串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量控制策略研究與仿真分析

張丹　李治國(guó)　陳標(biāo)

摘 要：為提高生產(chǎn)效率，減少整車開(kāi)發(fā)成本，利用Matlab/Simulink軟件建立串聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力學(xué)模型，并在UDDS循環(huán)工況下進(jìn)行仿真分析。通過(guò)采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力電池的匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)域，在保證動(dòng)力性的同時(shí)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;控制策略;仿真;經(jīng)濟(jì)性

1 引言

目前，全球汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，人類對(duì)于石化能源的消耗也在與日俱增，同時(shí)其有害氣體排放也使得人類的生存環(huán)境日益惡化。在能源短缺與環(huán)境污染的雙重背景下，作為傳統(tǒng)燃油車向純電動(dòng)汽車過(guò)渡的混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV），已成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的主要清潔能源汽車之一[1]。

與傳統(tǒng)汽車相比，HEV在控制方面所需控制對(duì)象更復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性和可靠性要求更高。在不降低整車性能的前提下，多動(dòng)力源件間的協(xié)同工作需采用有效的能量管理策略，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的功效。針對(duì)此問(wèn)題，本文在Matlab/Simulink環(huán)境下建立串聯(lián)混合動(dòng)力汽車模型，并采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略，實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力部件間的協(xié)調(diào)工作，以優(yōu)化整車的控制效果和工作效率，從而實(shí)現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

隨著混合動(dòng)力汽車多元化發(fā)展，按動(dòng)力總成與組合方式的不同，其可分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式。

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間沒(méi)有直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與整車速度、加速度之間無(wú)直接關(guān)系，可連續(xù)運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩區(qū)間，有利于降低燃油消耗，減少污染物排放。在多停車—起步的市區(qū)行駛工況下，電傳動(dòng)系統(tǒng)需采用不同的控制模式，具體如下[2]：

1）純電動(dòng)模式：該模式僅由電池組為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，屬于零排放模式。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作模式 ：該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，電池并不輸出電能，僅用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)。

3）雙動(dòng)力源工作模式 ：該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組與電池組協(xié)同工作，電池組在提供動(dòng)力的同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在效率最優(yōu)工作區(qū)域。

4）再生制動(dòng)模式：在車輛減速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用作發(fā)電機(jī)，將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，向電池組充電，完成制動(dòng)能量回收。

3 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車建模

如圖2所示，本文基于MATLAB/Simulink仿真環(huán)境建立串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車模型，該模型包括駕駛員模型、整車控制器模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電力系統(tǒng)模型（電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變換器及蓄電池等）及整車動(dòng)力學(xué)模型[1]。

由于本文采用前向仿真建模，整車能量傳遞的路線和方向與實(shí)際汽車行駛過(guò)程中傳遞的方向相一致。在駕駛員模型中，根據(jù)實(shí)際車速與循環(huán)工況給定的參考車速之間的偏差來(lái)調(diào)節(jié)加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度，以滿足預(yù)定的車速要求。駕駛員輸出的扭矩需求傳遞至整車控制器，根據(jù)控制策略決定各個(gè)動(dòng)力源的輸出功率和扭矩，經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞至車輪，對(duì)外輸出每一時(shí)刻的實(shí)際車速，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4 整車能量管理控制策略

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各部件參數(shù)確定后，需要對(duì)整車能量管理控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便合理地控制各動(dòng)力源的功率輸出，充分發(fā)揮串聯(lián)式電動(dòng)汽車的節(jié)能潛力。

在低載荷運(yùn)行工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)可輕易使峰值電源充至全電平狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致其輸出功率小于其最佳工況值。在該條件下，宜采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)或恒溫控制策略[3]。如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況由峰值電源（Peak Power Supply，PPS）的SOC值予以控制。在汽車運(yùn)行過(guò)程中，電池SOC下降至最低閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)將啟動(dòng)并向蓄電池充電。為獲得較高的燃油效率，發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率運(yùn)行區(qū)域內(nèi)工作，提供恒值功率為蓄電池充電，直至其達(dá)到預(yù)設(shè)SOC值，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)關(guān)閉[4]。

5 仿真結(jié)果分析

結(jié)合UDDS城市循環(huán)工況，對(duì)所建立的混合動(dòng)力汽車模型進(jìn)行仿真。如圖4所示，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)際車速與目標(biāo)車速相差很小，兩條速度變化曲線幾乎重合。

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)力矩跟隨駕駛員踏板信號(hào)發(fā)生變化， 在車輛減速階段電機(jī)輸出功率為負(fù)值，表示在進(jìn)行制動(dòng)能量回收，如圖5所示。

當(dāng)SOC值低于0.6時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電，直至SOC值達(dá)到0.7，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，如圖6所示。

綜上所述，本文所建系統(tǒng)模型具有良好的仿真效果，適合用于混合動(dòng)力汽車控制領(lǐng)域的仿真研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立混合動(dòng)力汽車模型。通過(guò)采用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)控制策略實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電池組的高效運(yùn)作，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭竹安，蔣偉康，呂紅明，et al. 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型仿真[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2019（3）.

[2]張書(shū)東.串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車工作模式及運(yùn)行工況分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（3）：240-241.

[3]Chi H L. Modeling and analysis of power trains for hybrid electric vehicles[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems，2018（6）：e2541.

[4]增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及優(yōu)化研究[D]. 江蘇理工學(xué)院，2018.