插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車仿真與能量管理策略

張湘湖，金玉秀，趙巖

煙臺(tái)芝罘公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，山東煙臺(tái) 264004

0 引言

隨著全球石油資源的不斷消耗以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重，零污染車輛受到更多的關(guān)注[1-4]，汽車電氣化成為一個(gè)熱門話題。由于電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決，如電車壽命有待提高、配套基礎(chǔ)設(shè)施不完善等[5]，混合動(dòng)力汽車是滿足更清潔、更環(huán)保汽車需求的解決方案之一[6-7]。混合動(dòng)力汽車包含兩個(gè)或多個(gè)動(dòng)力源，因此能量管理系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車不可缺少的組成部分。通過適當(dāng)?shù)哪芰抗芾聿呗?，混合?dòng)力汽車可以通過多種動(dòng)力源之間的合作高效運(yùn)行，減少燃料消耗和溫室氣體排放[8-9]。

仿真技術(shù)是汽車研發(fā)過程中的重要手段，虞衛(wèi)飛等[10]采用Simulink平臺(tái)研究了雙電機(jī)串聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；韓艷艷[11]通過AMESim和Simulink聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力汽車的仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和電池耗電量進(jìn)行預(yù)測(cè)；白軍偉[12]通過Cruise 和Simulink 軟件主要對(duì)混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真。

本文中以某款插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，基于AMESim搭建整車仿真模型，設(shè)計(jì)能量管理控制策略，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和電池電量，為整車能量管理和控制奠定基礎(chǔ)。

1 整車物理模型搭建

1.1 整車基本參數(shù)

搭建整車物理模型需要搭建整車的各個(gè)子模型。插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)如圖1示。插電式并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主動(dòng)力源，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為輔助動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力耦合裝置疊加。中速行駛時(shí)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性最佳，因此能量管理策略為：在車速較低時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，由電池組向汽車輸出能量；當(dāng)車速較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛并為蓄電池充電，電池充滿時(shí)，停止充電?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車整車控制器根據(jù)油門踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)確定駕駛員的操作指令。整車主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 整車主要技術(shù)參數(shù)

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)作為混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?，直接影響整車的?dòng)力輸出，其模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)模型參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，通常是將靜態(tài)模型應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的仿真中。

當(dāng)高壓電池處于虧電狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需單獨(dú)運(yùn)行維持車輛的最高車速，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)不小于車輛保持最高車速所需的功率：

(1)

式中：Pmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW；ie為變速箱的傳動(dòng)比；f0、f1、f2為滑行阻力因數(shù)；vmax為最高車速，km/h。

1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，純電動(dòng)模式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車輛唯一動(dòng)力來源，最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足車輛在純電模式下的動(dòng)力性能要求(加速性能，爬坡能力等)：

(2)

Tp2i1stie≥(mgsin(atan(dmax))+f0+f1v+f2v2)R,

(3)

式中：Tp2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m；i為變速箱速比；i1為變速箱一擋速比；m為車輛質(zhì)量，kg；g為自由落體加速度，g=9.8 m/s2；a為車輛加速度，m/s2;vt為目標(biāo)車速，km/h；v為實(shí)際車速，km/h;ta為目標(biāo)加速時(shí)間，s；R為車輪半徑，m；dmax為最大爬坡度，%。

在混合動(dòng)力汽車電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，需保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)在正常轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，即其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速應(yīng)低于最高轉(zhuǎn)速：

(4)

式中：np,max為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；it為變速箱的最高擋速比。

1.4 傳動(dòng)系速比模型

在混合動(dòng)力汽車電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，需保證發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在正常轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，即除滿足式(4)外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需低于最高轉(zhuǎn)速：

(5)

式中：ne,max為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)高壓電池處于虧電狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作且需達(dá)到車輛最高車速，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)不小于車輛保持最高車速所需的車輪轉(zhuǎn)矩：

Te,maxitie≥(f0+f1vmax+f2vmax2)R，

(6)

其中：Te,max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m。

當(dāng)高壓電池電量較高時(shí)，車輛低速爬坡，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率需滿足最大爬坡度要求，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩之和應(yīng)不小于車輛保持最大爬坡度所需的轉(zhuǎn)矩：

(Te,max+TP2)itie≥(mgsin(atan(dmax))+f0+f1v+f2v2)R。

(7)

1.5 動(dòng)力電池模型

動(dòng)力電池電量應(yīng)滿足純電工況下續(xù)航里程要求，可按照等速法計(jì)算其所需電量。汽車等速行駛所需功率

(8)

式中：vetc為汽車等速行駛速度，km/h；f為滑行阻力系數(shù)；ηt為傳動(dòng)系總效率；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2。

電機(jī)功率

Pm=Petc/ηm，

(9)

式中ηm為電機(jī)效率。

續(xù)航里程所需總能量

Wroad=Pmt=PmL/vetc=Wbεsos，

(10)

式中：t為行駛時(shí)間，h；L為續(xù)航里程，km；Wb為電池所需能量，kW；εsos為電池組放電深度，εsos=0.85。

電池容積

(11)

式中：Ub為輸入電壓，V。

根據(jù)式(1)～(10)計(jì)算，動(dòng)力系統(tǒng)匹配參數(shù)如表2所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

