基于增程式電動(dòng)汽車的能量管理控制策略研究

王開德，韓凱凱

(1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

石油資源緊缺和環(huán)境污染問題使得純電動(dòng)汽車逐漸成為最受青睞的發(fā)展車型[1-2]，但目前動(dòng)力電池技術(shù)尚未突破瓶頸，純電動(dòng)汽車的發(fā)展也因續(xù)駛里程不足而受到諸多限制。增程式電動(dòng)汽車作為新型車輛，兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)汽車的續(xù)駛里程和純電動(dòng)汽車?yán)们鍧嵏咝У碾娔茯?qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的過渡車型[3]。

增程式電動(dòng)汽車不同于燃油汽車和純電動(dòng)汽車，因此，動(dòng)力電池和增程器雙動(dòng)力源的存在使得能量管理控制策略尤為重要。所以，通過制定合理有效的控制策略，將整車的需求功率在兩個(gè)能量源之間進(jìn)行最佳分配，是提高整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性、保證動(dòng)力部件高效工作的關(guān)鍵[4]。本研究以傳統(tǒng)的控制策略為基礎(chǔ)，通過提出合理有效的能量管理策略來控制車載的兩個(gè)動(dòng)力源，從而保證汽車正常行駛所需提供的能量，提高增程式電動(dòng)汽車的性能。同時(shí)，又以汽車結(jié)束行駛時(shí)電池電量下降至設(shè)定荷電區(qū)間的下限值為優(yōu)化目標(biāo)，通過合理控制汽車行駛過程中增程器的關(guān)閉時(shí)刻對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，避免動(dòng)力電池過度放電導(dǎo)致壽命縮短的問題[5]。

1 能量管理控制策略及設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)要求

能量管理控制策略是指在汽車行駛過程中根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)將整車的需求功率合理分配給兩個(gè)動(dòng)力源，從而實(shí)現(xiàn)提高整車性能和降低汽車使用成本的方法[6]，其基本要求有：

1) 在汽車行駛過程中只要?jiǎng)恿﹄姵夭怀霈F(xiàn)放電至影響其使用壽命的情況，則盡可能依靠電池提供能量保證汽車正常行駛；

2) 在汽車的行駛過程中，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停而造成使用壽命縮短和燃油消耗過多的情況，通過能量管理控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行控制，保證其工作在高效區(qū)；

3) 通過能量管理控制策略使動(dòng)力電池SOC維持在合理的荷電區(qū)間內(nèi)，避免動(dòng)力電池深度放電，保證動(dòng)力電池能夠回收制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

1.2 增程器補(bǔ)償電池放電的控制策略

1.2.1電動(dòng)汽車的整車控制策略

本研究以傳統(tǒng)的控制策略為基礎(chǔ)，從延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命來降低汽車使用成本的角度出發(fā)，制定了增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略。為了避免動(dòng)力電池過度放電，整車需求能量大于動(dòng)力電池輸出能量的部分由增程器輸出能量進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證汽車正常行駛的能量需求[7]。增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略中各符號(hào)及意義見表1。

表1 控制策略參數(shù)表

1.2.2增程器控制策略

在增程器的控制策略中，若動(dòng)力電池SOC大于荷電區(qū)間下限值，則整車以純電動(dòng)模式運(yùn)行，在此模式下由動(dòng)力電池單獨(dú)輸出能量，保證汽車行駛過程中所有的能量需求而不需要開啟增程器；若動(dòng)力電池SOC下降至荷電區(qū)間下限值，則將增程器打開，整車以增程模式運(yùn)行，根據(jù)整車需求能量的大小確定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用何種控制策略，然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。增程器控制策略流程圖見圖1。

圖1 增程器控制策略流程

2 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模

為了驗(yàn)證整車性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及所制定的能量管理策略可行性，有必要選擇合適的仿真軟件進(jìn)行仿真。本研究主要按照設(shè)計(jì)要求對(duì)ADVISOR中自帶的各部件模型進(jìn)行修改并在Matlab/Simulink中搭建增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的控制策略模型，為后續(xù)仿真打下基礎(chǔ)[8]。

2.1 增程式電動(dòng)汽車建模實(shí)現(xiàn)

