插電式混合動(dòng)力汽車PHEV緊急充電模式下的電池電量控制策略優(yōu)化

徐玄之　魏黎　戴紫璐　彭超　徐梓峰　李克誠

摘 要：汽車產(chǎn)業(yè)一直以來都是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，根據(jù)汽車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，汽車主要分為傳統(tǒng)燃油汽車（動(dòng)力源為汽油或柴油）和新能源汽車（電能或其他節(jié)能資源必須作為動(dòng)力源之一）。而插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）屬于新能源汽車。對于不同的PHEV電驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和整車零部件參數(shù)，需要不同的能量管理策略。本文主要介紹了P0+P3 CVT PHEV混合動(dòng)力架構(gòu)的緊急充電模式下電池電量的控制策略，通過開發(fā)一種新的軟件控制策略，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，證明了即使P0電機(jī)功率較小時(shí)，也可以使車輛在極高環(huán)境溫度、較低SOC下維持怠速和蠕行的電平衡，保證電池包的使用壽命，同時(shí)不限制電子壓縮機(jī)功率，使駕駛室快速冷卻。

關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力汽車;電池電量;混合動(dòng)力架構(gòu);能量管理

中圖分類號：U469.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0111-03

Abstract： The automobile industry has always been a pillar industry of the national economy. According to the driving power source of automobiles， automobiles are mainly divided into traditional fuel vehicles （the power source is gasoline or diesel） and new energy vehicles （electric energy or other energy-saving resources must be used as one of the power sources）. The plug-in hybrid vehicle （PHEV） is a new energy vehicle. Different energy management strategies are required for different PHEV electric drive architectures and vehicle parts parameters. This paper mainly introduced the control strategy of battery power under the emergency charging mode of P0 + P3 CVT PHEV hybrid architecture. Through the development of a new software control strategy and combined with the test results， it was proved that even if the power of P0 motor was small， the vehicle could maintain the electric balance of idling and creeping under extremely high ambient temperature and low SOC， so as to ensure the service life of the battery pack. At the same time， the power of the electronic compressor is not limited， so that the cab can be cooled quickly.

Keywords： plug-in hybrid electric vehicle;state of charge;hybrid configuration;energy management

乘用車雙積分考核政策包括企業(yè)平均燃油消耗量（Corporate Average Fuel Consumption，CAFC）積分和新能源汽車（New Energy Vehicle，NEV）積分[1]。到2025年，乘用車新車平均燃料消耗量達(dá)到4.0 L/100 km是國際趨勢[2]，也是我國《中國制造2025》及《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略》中對節(jié)能與新能源汽車提出的要求。為了實(shí)現(xiàn)到2025年乘用車新車平均燃料消耗量達(dá)到4.0 L/100 km的目標(biāo)，一方面需要持續(xù)降低傳統(tǒng)汽車燃料消耗量，特別是推動(dòng)48 V系統(tǒng)、混合動(dòng)力系統(tǒng)等技術(shù)的廣泛使用，另一方面需要相當(dāng)數(shù)量的新能源汽車。

新能源汽車包括插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）、燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicles，F(xiàn)CV）[3]?；诟鬈嚻笞陨淼募夹g(shù)沉淀，結(jié)合其國內(nèi)的法規(guī)政策，當(dāng)前歐系車和美系車的新能源技術(shù)路徑趨勢主要是PHEV和BEV;日系車在國內(nèi)的新能源技術(shù)路徑趨勢主要是PHEV，日本境內(nèi)主要發(fā)展混合動(dòng)力汽車（HEV），暫時(shí)沒有新能源車型，在我國增加PHEV車型的主要是為了滿足中國的雙積分政策;國內(nèi)的新能源技術(shù)路徑趨勢主要是PHEV和BEV，國內(nèi)PHEV的混合動(dòng)力架構(gòu)相比歐洲、美系和日系車呈現(xiàn)出多樣性。在PHEV車型中，發(fā)動(dòng)機(jī)（汽柴油作為動(dòng)力源）和電機(jī)（電能作為動(dòng)力源）配合工作，共同驅(qū)動(dòng)車輛，P0+P3 CVT混合動(dòng)力架構(gòu)屬于PHEV變速箱的技術(shù)路徑之一，而混合動(dòng)力控制模塊（Hybrid Control Unit，HCU）作為PHEV車型的核心算法模塊，其中能量管理策略需要合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率扭矩，控制高壓附件的功率（例如，空調(diào)壓縮機(jī)），使電池電量（State of Charge，SOC）在合理范圍內(nèi)，保證電池包的壽命，并平衡車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性。

