插電式串聯混合動力汽車的系統匹配與仿真*

吳曉剛，盧蘭光

(1.哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，哈爾濱 150080; 2.清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

在建立整車模型的基礎上，利用能量流圖的方法分析幾種能量分配控制方法，通過比較得到一種能夠提高燃油經濟性和零部件效率的能量分配方法。

插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)是指可通過外部充電裝置從電網中獲取電能的混合動力汽車［1］。PHEV能夠在保證整車動力性能的前提下，在電能消耗續(xù)駛里程內主要通過電力驅動系統驅動車輛，從而充分利用電網電能［2］。目前國外許多汽車制造商及研究機構針對不同構型的PHEV開展了相關的研究工作［3-5］。

為保證PHEV具有良好的節(jié)能效果，需要在對構型分析和系統匹配的基礎上，進行能量分配控制方法的研究。本文中針對一款插電式串聯混合動力汽車(plug-in series hybrid electric vehicle，PSHEV)

1 PSHEV動力系統構型分析

本文中研究的PSHEV是在傳統電動汽車構型的基礎上，采用原動機和發(fā)電機構成的輔助功率單元(auxiliary power unit，APU)來彌補動力電池存儲能量少而帶來的不足，達到增加電驅動車輛行駛里程的目的。

PSHEV動力系統構型如圖1所示，主要由驅動電機、動力電池和APU 3部分構成。

發(fā)電機輸出的電能和動力電池儲存的電能可以分別或混合后為驅動電機提供能量。系統通過發(fā)電機—電機實現機械能—電能—機械能的轉換，將傳統汽車機械耦合傳動變成電傳動，發(fā)動機與車輛實現完全機械解耦，其運行工況不受汽車行駛工況的影響，發(fā)動機可以始終控制在最佳的工作區(qū)內穩(wěn)定運行。

2 PSHEV動力系統匹配和部件選型

設計的PSHEV動力系統匹配和部件選型方案如圖2所示。

動力系統匹配和選型過程中，首先通過分析道路工況和整車的功率需求，決定對整車動力源的功率要求，由于所設計的PSHEV為電驅動平臺汽車，即通過整車功率需求可確定牽引電機的功率，通過車輛的加速和爬坡度的計算，可得到牽引電機的最大轉矩和變速器(減速器)的速比。按照續(xù)駛里程的要求，可計算得到動力電池的容量參數。根據道路工況，確定APU的平均功率后，可通過建立原動機高效區(qū)、發(fā)電機高效區(qū)和電池電壓的參數關系，對APU進行匹配和選型。

2.1 道路工況和整車性能參數分析

車輛性能要求主要取決于運行狀態(tài)，因此設計時需要考慮循環(huán)工況和道路要求。圖3和圖4分別為我國乘用車的城區(qū)和城郊快速循環(huán)工況圖。由圖可看出，乘用車在城市工況下平均運行速度為20～60km/h，在城郊最高車速可達118.43km/h。

為保持原車的動力性，同時考慮PSHEV主要應用于城區(qū)道路的場合，參見文獻［6］中對我國各級公路主要技術指標、車庫內通車道的最大坡度數據以及日系乘用車最高車速和爬坡能力的論述，設計PSHEV的動力性目標如表1所示。

表1 PSHEV動力性設計目標

根據本文中所研究的實驗樣車車型，計算中采用車型參數如表2所示，計算所用參數如表3所示。

表2 PSHEV車型基本參數

表3 PSHEV計算參數表

2.2 驅動電機的選型

計算過程中認為PSHEV行駛在理想的道路上，即空氣絕對速度為零。

式中:Ft為電機牽引力;Ff為滾動阻力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力;Fj為加速阻力;f為滾動阻力系數;m為汽車質量;g為重力加速度，取9.8m/s2;i為坡度;Cd為空氣阻力系數;A為車輛迎風面積;ρ為空氣密度;ua為車速。

根據表2和表3的參數，汽車以滿載質量在不同坡度的道路上勻速行駛時，由式(1)和式(7)可以分別計算得到驅動電機的牽引力如圖5所示，牽引功率需求如圖6所示。

將行車阻力折算到電機輸出轉矩，可以得到如圖7所示數據。

以PSHEV平均速度60km/h、在爬坡度為9%的道路上運行，以車輛最高設計速度在平坦道路上運行作為確定驅動電機額定功率的重要參考;以PSHEV在9%坡度，車速為80km/h條件運行時所需功率作為確定驅動電機最高功率的重要參考。與此同時，驅動電機輸出轉矩還需要保證能夠爬上36%的坡度。根據圖7，可以確定驅動電機在此條件下運行功率為

