчет режима работы КЭУ, управление сцеплением (команды от системы «старт-стоп») и запуском/остановкой двигателя. Выходными сигналами блока Main Chart являются сигнал управления двигателем, используемый для его запуска и остановки, сигнал управления сцеплением при остановке и запуске ДВС и номер режима работы КЭУ, определяющий выбор зависимостей для расчета крутящего момента на агрегатах. В подсистеме Gearbox Control определяется передача в коробке передач, при которой ДВС будет работать наиболее близко к оптимальной режимной точке (ОРТ), соответствующей требуемой от ДВС в данный момент мощности. Кривая ОРТ задается в табличном виде и с ее помощью по значению требуемой мощности определяются оптимальные обороты ДВС. С оптимальным значением оборотов сравниваются значения оборотов двигателя на текущей передаче и на двух соседних. Если текущая передача не обеспечивает наименьшую разницу в оборотах с оптимальным их значением, осуществляется переключение на одну передачу вверх или вниз (если такая возможность есть). В подсистеме Signal Correcting осуществляется корректировка сигналов управления ДВС, электромашиной в коробке передач и сцеплением при переключении передач. Испытания модели блока управления автомобилем проводились в составе модели движения автомобиля в качестве подмодели. Испытания показали адекватную работу алгоритмов управления, обеспечивающую выполнение поставленных задач.