插電式混合動力SUV車控制策略研究

張 志，楊蕓蕓

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司部件試驗研究部，重慶 400039;2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

插電式混合動力汽車(plug－in hybrid electric vehicle，PHEV)可以利用外部電網(wǎng)通過充電裝置對車載電池組進行充電，從而增加純電動續(xù)駛里程，大大減少對燃油的依賴，同時還可以降低車輛的廢氣排放，是目前電動汽車領(lǐng)域研究的熱點之一[1]。與普通混合動力電動車相比，插電式混合動力車須保證全電力續(xù)駛里程，故對其動力總成各部件提出了不同的要求。

插電式混合動力電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的選擇不僅與車輛的整車動力性和經(jīng)濟性要求有關(guān)，還與控制策略以及車輛行駛的工況密切相關(guān)。筆者以一款傳統(tǒng)SUV為原型，設(shè)計并聯(lián)式Plug－in混合動力車，在普通混合動力車的電輔助控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計適合插電式混合動力電動車的控制策略，應(yīng)用前向/后向仿真軟件 ADVISOR(advanced vehicle simulator)2002建立相應(yīng)的模型，對不同的電機、AER(all electric range)和動力電池容量進行優(yōu)化設(shè)計。通過分析仿真結(jié)果，對該方案的可行性和有效性進行了驗證。

1 參數(shù)匹配

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和整車動力參數(shù)

目前插電式混合動力車輛大多采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮到該車輛的布置以及運行工況，采用單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。該插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該SUV車輛的整車動力參數(shù)如表1所示。

圖1 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 SUV整車動力參數(shù)

設(shè)計該插電式混合動力SUV車時的首要目標是滿足車輛的動力性能，故需要滿足以下3個條件:

(1)起步加速性能。即車輛能在設(shè)定時間內(nèi)由靜止持續(xù)加速到額定車速的性能。

(2)以額定車速穩(wěn)定行駛的能力。對于并聯(lián)混合動力車輛來說，發(fā)動機應(yīng)該能夠提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率，并能克服坡度大于3%的路面阻力。

(3)以最高車速穩(wěn)定行駛的能力。在插電式并聯(lián)混合動力汽車上，電機和發(fā)動機的輸出功率應(yīng)分別能滿足車輛以最高車速行駛時的功率需求。

車輛行駛時所需的功率為:

式中:Pe為車輛所需的功率;ηT為傳動系機械效率;G為車輛總重力;f為滾動阻力系數(shù);ua為車速;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風面積;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為車輛總質(zhì)量;為加速度;i為坡度。

1.2 發(fā)動機參數(shù)選擇

對于并聯(lián)式混合動力車的發(fā)動機，若功率選擇偏大，則車輛的排放性能和燃油經(jīng)濟性就差;若功率選擇偏小，后備功率就小，就必須依靠電機提供更多的驅(qū)動功率，這會造成電機和電池組容量的取值增大以及整車質(zhì)量增加，同時還會使車輛成本增加，整車布置難度加大。

由于插電式混合動力車與以往的混合動力車的不同點在于車輛在純電動工況的運行時間比較長，而依靠發(fā)動機工作的時間比例減少，故選擇發(fā)動機的原則是在經(jīng)濟巡航車速uc下，發(fā)動機在其萬有特性圖上的經(jīng)濟區(qū)工作。巡航車速uc與平路勻速阻力功率Pc的對應(yīng)關(guān)系如下[2]:

根據(jù)SUV車的運行工況，取uc為70 km/h。

在計算巡航功率時，還應(yīng)加上空調(diào)、壓縮機等附件功率Pacc約為3 kW、1% ～2%的爬坡功率裕量Pi和 10%(經(jīng)驗值)的充電功率裕量 Pchr[3]，即:

巡航功率P實際上是一個功率帶，應(yīng)保證這一功率帶穿越發(fā)動機萬有特性圖上經(jīng)濟性較好的區(qū)域。根據(jù)上述條件，最終選擇的發(fā)動機參數(shù)如表2所示。

1.3 電機參數(shù)選擇

并聯(lián)式混合動力車的電機最大功率Pmmax與發(fā)動機最大功率Pemax之和應(yīng)能滿足車輛的最大功率Pvmax的需求，即滿足下列不等式:

表2 插電式混合動力SUV車動力系統(tǒng)參數(shù)

不同于普通的混合動力車，插電式混合動力車的電機不僅能在車輛起步和低速行駛時驅(qū)動車輛，當車輛高速行駛以及加速時也能夠單獨驅(qū)動車輛，則電機的最大功率Pmmax應(yīng)大于車輛在高速運行時的功率需求。最終選取的電機參數(shù)如表2所示。