P(9%，60km/h)≈25kW

P(9%，80km/h)≈37kW

P(0%，120km/h)≈28kW

在滿足減速比的條件下，最高功率37kW的驅動電機完全滿足車輛在水平道路上以120km/h高速運行時28kW的功率需求。因此，驅動電機的最高功率為

Pmax=25～37kW

驅動電機轉速與汽車行駛速度之間的關系為

式中:ua為車速;n為驅動電機轉速;r為車輪半徑，m;ig為變速器速比;i0為主減速器速比。

若原型車采用驅動電機直驅方式，即ig為1，而主減速比 i0按原型車主減速比計算，車輛以120km/h速度行駛時，根據式(8)可以計算出對應的電機轉速為4604r/min。因此電機最高轉速應達到4600r/min以上，最大轉矩應大于350N·m。

2.3 動力電池選型

動力電池電壓要和PSHEV的電壓等級和變化范圍一致，容量要滿足PSHEV在運行過程中對能量的要求，最大充電功率和放電功率要滿足發(fā)電機和驅動電機的功率要求?？紤]到所選驅動電機外電壓，本文選擇電池端電壓為240V。電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時的最大輸出功率和消耗的能量，以保證PSHEV的動力性和續(xù)駛里程要求。結合PSHEV純電動續(xù)駛里程指標計算所需動力電池的容量。為避免電池過度放電，參見文獻［7］中的計算，純電動續(xù)駛里程以電池容量的75%來計算。

式中:s為等速運行速度時的續(xù)駛里程;Pm為驅動電機需求功率;Pbat，out為電池輸出功率;Ubat為電池端電壓;Wbat為電池能量;Qbat為電池容量。

根據式(9)可以分別計算坡度為0%時，車輛分別以40、60和80km/h等速運行，續(xù)駛里程在100km時所需的電池容量，如表4所示。

表4 不同車速下PSHEV所需電池容量計算結果

根據我國頒布的GB/T18386—2001《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》中的要求，并結合參考文獻［7］中的計算，在設計續(xù)駛里程100km的情況下，選擇以60km/h等速運行時所需電池容量作為電池容量要求，結合實際情況，選擇電池容量為60A·h。

2.4 發(fā)電機選型

由于發(fā)電機產生的電能主要用來給驅動電機提供穩(wěn)態(tài)功率，因此在發(fā)電機選型的功率設計中主要考慮驅動電機功率需求和附件設備消耗功率需求。

2.4.1 驅動電機需求

乘用車在城區(qū)工況下電機的工作點分布如圖8所示，城郊快速工況下電機工作點分布如圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，城區(qū)工況時驅動電機最大功率不大于38kW，平均功率為3.25～4.33kW?？焖俟r時驅動電機最大功率約為45kW，平均功率在9.14～9.79kW之間。綜上所述，驅動電機輸出功率應該在3.25～45kW之間。

2.4.2 附件設備消耗功率需求

PSHEV附件設備消耗功率大約占整車驅動功率的15%左右［6］。若考慮怠速不停機策略，在城區(qū)工況APU輸出功率不應小于3.74kW?？焖俟r時APU輸出功率不應小于10.5kW。考慮怠速停機策略，在城區(qū)工況時APU輸出功率應不小于5kW。在城市快速工況時APU輸出功率應不小于11.3kW。

根據以上分析，可選取永磁同步發(fā)電機額定功率為12kW。此時可滿足整車在80km/h勻速時所需功率。同時，所選取60A·h容量的電池在1C放電下能提供14.4kW的功率，加上永磁同步發(fā)電機輸出功率，基本能夠滿足最高車速120km/h的功率需求。為此，選擇某公司生產的高速永磁發(fā)電機，其效率曲線如圖10所示。由圖10可知，當發(fā)電機轉速在3000～3500r/min，轉矩在50N·m左右時，效率最高可達90.5%。

2.5 發(fā)動機選型及其工作點的確定

在選擇發(fā)動機時，須考慮發(fā)電機和附件設備消耗功率，并與發(fā)電機匹配共同工作在最佳油耗區(qū)域。

由于已選擇發(fā)電機額定功率為12kW，考慮發(fā)電機的平均效率(按87%計算)，則發(fā)動機需要選擇的額定功率應大于13.79kW。為此選用某公司生產的3缸四沖程0.8L發(fā)動機，其實測燃油經濟工作曲線如圖11所示。