1 P0+P3 PHEV混合動(dòng)力架構(gòu)介紹

混合動(dòng)力總成按照動(dòng)力傳輸路線和變速箱類型進(jìn)行分類，可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)、并聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)、DHT（混合動(dòng)力專用變速箱）架構(gòu)，本文分析的對象是一種并聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)。

并聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)通常也被稱為Add on結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛，也可用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，同時(shí)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，但必須依托傳統(tǒng)變速箱才能實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)。根據(jù)電機(jī)在整車上不同的布置（見圖1），并聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)分為P0、P1、P2、P3、P4結(jié)構(gòu)。本文分析的混合動(dòng)力變速箱結(jié)構(gòu)為P0+P3結(jié)構(gòu)，依靠傳統(tǒng)CVT變速器實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的機(jī)電耦合。典型車型：大眾P2;吉利P2.5;比亞迪P0+P3。

2 P0+P3低電量能量管理功能

2.1 背景技術(shù)介紹

對于P0+P3 PHEV混合動(dòng)力架構(gòu)，受制于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的布置空間，P0電機(jī)功率往往比較小，當(dāng)車輛處于極熱環(huán)境且電池電量非常低時(shí)，車輛如果處于怠速或蠕行工況，P3電機(jī)無法給電池充電，P0電機(jī)既需要維持電池電量，同時(shí)需要使電子壓縮機(jī)快速制冷。但是，因?yàn)镻0電機(jī)的功率過小，只能優(yōu)先維持電平衡，電子壓縮機(jī)功率受限，駕駛室無法快速制冷。因此，需要對低電量的能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化，在P0電機(jī)功率無法進(jìn)一步提升的條件下，使車輛在極高環(huán)境溫度且電池電量較低的情況下，既可以滿足怠速或蠕行的電平衡，又不限制電子壓縮機(jī)功率，使駕駛室快速冷卻，并且不影響電池包的使用壽命。

2.2 工作原理介紹

最初的怠速或蠕行電平衡狀態(tài)及工作原理：如圖2所示左側(cè)的當(dāng)前策略，當(dāng)電池電量低于16%時(shí)，HCU控制車輛進(jìn)入GMC1 mode即緊急充電模式1狀態(tài)。怠速或蠕行工況下，P0電機(jī)強(qiáng)制最大功率發(fā)電，平衡DC-DC（直流-直流）低壓電耗、電子壓縮機(jī)的高壓電耗和P3電機(jī)蠕行電耗，避免電池包電量進(jìn)一步下降。

P0電機(jī)首先要保證DC-DC的低壓電耗，在GMC1 mode，根據(jù)公式P_AC（AC可用功率）=P0（P0電機(jī)最大發(fā)電功率）-P_DCDC（DCDC實(shí)際消耗功率），怠速或蠕行工況的空調(diào)壓縮機(jī)（Airconditioning Compressor，AC）的電功率會(huì)被限制;在GMC2 mode，根據(jù)公式P_AC（AC可用功率）=P0（P0電機(jī)最大發(fā)電功率）-P_DCDC（DCDC實(shí)際消耗功率）-800 W，空調(diào)壓縮機(jī)的電功率進(jìn)一步被限制，其中800 W為P3電機(jī)蠕行需要的功率。由于空調(diào)壓縮機(jī)電功率被限制，當(dāng)車輛需要打開空調(diào)快速冷卻駕駛室溫度時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的功率無法滿足要求。圖3顯示，在低電池電量（SOC）（SOC<16.1%）且環(huán)境溫度在43 ℃浸車工況下，怠速開空調(diào)，出風(fēng)口溫度長期維持在30 ℃以上無法降到20 ℃左右，無法滿足駕駛員的冷卻要求;圖4顯示在高SOC工況下，空調(diào)壓縮機(jī)的功率不被限制，出風(fēng)口溫度快速下降到20 ℃以下，滿足駕駛員的冷卻要求。