2.1.1創(chuàng)建增程式電動(dòng)汽車輸入腳本文件

整車參數(shù)輸入窗口見圖2，通過此界面編輯相應(yīng)部件的m文件，從而將軟件自帶的數(shù)據(jù)更改為所設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車的基本參數(shù)和匹配結(jié)果。

圖2 整車參數(shù)輸入窗口

2.1.2設(shè)計(jì)汽車仿真模型

增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)布置形式為串聯(lián)式，所以選擇ADVISOR中自帶的串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車仿真模型，然后按照設(shè)計(jì)要求對(duì)該模型進(jìn)行修改，并利用修改后的模型進(jìn)行仿真。增程式電動(dòng)汽車仿真模型頂層結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 增程式電動(dòng)汽車仿真模型的頂層結(jié)構(gòu)

2.2 整車動(dòng)力學(xué)模型

汽車在行駛方向上受到的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力決定了汽車沿行駛方向的運(yùn)動(dòng)特性，汽車在行駛方向上的受力見圖4。汽車的行駛方程式為

Ft=Fr+Fw+Fi+Fj。

(1)

圖4 汽車受力示意

整車動(dòng)力學(xué)模型主要根據(jù)輪胎接地點(diǎn)的受力平衡計(jì)算整車牽引力的大小，利用迭代的方法計(jì)算整車的加速度，進(jìn)而逐步積分計(jì)算整車的速度。需求驅(qū)動(dòng)力與平均速度的乘積就是驅(qū)動(dòng)車輪行駛的需求功率。

滾動(dòng)阻力Fr計(jì)算公式為

Fr=(veh_mass+veh_cargo_mass)·
veh_gravity·cos(atan(grade))·
(veh_spd_r·wh_2nd_rrc+wh_1st_rrc)。

(2)

空氣阻力Fw計(jì)算公式為

Fw=veh_spd_r∧2·veh_air_density·
veh_CD·veh_FA·0.5。

(3)

坡道阻力Fi計(jì)算公式為

Fi=(veh_mass+veh_cargo_mass)·
veh_gravity·sin[atan(grade)]。

(4)

加速阻力Fj計(jì)算公式為

Fj=(veh_mass+veh_cargo_mass)·
(cyc_spd_r-v_prev)/dt。

(5)

2.3 增程器模型

增程器模型中的發(fā)電機(jī)模塊將其接收到的需求轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作為輸入信號(hào)，通過計(jì)算輸出電功率給功率總線模塊驅(qū)動(dòng)汽車。該模塊考慮了自身功率損失、轉(zhuǎn)子軸加速慣性轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性和控制器電流的限制。發(fā)電機(jī)模塊結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 發(fā)電機(jī)模塊結(jié)構(gòu)

2.4 能量管理策略模型

2.4.1增程器控制模塊

增程器控制模塊是由車輛工作模式的判斷、發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及發(fā)電機(jī)控制三部分組成。在本研究制定的能量管理控制策略中，增程器的工作狀態(tài)隨著車輛運(yùn)行模式的變化而變化。首先根據(jù)動(dòng)力電池SOC以及整車需求功率與動(dòng)力電池最大放電功率之間的大小判斷是否需要開啟增程器。若需要開啟增程器，則根據(jù)整車需求功率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效點(diǎn)的輸出功率來決定采用恒溫器控制策略或者功率跟隨控制策略[9]。

2.4.2電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制和電機(jī)制動(dòng)控制兩部分，根據(jù)檢測(cè)到的車速和踏板信號(hào)來判斷車輛處于驅(qū)動(dòng)模式還是制動(dòng)能量回收模式，然后通過輸入的踏板信號(hào)計(jì)算出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

3 整車性能仿真與模型優(yōu)化

3.1 仿真參數(shù)的設(shè)置

3.1.1循環(huán)工況的選擇

由于所設(shè)計(jì)的汽車主要行駛在城市和城郊道路，所以選擇由4個(gè)市區(qū)運(yùn)行工況和1個(gè)郊區(qū)運(yùn)行工況組成的CYC_ECE_EUDC工況對(duì)整車性能進(jìn)行仿真。CYC_ECE_EUDC工況見圖6。