由圖11可知，發(fā)動機在2400～3200r/min，轉矩為50～65N·m區(qū)間時，燃油消耗量最低，與發(fā)電機的高效區(qū)實現了匹配。

3 整車性能仿真

為驗證PSHEV匹配選型的合理性，在Matlab/Simulink中建立了整車模型，在此基礎上進行了整車動力性能仿真，結果如表5所示。由表5可見，所設計的PSHEV可以滿足整車動力性能指標。

表5 PSHEV整車動力性能仿真結果

為分析所設計PSHEV的經濟性，選擇我國城市道路工況作為循環(huán)工況，采用ON-OFF、負載跟隨以及ON-OFF與負載跟隨相結合的3種不同控制方法，進行了整車仿真分析。

仿真分析主要在插電式混合動力汽車應用模式和電量維持模式兩種情況下進行。其中插電式混合動力汽車應用模式為初始SOC=0.9，純電動至SOC較低時開啟APU，使之處于電量維持模式。電量維持模式指循環(huán)工況下維持SOC在0.2～0.4之間。

3.1 ON-OFF控制方法仿真

電量維持模式下，采用ON-OFF控制方法，APU開啟后一直在輸出功率為15kW的工作區(qū)。此時動力電池電壓、發(fā)動機轉速、APU輸出電流和SOC隨工況循環(huán)波動的曲線如圖12所示。

由圖12可知，在SOC達到0.2以下時，APU開啟工作，此時APU輸出功率為15kW，當SOC達到0.4以上時，APU停止工作。

圖13為ON-OFF控制方法下發(fā)動機的工作區(qū)域。由圖13可見，采用ON-OFF控制方法，發(fā)動機處于負荷較高的工作區(qū)，即工作在燃油經濟性較好的區(qū)域，因此APU系統具有較好的燃油經濟性。

圖14為采用ON-OFF控制方法的能流圖。

由圖14可見，采用ON-OFF控制方法時，由于汽油發(fā)動機的負荷較高，因此發(fā)動機效率可達27.14%，但電池存在較頻繁的充放電情況，因此電池損耗較高，電池的充放電效率為95.43%。APU中發(fā)電機及整流橋的綜合效率在89.44%，發(fā)電機基本工作在高效區(qū)，當附件設備消耗功率為0.6kW時，附件消耗的能量達到燃料等價能量的4.79%，因此可從減小附件設備消耗功率著手減小能耗損失。

插電式混合動力汽車應用模式下，采用ON-OFF控制方法，電池SOC達到0.2時開啟APU工作，當SOC達到0.4時停止APU工作。此時電池SOC、直流母線電壓、電池電流和APU輸出功率變化曲線如圖15所示。

3.2 負載跟隨控制方法仿真

采用輔助功率單元負載跟隨控制方法，電池SOC維持在0.2～0.4之間，采用由道路工況決定的整車負載作為目標，功率輔助單元進行功率跟隨輸出。動力電池電壓、發(fā)動機轉速變化、APU輸出電流和SOC隨工況波動的曲線如圖16所示。

圖17為采用負載跟隨控制方法發(fā)動機的工作區(qū)域。由圖17可以看出，采用負載跟隨控制方法，發(fā)動機工作于較窄的轉速范圍內，由于負載跟隨功率從0開始，因此發(fā)動機既工作于負荷較高的高效工作區(qū)，又工作于怠速等燃油經濟性較差的區(qū)域。因此APU系統的燃油經濟性較差。

圖18為采用負載跟隨控制方法時系統的能流圖。由圖18可以看出，采用負載跟隨控制方法時由于汽油發(fā)動機的輸出功率跟隨路況決定需求功率，因此發(fā)動機工作點不全在高效區(qū)，效率只達到18.89%，但電池不存在較頻繁的充放電情況，因此電池損耗較低，電池的充放電效率為98.14%，電池的充電能量主要由制動能量回饋提供。由于發(fā)電機不只工作在高效區(qū)，因此APU中發(fā)電機及整流橋的綜合效率為73.74%。當附件消耗功率為0.6kW時，附件消耗的能量達到燃料等價能量的2.58%。

插電式混合動力汽車應用模式下，采用負載跟隨控制方法，電池SOC達到0.3時開啟APU工作，進行電量維持控制。電池SOC、直流母線電壓、電池電流和APU輸出功率變化曲線如圖19所示。

3.3 ON-OFF與負載跟隨結合的控制方法仿真

采用ON-OFF與負載跟隨結合的控制方法，指電池SOC維持在0.2～0.4之間時，輔助功率單元輸出功率范圍為10～20kW，即APU最小開啟功率為10kW。此時動力電池電壓、發(fā)動機轉速、APU輸出電流和SOC隨工況循環(huán)波動的曲線見圖20。