1.4 電池組參數(shù)的選擇

選擇的動力電池組的電壓和電流范圍必須滿足電機的電壓和電流的工作范圍，放電功率范圍必須覆蓋電機驅(qū)動和再生制動的最大功率范圍，電池組的容量還應(yīng)滿足插電式混合動力車純電動續(xù)駛里程對能量的需求。

(1)由電機最大輸出功率選擇電池數(shù):

式中:Pemax為電機最大功率;Pbmax為電池最大輸出功率;ηe為電機工作效率，計算中取0.9;ηec為電機控制器工作效率，取0.9。

(2)根據(jù)純電動續(xù)駛里程AER選擇電池數(shù)目:

式中:L為車輛的純電動續(xù)駛里程;W為車輛行駛1 km所需的電池能量;Us為單體電池電壓;Cr為單體電池的額定容量;Dh為電池放電深度，鋰電池取80%。該電池組的動力參數(shù)如表2所示。

2 控制策略

2.1 電輔助控制策略

并聯(lián)式混合動力車上使用的規(guī)則控制策略(rule based energy management strategy，RBS)實際上是一個電輔助控制策略[4－7]。以下為電輔助控制策略的具體內(nèi)容:

(1)當車速低于發(fā)動機驅(qū)動的速度下限值且電池的SOC值(荷電狀態(tài))高于其下限值時，由電機單獨驅(qū)動車輛，車輛為純電動模式行駛;

(2)當車輛需求的功率超過發(fā)動機最大功率且電池的SOC值高于其下限值時，則由電機補充缺少的那部分功率，由電機和發(fā)動機共同驅(qū)動車輛;

(3)當車輛需求的功率高于發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟區(qū)功率且電池的SOC值低于其下限值時，則由發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛;

(4)當車輛需求的功率低于發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟區(qū)功率且電池的SOC值低于其下限值時，則發(fā)動機工作在其經(jīng)濟區(qū)驅(qū)動車輛，多余的功率用來給電池充電;

(5)當車輛需求的功率為負且電池的SOC值低于其上限值時，則進行能量回收給電池充電。

2.2 以電為主的規(guī)則控制策略

由于插電式混合動力車擁有高容量的電池組，且電池中的電能來源于普通電網(wǎng)，因此要充分利用電池中的能量以降低燃油的消耗。故對于插電式混合動力汽車，規(guī)則控制策略中車輛行駛時的大部分能量來源于電池，其余的則由發(fā)動機提供。

插電式混合動力車中的發(fā)動機開關(guān)由以下的規(guī)則控制策略控制[8－9]:

(1)當電池的SOC值低于其下限值且車輛需求為正功時，發(fā)動機開啟;

(2)當電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的正功功率低于電機能夠提供的最大功率時，關(guān)閉發(fā)動機;

(3)當電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的正功功率高于電機能夠提供的最大功率時，開啟發(fā)動機;

試驗地設(shè)在南昌市南昌工程學院生物技術(shù)實驗基地。南昌工程學院位于南昌市東部，緊鄰艾溪湖濕地公園和瑤湖森林公園。南昌市地處江西中部偏北，贛江、撫河下游，瀕臨鄱陽湖西南岸，位于東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°09′～29°11′，屬亞熱帶濕潤季風型氣候，氣候濕潤溫和，日照充足，降雨量充沛，夏季多偏南風，冬季多偏北風，年無霜期長、冰凍期短。

(4)當車輛需求的功率為負值且電池的SOC值低于其上限值時，關(guān)閉發(fā)動機。

插電式混合動力車的工作模式有電量消耗模式和電量維持模式。車輛的工作模式定義如下:

(1)當電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的功率能夠由電機單獨驅(qū)動時，則車輛在純電動模式下運行;

(2)當電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的功率不能由電機單獨驅(qū)動時，則電機輸出其最大功率，由發(fā)動機補充驅(qū)動車輛所缺少的那部分功率;

(3)當電池的SOC值低于其下限值且車輛需求的功率低于發(fā)動機工作在其經(jīng)濟區(qū)能夠提供的功率時，發(fā)動機工作在它的最優(yōu)工作點，多余的功率用來給電池充電;

(5)當電池的SOC值低于其下限值且車輛需求的功率為負值時，進行制動能量回收給電池充電。

3 仿真結(jié)果及分析

在ADVISOR中對發(fā)動機、電機和蓄電池等部件進行建模，在上述兩種控制策略下對PHEV的性能進行仿真分析。在選擇仿真循環(huán)工況時，考慮到一般SUV車的行駛工況，選擇代表城市路況的美國城市循環(huán)工況UDDS－EPA進行仿真[10]。該工況全程11.99 km，時間1 369 s，最高車速為91.25 km/h，平均車速為31.51 km/h，有多次的啟停和急加速、急減速，有助于研究混合動力車輛的制動能量回收性能。由于一個循環(huán)的路程較短不能較好地體現(xiàn)不同控制策略的優(yōu)缺點，故采用不同的循環(huán)次數(shù)進行仿真，得到該插電式混合動力SUV車輛的百公里油耗值如表3所示。

