兩種行駛模式下增程器啟停時刻優(yōu)化

黃 欣，陳凌珊

(上海工程技術大學汽車工程學院，上海 201620)

增程式電動汽車(Extended－ Range Electric Vehicle，E－REV)可以解決純電動汽車續(xù)駛里程不足的問題，是作為混合動力向純電動的一種平穩(wěn)過渡［1］。增程器作為E－REV 的核心部件，其啟停控制決定了汽車運行的工作模式。一方面，相比于汽油，電能價格較低，因此希望E－REV 盡可能的純電行駛。另一方面，若汽車僅運行在純電動模式，則又違背了給純電動汽車“增程”的初衷。本文分別考慮汽車短途和長途兩種行駛模式，通過優(yōu)化控制策略減少增程器啟停次數(shù)和工作時間，可達到提高燃油經(jīng)濟性和滿足汽車行駛里程的雙重目的。

本文以某款E－REV 為研究對象，基于Cruise建立整車模型，與Simulink 建立的控制策略聯(lián)合仿真，在選定工況下，預設汽車行駛里程，并控制電池荷電狀態(tài)SOC(State of Change)在合理范圍內(nèi)變化，通過對比優(yōu)化前后增程器啟停次數(shù)和工作時間，驗證控制策略的可行性。

1 E－REV 參數(shù)及控制策略

以某款E－REV 為研究對象，作者已完成了E－REV 動力匹配與性能仿真的相關研究，本文仿真中用到整車參數(shù)和動力系統(tǒng)部件參數(shù)可見文獻［2］?？紤]車輛的不同行駛模式，仿真中選用的工況為新歐洲行駛工況(New European Driving Cycle，NEDC)，它是一種模式行駛工況，涉及長時間的恒速行駛，包含四個重復市區(qū)循環(huán)和一個市郊循環(huán)，理論試驗距離10.87 km，時間1 180 s［3］。

增程器輔助動力單元(Auxiliary Power，APU)采用恒溫+功率跟隨控制策略［4］，發(fā)動機與傳動系統(tǒng)在機械上沒有連接，可以脫離路面負荷，啟動后工作在高效區(qū)域，功率不足的部分由動力電池提供。

圖1 反映出恒溫+功率跟隨控制策略的方法。

APU 跟隨不同功率值時，發(fā)動機工作在不同的等功率曲線上，且曲線上的工況點都工作在發(fā)動機萬有特性曲線中燃油消耗經(jīng)濟區(qū)域，把每條等功率曲線上的燃油最低工況點連接起來組成燃油消耗最低曲線，在這條曲線上，發(fā)動機工況點按照恒溫+功率跟隨工作模式，APU 在跟隨需求功率的同時也能保證發(fā)動機燃油消耗經(jīng)濟性。

2 行駛里程計算

電池SOC 初值設為1.0，增程器的原有控制策略為電池SOC 值低于0.3 時增程器啟動，電池SOC 值高于0.7 時增程器關閉。設定汽車行駛里程為D，單位km。定義行駛里程容量比概念，公式為:汽車行駛里程/電池SOC 變化量，單位km/%，可反映電池單位SOC 的行駛里程。用參數(shù)λ1、λ2、λ3分別表示電池SOC 從初值下降到0.3、增程器開啟后SOC 從0.3 充電到0.7、純電動行駛SOC從0.7 下降到0.3 的里程容量比，其中，汽車到達目標里程的前一段時間工作在純電動模式可由目標里程長度決定。

設整個行駛過程中增程器啟動次數(shù)為n，則行駛里程為D為

式中:SOCt表示汽車到達目標里程停車時電池SOC 大小。其中，增程器未開啟時間內(nèi)，E－ REV以純電動行駛的距離d為

則在整個行駛過程中，E－REV 以純電動行駛的距離占總目標里程比ε 為

相比燃油價格，電能價格低廉，且不會帶來排放問題。因此，在汽車整個行駛過程中因盡量增加純電動里程，即盡量使比例ε 增大?？刂撇呗酝ㄟ^電池SOC 值控制增程器啟停，一方面，為了避免電池深度放電而導致電池壽命降低，設定的SOC 下限值不能過小;另一方面，若單純縮小電池SOC 的變化范圍，又會導致增程器啟停頻繁，在發(fā)動機剛啟動時排放較多且振動較大，導致燃油經(jīng)濟性和舒適性下降［5］。因此，本文優(yōu)化策略的核心思想是合理控制電池SOC 值的變化范圍，同時減少增程器的啟停次數(shù)和運行時間，以增加全里程內(nèi)純電動行駛里程的比例。