由圖20可以看出，在 SOC達到0.2以下時，APU開啟工作，此時APU輸出功率由負載功率決定，而跟隨的范圍為10～20kW。

圖21為ON-OFF與負載跟隨控制下發(fā)動機的工作區(qū)域。由圖21可見，采用ON-OFF與負載跟隨相結合的控制方法時，發(fā)動機工作在相對較好的燃油經濟性區(qū)域，APU系統具有較好的燃油經濟性。

圖22為采用ON-OFF與負載跟隨結合控制方法下的能流圖。由圖22可見，采用ON-OFF與負載跟隨相結合控制方法時，由于汽油發(fā)動機的輸出功率跟隨路況決定需求功率，且最小輸出功率為10kW，因此發(fā)動機工作點在經濟性較高區(qū)域，效率達到24.62%，在APU輸出功率較大時，由于實現了負載跟隨，因此電池充放電效率好于ON-OFF控制方法。APU中發(fā)電機及整流橋的綜合效率為88.13%。當附件設備消耗功率為0.6kW時，附件消耗的能量達到燃料等價能量的4.6%。

3種不同控制方法在電量維持條件下，燃油經濟性的仿真結果如表6所示。

由表6可以看出，采用ON-OFF控制方法，由于發(fā)動機無怠速狀況，且工作點均處于燃油經濟性較好的高效工作區(qū)，因此燃油經濟性較好。但由于ON-OFF存在頻繁的電池充放電狀況，因此電池的損耗較大，達到了4.57%。采用負載跟隨控制方法，發(fā)動機存在怠速運行狀況，且工作點分布在轉速范圍較窄的工作區(qū)域，因此燃油經濟性較差，但是由于APU的輸出功率是以負載的要求作為目標，因此電池充放電的狀況較少，電池損耗較小，為1.86%。為此，采用ON-OFF與負載跟隨相結合的控制方法，既可解決ON-OFF控制時電池損耗較高的問題，又能避免負載跟隨控制時發(fā)動機處于低效區(qū)的情況。

插電式混合動力汽車應用模式下，采用ON-OFF與負載跟隨結合的控制方法，電池SOC、直流母線電壓、電池電流和APU輸出功率變化曲線見圖23。

表6 3種控制方法經濟性仿真結果對比

4 結論

(1)在分析PSHEV構型和道路工況功率需求的基礎上，通過設計參數匹配和選型方案，建立了驅動電機功率、動力電池容量、汽油發(fā)動機和永磁同步發(fā)電機高效工作區(qū)等參數的關系，實現了PSHEV各部件的參數匹配與選型。

(2)在建立系統仿真模型的基礎上，分別對ONOFF、負載跟隨以及ON-OFF與負載跟隨相結合的3種控制方法進行了仿真，并通過能流圖進行了系統能效分析。仿真結果表明，采用ON-OFF與負載跟隨相結合的控制方法可以在改善燃油經濟性的同時，實現關鍵系統部件效率的提高。

［1］李獻菁，孫永正，鄧俊，等.插電式串聯混合動力汽車發(fā)動機起?？刂撇呗缘膬?yōu)化［J］.汽車工程，2011，33(2):112-117.

［2］張博，李君，高瑩，等.Plug-in混合動力汽車能量管理策略優(yōu)化設計［J］.農業(yè)機械學報，2009，40(9):20-25.

［3］Scott Jason Moura，Hosam K Fathyu，Duncan S Callaway.A Stochastic Optimal Control Approach for Power Management in Plug-in Hybrid Electric Vehicle［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2011，19(3):545-555.

［4］Reza Ghorbani，Eric Bibeau，Shaahin Filizadeh.On Conversion of Hybrid Electric Vehicles to Plug-in［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59(4):2016-2020.

［5］Sharer P B，Rousseau A，Karbowski D，et al.Plug-in Hybrid E-lectric Vehicle Control Strategy:Comparison Between EV and Charge-depleting Options［C］.SAE Paper 2008-01-0460.

［6］Lu Languang，Ouyang Minggao.How to Determine the Electric Car Design Specifications［C］.The 25thWorld Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium ＆ Exhibition，Shenzhen，2010，November 5-9.

［7］孫永正，李獻菁，鄧俊，等.插電式串聯混合動力轎車的選型匹配與仿真［J］.汽車工程，2010，32(12):1015-1020.