圖6 CYC_ECE_EUDC工況

CYC_ECE_EUDC工況的特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 CYC_ECE_EUDC工況特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

3.1.2加速性能測(cè)試設(shè)置

加速性能測(cè)試主要是用來確定增程式電動(dòng)汽車的加速性能是否滿足整車的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過加速性能測(cè)試既可以對(duì)前期動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果的正確與否進(jìn)行驗(yàn)證，又可以為后期的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)[10]。

在加速性能測(cè)試中可以對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行設(shè)置，汽車在加速性能測(cè)試中所需的能量既可以由增程器或動(dòng)力電池單獨(dú)提供，也可以讓兩個(gè)動(dòng)力源均參與到汽車加速性能測(cè)試中，共同提供汽車所需的能量。測(cè)試結(jié)果可以顯示在仿真結(jié)果界面上。

3.1.3爬坡性能測(cè)試設(shè)置

爬坡性能測(cè)試中，既可以選擇汽車以指定的某一恒定速度行駛能夠達(dá)到的最大坡度來進(jìn)行測(cè)試,也可以選擇在設(shè)定的坡度下汽車所能達(dá)到的最高車速來進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)本研究制定的性能指標(biāo)，選擇汽車以20 km/h的恒定速度爬坡時(shí)，汽車所能達(dá)到的最大坡度來測(cè)試設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車的爬坡能力,驗(yàn)證該車的爬坡能力。

3.2 整車性能仿真分析

在整車定義界面輸入所設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車的基本參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)匹配結(jié)果，然后將搭建的增程器補(bǔ)償電池放電的控制策略模型嵌入到ADVISOR中。為了能充分展示出汽車行駛過程中動(dòng)力電池的充放電過程，在初始條件設(shè)置欄中將循環(huán)工況的重復(fù)次數(shù)設(shè)為20次，初始動(dòng)力電池SOC設(shè)為1。

在汽車行駛過程中，動(dòng)力電池電量下降至設(shè)定荷電區(qū)間下限值時(shí)將增程器打開，若對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒溫器控制策略，為了避免動(dòng)力電池過度充放電，將動(dòng)力電池的荷電區(qū)間上下限值分別設(shè)置為0.7和0.3；若對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用功率跟隨控制策略，則將動(dòng)力電池SOC控制在荷電區(qū)間下限值0.3左右進(jìn)行小幅度波動(dòng)。在對(duì)整車性能進(jìn)行仿真分析之前需要驗(yàn)證模型，檢驗(yàn)搭建的模型能否滿足增程式電動(dòng)汽車行駛過程中不同的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真

圖7示出動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可看出，該模式下增程器不打開，動(dòng)力電池單獨(dú)提供汽車行駛過程中所需的全部能量，根據(jù)電機(jī)需求功率控制動(dòng)力電池的放電功率，兩者之間的變化趨勢(shì)相同。將系統(tǒng)各部件自身的功率損失考慮在內(nèi)，所以動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下，動(dòng)力電池放電功率大于電機(jī)的需求功率，說明仿真滿足使用要求。

圖7 動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果

3.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真

圖8示出發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果。在此模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)作為唯一的動(dòng)力源，輸出整車需求的全部能量，而動(dòng)力電池不再進(jìn)行能量輸出。在汽車行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率隨電機(jī)需求功率的變化而發(fā)生變化，并且兩者之間的變化趨勢(shì)保持一致。發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與驅(qū)動(dòng)，而是將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，進(jìn)而傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。不同形式的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換會(huì)造成能量損失，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大于電機(jī)的需求功率。若汽車需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效點(diǎn)1的輸出功率(10 kW)時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，需采用恒溫器控制策略將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率控制在10 kW，保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量主要用于滿足汽車的行駛需求，多余的能量轉(zhuǎn)換成電能為動(dòng)力電池充電。圖8中動(dòng)力電池放電功率為負(fù)的時(shí)間段表示動(dòng)力電池在充電，動(dòng)力電池放電功率為0的時(shí)間段表示電池不進(jìn)行能量輸出，整車以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式運(yùn)行。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果