優(yōu)化后的怠速或蠕行電平衡狀態(tài)機(jī)工作原理：圖2右側(cè)為優(yōu)化后的怠速或蠕行電平衡策略，當(dāng)打開空調(diào)且SOC下降到20%時(shí)，整車管理模塊（VMS）轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)激活標(biāo)志位信號給HCU，HCU接受到此信號后切換成一組特殊GMC mode;SOC在20%～16%時(shí)，怠速或蠕行工況P0電機(jī)最大功率發(fā)電，同時(shí)不限制空調(diào)壓縮機(jī)的功率，P3電機(jī)功率限制在10 kW，有4%的SOC區(qū)間使駕駛艙快速冷卻，避免因AC功率受限無法快速冷卻駕駛室。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果對比

通過對比圖3和圖4可以看出，空調(diào)壓縮機(jī)限功率的情況下，空調(diào)出風(fēng)口溫度200 s以內(nèi)只能降到35 ℃;空調(diào)壓縮機(jī)不限功率（3.5 kW）的情況下，空調(diào)出風(fēng)口溫度200 s以內(nèi)可以降到20 ℃，耗電0.19 kW·h。

更改怠速或蠕行電平衡策略后，SOC在16%～20%，不限制空調(diào)壓縮機(jī)功率（3.5 kW），4%的SOC允許空調(diào)壓縮機(jī)耗電0.55 kW·h，可以很大程度地延緩顧客抱怨。圖5為怠速車內(nèi)溫度穩(wěn)定工況空調(diào)性能。從圖5可知，車內(nèi)溫度穩(wěn)定后空調(diào)壓縮機(jī)功率需要2 kW（電池包冷卻+乘客艙冷卻）。當(dāng)SOC低于16%，低SOC怠速工況允許空調(diào)壓縮機(jī)最大功率為1.8 kW，基本可以維持車內(nèi)溫度。當(dāng)SOC低于13.3%時(shí)，禁止蠕行及空調(diào)制冷，保證電池包的使用壽命。

該電平衡策略更改結(jié)果與理論分析吻合，可極大程度地降低顧客對低SOC怠速和蠕行的空調(diào)制冷的抱怨。

表1對比了傳統(tǒng)車輛和競品車輛（ERX5）的空調(diào)壓縮機(jī)功率，在電池包冷卻開啟的條件下，為了讓駕駛室快速冷卻，一般需要3 kW左右的空調(diào)壓縮機(jī)功率。

3 結(jié)論

PHEV混合動(dòng)力架構(gòu)種類多樣，每種混合動(dòng)力架構(gòu)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，針對不同的混合動(dòng)力架構(gòu)的缺點(diǎn)，需要提出有針對性的混合動(dòng)力控制策略，不能因?yàn)榛旌蟿?dòng)力架構(gòu)的固有缺陷而輕易否定一種混合動(dòng)力架構(gòu)。針對P0+P3 PHEV混合動(dòng)力架構(gòu)，當(dāng)P0電機(jī)的功率較小且無法進(jìn)一步提升功率時(shí)，通過優(yōu)化低SOC的電平衡策略，增加一組特殊緊急充電模式，使P0電機(jī)提前介入強(qiáng)制發(fā)電，預(yù)留4%的SOC區(qū)間（16%～20%），可以通過不限制壓縮機(jī)功率，使乘客艙提前制冷至穩(wěn)定溫度工況，極大程度地降低駕駛員對低SOC的空調(diào)制冷抱怨。

參考文獻(xiàn)：

[1]工業(yè)和信息化部.乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法[J].中國對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易文告，2020（51）：9-11.

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[3]國家市場監(jiān)督管理總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).插電式混合動(dòng)力電動(dòng)乘用車 技術(shù)條件：GB/T 32694—2021[S/OL].[2010-03-09]. https：//www.doc88.com/p-07147122840133.html.