插電式混合動力整車能量管理控制策略*

李貴炎， 魯植雄

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 南京 210037； 2. 南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處， 南京 211188； 3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 南京 210031)

整車能量管理控制策略主要目標(biāo)為依照每個構(gòu)件的效率特征，在發(fā)動機(jī)及電機(jī)之間把能量完成適當(dāng)?shù)姆峙?，從而使系統(tǒng)能夠獲得最佳的效率[1].管理控制策略能夠在很大程度上對插電式混合動力汽車的整車經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，因為插電式混合動力汽車能夠運用外部電網(wǎng)完成充電，為了最大程度獲得相對小成本的能量，能量管理控制策略中最基本的就是以電為主[2].然而車輛在實際行駛中，工況等因素對整車燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生非常大的擾動，這也使得對其能量管理控制策略的要求越來越高.

目前，大部分控制策略都是依照極小值原理及動態(tài)規(guī)劃等方式來獲取全局最優(yōu)[3]，如基于瞬時優(yōu)化的能量管理策略，其實際上是把電機(jī)的能量損耗轉(zhuǎn)化成相對一致的燃油消耗，加上發(fā)動機(jī)油耗稱作名義油耗，同時以各時刻的極小值當(dāng)做控制目標(biāo)完成扭矩分配.該方法雖然可完成實時最優(yōu)控制，然而其并不等同于全局最優(yōu)，并且運算量以及成本都非常高.全局最優(yōu)化在整個運行范圍中搜索相對更優(yōu)勢的方式，同時利用最優(yōu)化方法及控制理論完成各時刻的扭矩分配，然而該方式務(wù)必要提前知道車輛實際行駛路況以及交通信息，這在很大程度上提升了其實現(xiàn)難度.本文以插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)作為研究對象，對其整車能量管理控制策略進(jìn)行了研究分析.

1　整車能量管理策略方案

運用規(guī)則控制對整車能量管理控制策略進(jìn)行研究分析，其總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　整車能量管理控制策略Fig.1　Vehicle energy management control strategy

圖1中APS及BPS分別為加速及制動踏板信號，v為此時此刻汽車的行駛速度，Treq為整車所需要的扭矩，Pm及PT分別為模式控制及扭矩分配參數(shù).管理控制工作流程如下：

1) 依照加速及制動踏板信號，同時參照此時運行速度獲得其所需要的扭矩Treq；

2) 根據(jù)已知的里程以及行駛工況信息確定Pm及PT；

3) 根據(jù)當(dāng)前車輛信息、Treq及Pm明確整車的工作主、子模式；

4) 根據(jù)PT明確傳遞給發(fā)動機(jī)、驅(qū)動及混合動力電機(jī)扭矩命令.

一般情況下，依照發(fā)動機(jī)外特性明確驅(qū)動力和運行速度的關(guān)系(如圖2所示)，連接每個擋位驅(qū)動力曲線的外包絡(luò)線即可得到理想情況下的整車驅(qū)動力曲線.根據(jù)日平均行駛里程自適應(yīng)方式獲得已知里程信息，利用混合動力控制單元完成日行駛里程的記錄，同時計算其平均值.

2　控制策略

依照行駛里程以及工況信息完成能量管理控制策略的優(yōu)化，能夠在很大程度上展現(xiàn)插電式混合動力汽車雙動力源的長處，從而獲得相對更加優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性.全局優(yōu)化根據(jù)行駛里程以及工況信息選擇更加合適的電網(wǎng)充入電能分配方案，進(jìn)而使電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)在達(dá)至終點時恰好能夠減小至極小值.然而隨著行駛里程的進(jìn)一步升高，僅僅依賴把從電網(wǎng)充入的電能相對比較均勻地分發(fā)至全程無法實現(xiàn)相對更加優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性，因此，務(wù)必搜索相對更加完善的控制策略.本文使用的插電式混合動力汽車參數(shù)如表1所示，采用行駛里程擇取能量管理的主策略，隨后再依照工況完成優(yōu)化，其控制策略如圖3所示.

依照汽車的行駛里程，將主策略分成電驅(qū)動、平均分配電能[4]、先電能消耗[5](charging of depleting，CD)后電能維持[6](charging of sustaining，CS)等3個策略.將電機(jī)能夠最大程度的驅(qū)動汽車CD階段續(xù)駛的里程稱為CDR[7](charge depleting range).經(jīng)過慢慢縮減純電動范圍，同時最大程度地制約電機(jī)最高輸出扭矩，進(jìn)而控制電池SOC的下降速度，使其能夠最大程度地增加CD階段的里程.不同純電動區(qū)間下的油耗對比如圖4所示.

表1　汽車參數(shù)Tab.1　Vehicle parameters

圖3　控制策略Fig.3　Control strategy

圖4　不同純電動區(qū)間下油耗分析Fig.4　　　　Fuel consumption analysis in different pure electric ranges

根據(jù)圖4可知，當(dāng)里程相對較短時，原純電動范圍下的經(jīng)濟(jì)性相對來說最佳；隨著里程的逐漸升高，運用相對更低純電動范圍能夠得到相對更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性；相對最優(yōu)的純電動范圍隨著里程的逐漸升高而慢慢變小.