3 控制策略優(yōu)化

3.1 短途模式

原有的控制策略中電池SOC 值的變化范圍為0.3～0.7。本文設置的短途行駛距離為90 km，在短途模式下，可以通過提前開啟或提前關閉增程器來減少增程器的運行時間，此種優(yōu)化策略縮小了電池SOC 值的變化范圍，到達目的地時電池SOC 值剛好到達設定的下限值，保證車輛停止后能及時利用外接電源充電。如圖2～圖3所示，增程器提前開啟和提前關閉時，純電里程都有所增加，根據(jù)式(1)～式(3)計算，ε 提高了13.3%。

3.2 長途模式

短途模式中的優(yōu)化思想不能簡單應用于長途行駛模式，縮小電池SOC 值變化范圍能使增程器的單次工作時間減少，但會導致增程器的啟停次數(shù)增多，累計運行時間變長，長途行駛時不能達到優(yōu)化目的。因為電池SOC 直接決定了汽車純電動續(xù)駛能力，基于上述思想，提出新策略如下:延長E－REV 行車充電時間，以換取下一次較長的純電行駛里程，雖然增程器單次工作時間延長，但在整個行駛過程中累計運行時間變短，并可以減少增程器啟停次數(shù);在增程器最后一次運行時可提前關閉，之后汽車以純電動行駛到達目標里程，且保證到達目標里程時SOC 值≥0.3，避免電池深度放電，使車輛停止后能及時利用外接電源充電。汽車行駛里程、電池SOC 初值、下限值和(1)～(3)式中條件不變，優(yōu)化后設SOC 上限值為SOC1，增程器最后一次運行提前關閉時SOC 值為SOC2，有下式

目標里程D為已知條件，到達目標里程時SOC 值等于0.3，SOC1和SOC2滿足關系式(4)，可通過仿真計算來調(diào)整它們的大小以滿足行車里程。預設汽車長途行駛里程為300 km，選定NEDC 工況，在原有的控制策略下，仿真結(jié)果如圖4所示。

在Simulink 中導入新的控制策略，將模型轉(zhuǎn)化成dll 文件與Cruise 進行聯(lián)合仿真，通過計算調(diào)整SOC 變化范圍值，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示。

通過仿真，在滿足在目標里程約束條件下，結(jié)合式(4)計算并調(diào)整SOC1和SOC2值，最終得到的SOC1和SOC2值分別為0.823 和0.710，參數(shù)λ1、λ2、λ3分別為1.06、0.46、1.04，優(yōu)化前后結(jié)果對比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后對比 (%)

由上表可知，新策略同時完成了增程器啟停次數(shù)和運行時間的優(yōu)化，在行駛過程中增程器啟停次數(shù)減少一次，運行時間減少，純電動里程增加。因此，汽車行駛經(jīng)濟性和排放性能得到了提升。

4 結(jié)束語

以某款E－REV 為研究對象，以目標里程和電池SOC 值為約束條件，分別提出了短途和長途行駛模式下增程器啟?？刂频男虏呗裕⑼ㄟ^Cruise/Simulink 聯(lián)合仿真驗證了策略的可行性，達到了優(yōu)化目的。但是，本文提出的新控制策略受目標里程和行駛工況的影響較大，目標里程和行駛工況改變時可能達不到優(yōu)化效果，但本文為汽車常用路徑和工況行駛下［6］的控制策略提供了理論研究基礎。

［1］TATE E D，MICHAEL O H，PETER J S.The electrification of the automobile:from conventional hybrid，to plug－in hybrids，to extended－range electric vehicles［C］//SAE，2008(58):1－4.

［2］黃欣，陳凌珊.基于Cruise 的增程式電動汽車動力匹配與性能仿真［J］.天津理工大學學報，2014，(5):56－60.

［3］李孟良，朱西產(chǎn)，張建偉，等.典型城市車輛行駛工況構(gòu)成的研究［J］.汽車工程，2005(5):557－560.

［4］陳長紅.增程式電動汽車控制策略的研究［D］.錦州:遼寧工業(yè)大學，2013.

［5］張博彥，雷艷，周大森.混合電動車輔助動力系統(tǒng)噪聲控制［J］.內(nèi)燃機工程，2005(6):64－66.

［6］于瀛霄，張煒航，王天利.常用路徑及工況下增程式電動汽車能量控制策略研究［J］.遼寧工業(yè)大學學報:自然科學版，2013(4):104－107.