3.2.3行車充電驅(qū)動(dòng)模式仿真

圖9示出行車充電驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果。在汽車行駛過程中，電機(jī)的需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效點(diǎn)1的輸出功率時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行導(dǎo)致較高的燃油消耗，所以將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率限制為10 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量一部分用來滿足汽車的行駛需求，一部分轉(zhuǎn)換成電能為動(dòng)力電池充電，使得動(dòng)力電池的電量盡可能長(zhǎng)時(shí)間地維持在合理的荷電區(qū)間。圖9中，電機(jī)需求功率為負(fù)的時(shí)間段表示汽車減速制動(dòng)過程，由于所制定的增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略考慮了制動(dòng)能量回收的問題，所以汽車在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量不會(huì)造成浪費(fèi)，而是轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存于動(dòng)力電池中。

圖9 行車充電驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果

3.2.4雙動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)模式仿真

圖10示出雙動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果。當(dāng)動(dòng)力電池電量下降至荷電區(qū)間下限值時(shí)，為了避免動(dòng)力電池繼續(xù)放電，此時(shí)打開增程器并將其作為保證汽車正常行駛的主要?jiǎng)恿υ础Ｔ谄囆旭傔^程中，若電機(jī)需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效點(diǎn)2的輸出功率25 kW時(shí)，通過恒溫器控制策略將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率限制為25 kW，整車需求功率與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率之間的差值由動(dòng)力電池放電進(jìn)行補(bǔ)償，增程器和動(dòng)力電池兩個(gè)動(dòng)力源共同輸出能量保證汽車正常行駛。

圖10 雙動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果

3.2.5動(dòng)力性仿真

圖11示出CYC_ECE_EUDC工況下車速隨時(shí)間的變化，由*號(hào)組成的曲線表示設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車在仿真過程中實(shí)際的速度隨時(shí)間的變化，兩條曲線基本重合，表明汽車具有良好的跟隨性，驗(yàn)證了對(duì)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配結(jié)果，這也說明仿真數(shù)據(jù)能夠滿足循環(huán)工況對(duì)整車動(dòng)力性的要求。

圖11 CYC_ECE_EUDC工況下仿真車速隨時(shí)間的變化

從圖12可以看出，在一個(gè)完整的CYC_ECE_EUDC工況內(nèi)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩既有正值也有負(fù)值。當(dāng)汽車正常行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為增程式電動(dòng)汽車上唯一的驅(qū)動(dòng)裝置，輸出轉(zhuǎn)矩為正，滿足汽車的能量需求；當(dāng)汽車進(jìn)行減速制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù)，通過電機(jī)可以將制動(dòng)過程產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能為動(dòng)力電池充電。

圖12 CYC_ECE_EUDC下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化

所設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力性仿真結(jié)果見圖13。從圖13可以看出，汽車的最高車速為110.3 km/h， 0—50 km/h的加速時(shí)間為5 s。在進(jìn)行爬坡性能測(cè)試時(shí)，汽車在20 km/h的恒定速度下能夠完成的最大爬坡度為25.6%。

圖13 動(dòng)力性仿真結(jié)果

整車動(dòng)力性仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)比見表3。通過表3可知，汽車的最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度這3大表征汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了對(duì)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)匹配結(jié)果的正確性。

表3 整車動(dòng)力性仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)比

3.2.6經(jīng)濟(jì)性仿真

增程式電動(dòng)汽車純電動(dòng)續(xù)駛里程見圖14。從圖14可知，汽車在剛開始行駛時(shí)電池電量充足，不需要開啟增程器，由動(dòng)力電池單獨(dú)提供汽車行駛過程中所需的全部能量。當(dāng)汽車行駛了14 926 s(約4 h)后動(dòng)力電池的電量下降至0.299 94，此時(shí)動(dòng)力電池SOC低于設(shè)定的動(dòng)力電池荷電區(qū)間下限值0.3。為了避免動(dòng)力電池繼續(xù)放電，打開增程器并將其作為主要?jiǎng)恿υ摧敵瞿芰?，保證汽車正常行駛。通過將行駛過程中汽車的需求功率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效點(diǎn)的輸出功率進(jìn)行對(duì)比，然后確定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒溫器控制策略或功率跟隨控制策略。當(dāng)電池SOC隨著行駛時(shí)間的增加而逐漸下降至荷電區(qū)間下限值時(shí)，汽車從純電動(dòng)模式運(yùn)行轉(zhuǎn)為增程模式運(yùn)行，增程式電動(dòng)汽車的純電動(dòng)續(xù)駛里程為131.45 km。由于所制定的增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略能通過電機(jī)將減速制動(dòng)過程產(chǎn)生的制動(dòng)能量進(jìn)行回收并儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中，有利于提高整車的能量利用率，所以仿真結(jié)果顯示增程式電動(dòng)汽車純電動(dòng)續(xù)駛里程大于設(shè)定的120 km。

