并聯(lián)式PHEV自適應(yīng)能量管理策略研究

摘 要：以一款并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)為研究對(duì)象，為提高其燃油經(jīng)濟(jì)性，基于等效油耗最低策略，提出一種自適應(yīng)能量管理策略。仿真結(jié)果表明，與CD-CS策略相比，所提出自適應(yīng)能量管理策略能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力汽車(chē)；能量管理策略；自適應(yīng)；等效油耗最低策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.043

0 引言

目前純電動(dòng)汽車(chē)的使用受充電基礎(chǔ)設(shè)施不足，電池能量密度較低等條件限制，還沒(méi)法大規(guī)模應(yīng)用。插電式混合動(dòng)力對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施依賴(lài)程度沒(méi)有那么高，是短期能夠大規(guī)模應(yīng)用，甚至全面取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的技術(shù)方案[1]。

能量管理策略是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，能量管理策略主要分為規(guī)則控制策略、全局優(yōu)化策略和局部?jī)?yōu)化策略[2]。規(guī)則控制策略，比如電量消耗-電量保持策略（CD-CS）規(guī)則策略比較簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高，是工業(yè)應(yīng)用最多的策略[3-4]。全局優(yōu)化策略，比如動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法（DP），能夠在給定工況下取得最優(yōu)的控制效果，但實(shí)際工況難以提前準(zhǔn)確獲取，因此動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法無(wú)法在實(shí)車(chē)中應(yīng)用[5-7]。瞬時(shí)優(yōu)化策略是全局優(yōu)化策略的改進(jìn)。比如本文采用的等效油耗最低策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS），該算法不需要提前知道工況信息，實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)的扭矩分配。本文將ECMS策略用于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的能量管理，提出一種自適應(yīng)能量管理策略。

1 整車(chē)布局與參數(shù)

本文的研究對(duì)象為一款同軸并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整車(chē)主要參數(shù)如表1所示。

2 自適應(yīng)能量管理策略

2.1 等效油耗最低策略

整車(chē)瞬時(shí)等效油耗等于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃油消耗與消耗電能的等效油耗之和，可由下式表示：

（1）

式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)；為電能等效油耗，當(dāng)電池功率為正時(shí)（放電），電能等效油耗為正；當(dāng)電池功率為負(fù)時(shí)（充電），電能等效油耗為負(fù)；s為等效因子，為燃油低熱值，為電池輸出功率。

電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩滿(mǎn)足駕駛員需求扭矩：

（2）

另外，系統(tǒng)需滿(mǎn)足如下約束條件：

（3）

選擇發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為控制變量，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的最優(yōu)解可表示為：

（4）

等效因子對(duì)控制策略影響很大，在實(shí)際使用過(guò)程中，為了避免電池實(shí)際SOC在規(guī)定范圍內(nèi)，根據(jù)電池SOC的變化，需要對(duì)等效因子進(jìn)行修正。當(dāng)電池SOC過(guò)高時(shí)，降低等效因子，使控制策略更傾向使用電能；當(dāng)電池SOC過(guò)低，增大等效因子，使控制策略更傾向使用發(fā)動(dòng)機(jī)。

等效因子的懲罰函數(shù)可由下式表示：

（5）

式中，為比例修正項(xiàng)；為積分修正項(xiàng)； 為電池當(dāng)前SOC值；為期望的SOC值；為電池SOC允許變化的范圍，等于SOC上限與下限之差；n是比例項(xiàng)的形狀修正系數(shù)，本文n取2； 為算法采樣時(shí)間。

2.2 電池電量使用規(guī)劃

目前，最常采用的電量使用策略是電量消耗-電量保持（CD-CS）策略。該策略的優(yōu)點(diǎn)是能夠保證電能優(yōu)先使用，但是當(dāng)出行里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純電續(xù)駛里程時(shí)，整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性隨里程增加而變差。研究表明，當(dāng)出行里程大于純電續(xù)駛里程時(shí)，電量混合消耗模式（Charge-Blended）的燃油經(jīng)濟(jì)性高于CD-CS策略。電量混合消耗模式指，電池電量在整車(chē)出行里程中處于下降階段。電量CD-CS模式和電量混合消耗模式電池SOC下降軌跡示意圖如圖2所示。

為了使用自適應(yīng)等效油耗最低策略，需要得到參考SOC軌跡。為了充分利用電池電量，避免CD-CS策略的缺點(diǎn)，提出隨里程線(xiàn)性下降SOC參考軌跡，任意時(shí)刻的參考值可以用下式表示：

（6）

式中，為電池初始SOC值，L為總出行里程，電量保持階段的參考SOC值，取為0.3，為已行駛里程，上式只適用于當(dāng)出行里程L大于純電續(xù)駛里程，為下一時(shí)刻的參考SOC值。

3 仿真分析

在Simulink中建立整車(chē)仿真模型，如圖3所示。采用多個(gè)NEDC循環(huán)疊加的方式實(shí)現(xiàn)所需里程，對(duì)所提出的自適應(yīng)策略進(jìn)行仿真分析，并與傳統(tǒng)的CD-CS策略進(jìn)行對(duì)比。循環(huán)工況由9個(gè)NEDC循環(huán)組成，總里程為98.4公里。

圖3為電池SOC軌跡曲線(xiàn)對(duì)比?？梢钥闯?，自適應(yīng)策略能夠較好的跟隨參考SOC軌跡，SOC在整個(gè)行程中逐漸下降，沒(méi)有出現(xiàn)電量保持，直至行程結(jié)束時(shí)，SOC接近最低值。而對(duì)于CD-CS策略，電池SOC在8000秒之前下降較快。CD-CS策略中，其全程的平均油耗為1.22 L/100km，電量保持階段平均油耗為4.52L/100km，電量保持階段的油耗明顯高于全程平均油耗。而自適應(yīng)策略在全程處于電量下降階段，全程平均油耗為1.15L/100km，相比CD-CS策略，降低了5.74%。

圖4、圖5分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)工作點(diǎn)分布情況對(duì)比。由圖4可以看出，CD-CS策略和自適應(yīng)策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工作點(diǎn)處于高效率區(qū)。但是可以明顯看出，自適應(yīng)策略的工作點(diǎn)更加集中在高效率區(qū)。而CD-CS策略下的發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率較低。圖5中，可以看出自適應(yīng)策略下電機(jī)發(fā)電扭矩更大。這是因?yàn)樵谶@個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)在中高扭矩的效率比較高，避免了電機(jī)在效率較低的低轉(zhuǎn)矩區(qū)工作，使整車(chē)的動(dòng)力傳遞效率更高。

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)CD-CS策略無(wú)法充分發(fā)揮插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)能潛力的缺點(diǎn)，將自適應(yīng)等效油耗最低策略用于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的能量管理。仿真結(jié)果表明，在9個(gè)NEDC循環(huán)下，所提出的自適應(yīng)能量管理策略在保證充分利用電能的同時(shí)，相比傳統(tǒng)CD-CS策略，整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性提高了5.74%。

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作者簡(jiǎn)介：胡正凱（1989-），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向：插電式混合動(dòng)力汽車(chē)能量管理策略。