使用縮減純電動范圍的方法得到的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的成效隨著汽車?yán)锍痰闹鸩缴叨郎p弱，直到與原策略[8](在不同的工況及行駛里程下，均以CD階段以電為主、CS階段電量維持的控制策略)的油耗基本一致.另外，如果純電動范圍相對很小，那么將導(dǎo)致無法最大程度地發(fā)揮電機(jī)在低速范圍的驅(qū)動優(yōu)勢，將此時臨界純電動范圍相應(yīng)的CD階段續(xù)駛里程稱為CDR′[9]，其具體劃分如圖5所示.

策略1最大電能驅(qū)動(S

圖5　控制策略分類Fig.5　Control strategy classification

策略2電能平均分配(CDR

策略3CS模式(S>CDR′).如果行駛里程超過CDR′后，繼續(xù)縮減純電動范圍反而不會提升燃油經(jīng)濟(jì)性.行駛里程低于CDR′時以消耗電能為主，純電動區(qū)間與策略2中達(dá)到CDR′時的臨界純電動區(qū)間相同，純電動范圍低至CDR′臨界限時，SOC減至極小值，高于CDR′后整車進(jìn)至CS階段，以維持SOC為主.

3　實驗結(jié)果分析

運用Matlab/Simulink構(gòu)建控制策略實驗平臺，設(shè)計了有代表性的城市上下班、近途及遠(yuǎn)途[10-11]3種行駛方式對該控制策略效果進(jìn)行檢驗.運用表1的汽車參數(shù)在CD階段以最大電能驅(qū)動車輛，CS階段關(guān)鍵運用發(fā)動機(jī)，然后輔用電機(jī)維持SOC基本穩(wěn)定不變.

1) 城市上下班工況.該工況平均車速及總里程分別是15.21 km/h及27.78 km，依照策略劃分擇取主策略1，原策略與現(xiàn)策略對比仿真實驗結(jié)果如圖6所示.

圖6　城市短途工況對比Fig.6　　　　Comparison under city short-term operating conditions

根據(jù)圖6可知，該工況下原策略與現(xiàn)策略相比其油耗及SOC改變基本一致；該工況下有時會出現(xiàn)扭矩相對較大的狀況，這時就要使用發(fā)動機(jī)，同時于第一次運轉(zhuǎn)后會完成一段時間的熱機(jī)，其消耗燃油0.14 L左右.

2) 近途工況.該工況是在城區(qū)的擁擠路況與快速路工況交錯復(fù)合的狀況下構(gòu)成的，在這種路況下，平均的行駛速度以及總里程分別是20.56 km/h及75.58 km，因此需要選擇策略2，其實驗結(jié)果對比如圖7所示.

圖7　近途工況對比Fig.7　Comparison under suburban operating conditions

根據(jù)圖7可知，該控制策略能夠使得SOC在行駛至里程終點時剛好減至最小值，從而確保汽車全部運行在CD階段；與原策略的油耗值相比，該控制策略的全程75.58 km總油耗在很大程度上小于原策略，其由3.0 L縮小至2.5 L.在中等長度的行駛條件下，該控制策略能夠相對更好地節(jié)省總里程油耗.

3) 長途工況.其是由城市擁擠、城郊快速路及高速公路工況復(fù)合構(gòu)成，其平均行駛速度及總里程分別是35.16 km/h及174.04 km.依照策略劃分使用主策略3，汽車起始以相對低的純電動區(qū)間運行，若電池的SOC值縮小至其下限值則開啟CS階段電能維持模式，其實驗結(jié)果對比如圖8所示.

根據(jù)圖8可知，原策略在初始階段，為了更大限度地運用電能，SOC相對縮減速度很快，從而相對更快進(jìn)至CS階段，而該控制策略相對來說行駛至更遠(yuǎn)的里程進(jìn)至CS階段；該控制策略行駛?cè)?74.04 km的總油耗在很大程度上小于原策略，其由8.0 L縮小至7.5 L，節(jié)油率達(dá)到了6.25%.

圖8　長途工況對比Fig.8　　　　Comparison under city long-term operating conditions

4　結(jié)　論

本文針對插電式混合動力汽車，根據(jù)已知里程及工況信息完成能量管理策略設(shè)計，并提出了基于行駛工況自適應(yīng)的3種控制策略.通過構(gòu)建的Matlab實驗平臺完成了對整車能量管理控制策略的分析，結(jié)果表明：控制策略能夠在很大程度上依照道路及車輛信息擇取當(dāng)前最佳的工作模式；控制策略可以依照不同的行駛距離及工況擇取相對更佳的控制方案，從而相對更加合理完成電能分配，進(jìn)而提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性.