圖14 純電動(dòng)續(xù)駛里程

圖15示出CYC_ECE_EUDC工況下動(dòng)力電池的放電效率。從圖15可以看出，動(dòng)力電池的放電效率基本能夠達(dá)到0.95，在整個(gè)過程中具有較高的放電效率，能夠充分利用電能驅(qū)動(dòng)汽車行駛，有利于發(fā)揮增程式電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)。

圖15 CYC_ECE_EUDC工況下動(dòng)力電池放電效率

增程式電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)在于能有效減少燃油消耗，所以整車的燃油經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)該車性能是否良好的重要指標(biāo)[11]。表4列出3種不同控制策略下所設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車的性能仿真結(jié)果對(duì)比。

表4 3種控制策略下整車性能仿真結(jié)果對(duì)比

通過表4可以看出，所設(shè)計(jì)的增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略中，可以由動(dòng)力電池和增程器共同輸出能量保證汽車正常行駛，所以在3種控制策略中，增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電的能量管理控制策略的動(dòng)力性最好，其最高車速和0—50 km/h加速時(shí)間均優(yōu)于其他兩種策略；增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電控制策略與功率跟隨控制策略相比，能夠使增程式電動(dòng)汽車100 km所消耗的燃油減少，從而提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性；增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電控制策略與恒溫器控制策略相比，能進(jìn)一步提高整車的動(dòng)力性。通過上述對(duì)比表明：本研究所制定的增程器補(bǔ)償動(dòng)力電池放電控制策略與傳統(tǒng)控制策略相比更具有優(yōu)越性，能夠有效提高整車的性能。

3.3 模型優(yōu)化

3.3.1優(yōu)化策略的制定

在汽車行駛過程中，當(dāng)電池電量隨行駛時(shí)間的增加而逐漸下降至設(shè)定的荷電區(qū)間下限值時(shí)，打開增程器使汽車以增程模式運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，?dòng)力電池僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余能量進(jìn)行吸收或補(bǔ)償不足的整車需求能量[12]。在此過程中，動(dòng)力電池SOC僅發(fā)生小幅度波動(dòng)。制定優(yōu)化策略的規(guī)則時(shí)，設(shè)定功率跟隨控制策略中電池SOC充放電區(qū)間的上下限值分別為0.5和0.3，并要求使電池電量一直維持在0.4左右。汽車開始行駛時(shí)，電池SOC從設(shè)定的初始值1下降至0.3的過程中，單位SOC能驅(qū)動(dòng)汽車行駛的距離用a表示，此過程中汽車的總行駛距離用S1表示；當(dāng)電池電量下降至荷電區(qū)間下限值，打開增程器為動(dòng)力電池充電使電池電量從0.3上升至0.5的過程中，單位SOC能驅(qū)動(dòng)汽車行駛的距離用b表示，此過程中汽車的總行駛距離用S2表示；當(dāng)動(dòng)力電池充電至電池SOC達(dá)到荷電區(qū)間上限值，關(guān)閉增程器，由動(dòng)力電池單獨(dú)輸出能量驅(qū)動(dòng)汽車行駛使電池電量從0.5下降至0.3的過程中，單位SOC能驅(qū)動(dòng)汽車行駛的距離用c表示，此過程中汽車的總行駛距離用S3表示。最終通過計(jì)算得到a=1.877 7，b=0.850 2，c=1.809 4。

當(dāng)目標(biāo)行駛里程處于[S1，S1+S2+S3]區(qū)間內(nèi)，增程式電動(dòng)汽車的目標(biāo)行駛里程為

S=a(SOC0-30)+
(b+c)(SOCAPU_off-30)。

(6)