表3 不同循環(huán)的百公里油耗

從表3的結(jié)果可以看出，對于同樣配置的PHEV，車輛在充滿電后行駛相同的路程，以電為主的規(guī)則控制策略與電輔助控制策略相比，經(jīng)濟性得到了提高。行駛5個和8個UDDS－EPA循環(huán)工況時，總路程不到100 km，PHEV的電池SOC值處于較高水平，此時采用以電為主的規(guī)則控制策略充分利用了蓄電池的電能，只在電機不能單獨驅(qū)動車輛時才開啟發(fā)動機，故車輛的百公里油耗僅為2.60 L左右，而采用電輔助控制策略則以發(fā)動機驅(qū)動為主，百公里油耗為6.60 L左右，大大高于以電為主的規(guī)則控制策略。而當車輛運行15個循環(huán)，總路程為179.80 km，車輛行駛到后幾個循環(huán)時，電池的SOC值越來越低，尤其是以電為主的規(guī)則控制策略，其SOC值更低，對電能的依賴慢慢減少，發(fā)動機運行的時間變長，百公里油耗比前8個循環(huán)增大了53.8%，與電輔助控制策略間的油耗值差距有所減小，但是其節(jié)油的優(yōu)勢依然明顯。

兩種控制策略下電機工作點分布圖如圖2所示。由圖2可知，采用以電為主的規(guī)則控制策略的充電式混合動力車充分利用了電機的低速高轉(zhuǎn)矩特點，且工作點更多地分布在高效區(qū)，可取得更好的經(jīng)濟性。

圖2 兩種控制策略下電機工作點分布圖

該充電式SUV車采用以電為主的規(guī)則控制策略在UDDS－EPA工況下連續(xù)運行15個循環(huán)的仿真結(jié)果如圖3所示。其中圖3(a)為該工況需求車速與實際車速圖，從該圖中可以看出該車輛的實際車速與需求車速完全吻合。圖3(b)為電池SOC值變化曲線，圖3(c)為電機輸出轉(zhuǎn)矩圖，圖3(d)為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩圖。在蓄電池SOC值較高(0.7)時，為了維護電池，不進行制動能量回收，車輛在電量消耗模式下運行，主要由電機驅(qū)動車輛，發(fā)動機只起輔助功能，以電能的消耗代替燃油的消耗以降低油耗;車輛在運行了7個UDDS－EPA循環(huán)后，電池SOC值下降到0.4，車輛進入電量維持模式運行，由發(fā)動機和電機共同工作;當電池的SOC值達到下限值0.2時，則由發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛，電機不驅(qū)動。

圖3 以電為主的控制策略在UDDS－EPA工況下運行15個循環(huán)的仿真結(jié)果

采用以電為主的規(guī)則控制策略得到的整車動力性仿真結(jié)果為:最高車速為166 km/h;0～100 km/h的加速時間為13.9 s;最大加速度為4.3 m/s2;車速 v=88.5 km/h時，爬坡度為15.6%。從仿真結(jié)果可看出，該混合動力電動汽車的動力性不僅滿足混合動力車的技術(shù)指標，而且性能高于一般的傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車。

由于電機參數(shù)和電池組容量對整車的經(jīng)濟性影響最大，在此對這兩個參數(shù)在ADVISOR中進行優(yōu)化，得到的結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著電池容量增大油耗越來越低，電池容量比例因子對油耗的影響在[0.5，1.0]區(qū)間比在[1.0，1.5]區(qū)間大。而電池的容量對車輛成本的影響很大，故當電池容量比例因子為1.0(即為前面匹配的60 A·h)時既能獲得較好的燃油經(jīng)濟性，又不至于增加車輛的成本。當電機的轉(zhuǎn)矩比例因子為0.9時得到了最低的油耗值，但是在[0.8，1.2]區(qū)間對油耗的影響差異很大，故匹配最大轉(zhuǎn)矩為表2中最大轉(zhuǎn)矩的0.9倍(即0.9×252=226.8 N·m)的電機能夠獲得更低的油耗。

圖4 電機及電池參數(shù)對油耗的影響圖

4 結(jié)論

筆者對插電式混合動力SUV車進行動力計算，包括發(fā)動機、電機、蓄電池和變速箱在內(nèi)的動力系統(tǒng)進行設(shè)計選型，并在已有的電輔助控制策略的基礎(chǔ)上提出了以電為主的規(guī)則控制策略。通過在仿真軟件ADVISOR 2002中對該車輛進行仿真，對比兩種控制策略，可以看出筆者提出的以電為主的規(guī)則控制策略包括電量消耗模式和電量維持模式，與電輔助控制策略相比，大大提高了車輛的經(jīng)濟性。因此插電式混合動力車采用該控制策略比較合適。

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