通過式(6)可以得到增程器關(guān)閉時(shí)刻的動(dòng)力電池SOC，即

當(dāng)目標(biāo)行駛里程大于S1+S2+S3時(shí)，增程式電動(dòng)汽車的目標(biāo)行駛里程為

S=a(SOC0-30)+40(n-1)
(b+c)+(b+c)(SOCAPU_off-30)。

(8)

式中：n為增程器的啟動(dòng)次數(shù)。

通過式(8)可以得到增程器關(guān)閉時(shí)刻的動(dòng)力電池SOC，即

(9)

3.3.2優(yōu)化模型仿真結(jié)果

在優(yōu)化模型仿真過程中，將動(dòng)力電池初始SOC設(shè)為1，通過計(jì)算得到S1=131.45 km，S2=17.01 km，S3=36.71 km，本研究中增程式電動(dòng)汽車的定位為家用車，日行駛里程基本不超過160 km，所以在此次仿真中將汽車的行駛里程設(shè)為160 km。因?yàn)槟繕?biāo)行駛里程處于[131.45，185.17]區(qū)間內(nèi)，由式(7)計(jì)算得到，汽車?yán)m(xù)駛里程為160 km時(shí)，在增程模式下發(fā)動(dòng)機(jī)為電池充電使其電量上升至0.399時(shí)即可關(guān)閉增程器，此時(shí)電池中儲(chǔ)存的電量可以提供汽車行駛完剩余里程所需的全部能量，并在汽車結(jié)束行駛時(shí)保證電池電量下降至荷電區(qū)間下限值。模型優(yōu)化前后的動(dòng)力電池SOC隨行駛距離的變化分別見圖16和圖17。

圖16 模型優(yōu)化前的仿真結(jié)果

圖17 模型優(yōu)化后的仿真結(jié)果

從圖16和圖17可知，由于設(shè)定的仿真行駛目標(biāo)里程為160 km，超出了所設(shè)計(jì)的增程式電動(dòng)汽車的純電動(dòng)續(xù)駛里程，在汽車行駛過程中，當(dāng)電池電量下降至設(shè)定的荷電區(qū)間下限值，打開增程器使汽車以增程模式運(yùn)行。從圖16模型優(yōu)化前的仿真結(jié)果可知，當(dāng)汽車完成160 km的行駛里程時(shí)，動(dòng)力電池SOC為0.44，沒有下降至設(shè)定的荷電區(qū)間下限值，無法達(dá)到充分利用電能驅(qū)動(dòng)汽車行駛和減少燃油消耗的目標(biāo)。從圖17可知，在汽車行駛過程中，通過提前關(guān)閉增程器，利用電池輸出能量保證汽車完成剩余行駛里程所需的全部能量。以160 km作為仿真行駛目標(biāo)里程時(shí)，在增程模式下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)給動(dòng)力電池充電使電池SOC上升至0.399時(shí)可以關(guān)閉增程器，然后由電池單獨(dú)輸出汽車完成剩余行駛里程所需的全部能量，并能使汽車結(jié)束行駛時(shí)電池SOC下降至0.3。與優(yōu)化前的模型相比，優(yōu)化后的模型在此次仿真中使增程器的工作時(shí)間減少了57.55%。優(yōu)化后的模型能在完成目標(biāo)行駛里程時(shí)使電池電量下降至設(shè)定的荷電區(qū)間下限值，在汽車的行駛過程中有效縮短了增程器的工作時(shí)間，從而減少了燃油消耗，更多地依賴電能驅(qū)動(dòng)汽車行駛，充分發(fā)揮了增程式電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

增程式電動(dòng)汽車兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)汽車的續(xù)駛里程和純電動(dòng)汽車?yán)秒娔茯?qū)動(dòng)清潔高效的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的過渡車型。本文分別從動(dòng)力電池和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)角度出發(fā)，闡述了能量管理控制策略的含義，并對(duì)三種傳統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析，按照汽車在行駛過程中的能量流動(dòng)對(duì)各工作模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過仿真驗(yàn)證了整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及續(xù)駛里程等均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后以汽車結(jié)束行駛時(shí)電池電量下降至設(shè)定的荷電區(qū)間下限值為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明增程器的工作時(shí)間明顯縮短，增程器的燃油消耗大幅度降低。