2 整車仿真模型的建立

2.1 能量管理策略

搭建的插電式混合動(dòng)力汽車仿真模型能量管理有4種工作模式，能量管理策略流程如圖2所示。

1)純電動(dòng)模式：當(dāng)車速較低且電池電量充足時(shí)采用，車輛需求轉(zhuǎn)矩由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式：車速較低且電池剩余電量低于閾值，或者車速較高時(shí)啟用。

3)混合動(dòng)力工況：車輛需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最佳轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最佳轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供剩余需求轉(zhuǎn)矩，汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)；車輛需要的轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)矩時(shí)，汽車進(jìn)入行駛充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)按照最佳轉(zhuǎn)矩輸出，多余轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電；當(dāng)車輛輸出加速命令大于具體參數(shù)0.85且需求轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，車輛需求轉(zhuǎn)矩主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供剩余轉(zhuǎn)矩。

4)制動(dòng)能量回收：當(dāng)制動(dòng)力矩大于0，汽車進(jìn)入制動(dòng)控制狀況，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，回收制動(dòng)動(dòng)能并給電池充電。

圖2 能量管理策略流程圖

2.2 基于AMESim的整車物理模型

通過AMESim搭建整車的物理模型，如圖3所示。該模型由駕駛模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、電池模塊、車輛控制單元、變速器模塊、電機(jī)模塊等組成。

圖3 混合動(dòng)力汽車仿真模型

能量管理策略為邏輯門限值，當(dāng)?shù)退傩旭倳r(shí)車輛動(dòng)力來源主要由電動(dòng)機(jī)提供，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳轉(zhuǎn)矩區(qū)域。

車輛控制單元為整車邏輯控制，可以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)矩需求、電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求、制動(dòng)能量回收方案等功能。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性仿真

循環(huán)工況下的經(jīng)濟(jì)性是汽車設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，本文中對(duì)全球輕型車輛測(cè)試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)、日本JC08工況進(jìn)行仿真，并分析不同工況下的仿真車速對(duì)實(shí)際控制車速的跟隨情況、電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)變化以及油耗變化。

WLTC工況、JC08工況下，混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的車速跟隨曲線、混合動(dòng)力汽車電池SOC變化曲線、混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的油耗對(duì)比曲線如圖4～9所示。

圖4 WLTC工況車速跟隨曲線 圖5 WLTC工況電池SOC變化曲線 圖6 WLTC循環(huán)工況油耗對(duì)比曲線

圖7 JC08工況車速跟隨曲線 圖8 JC08工況電池SOC變化曲線 圖9 JC08 工況油耗對(duì)比曲線

由圖4、7可知：WLTC工況、JC08工況下的仿真車速與實(shí)際控制車速的匹配度幾乎完全重合，搭建的仿真模型準(zhǔn)確可靠，2種工況下的車速跟隨情況良好，滿足各個(gè)循環(huán)工況動(dòng)力性的要求。

表3 各工況電池SOC變化 %

由圖5、8可知：在整個(gè)循環(huán)工況中，電池SOC不是一直上升或下降的，是隨著工況的變化而不斷變化的。電池初始、最終SOC及仿真時(shí)電池SOC的變化幅度如表3所示。由表3可知：WLTC和JC08工況下電池SOC的變化幅度分別為-0.65%、-1.97%，電池SOC的變化幅度不大、基本保持平衡。各個(gè)工況下，混合動(dòng)力汽車電池容量不會(huì)影響車輛的加速性能。

表4 各工況燃油消耗對(duì)比

由圖6、9可知：WLTC和JC08工況下，混合動(dòng)力汽車的燃油消耗比傳統(tǒng)燃油車低，混合動(dòng)力汽車更加省油。2個(gè)循環(huán)工況下的燃油消耗換算成100 km油耗如表4所示。由表4可知：WLTC工況下，混合動(dòng)力汽車相對(duì)于燃油車節(jié)油約28.73%；JC08工況下，混合動(dòng)力汽車相對(duì)于燃油車的節(jié)油約27.69%。

3.2 動(dòng)力性仿真

車輛動(dòng)力性是整車主要的性能之一，包括0～100 km/h加速性能、車輛爬坡性能等。本文中通過建立的模型對(duì)混動(dòng)車輛純電模式、純?nèi)加湍Ｐ?、混?dòng)模式下的動(dòng)力性能進(jìn)行仿真，不同模式下最大車速和最大爬坡度仿真結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 不同模式下最大車速和加速性能 圖11 不同模式下最大爬坡度

由圖10可知：汽車的最大車速為183.25 km/h；純電、混動(dòng)和燃油模式下，車速由0加速到100 km/h的時(shí)間為分別為8.53、10.67、14.36 s。純電模式下0～100 km/h加速時(shí)間符合國(guó)家863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)——電動(dòng)汽車招標(biāo)書中規(guī)定的電動(dòng)汽車加速性能指標(biāo)要求(0～100 km/h的加速時(shí)間小于10 s)。由圖11知，混動(dòng)模式下最大爬坡度為51.32%，相對(duì)于燃油模式(最大爬坡度39.23%)提升了23.52%?；旌蟿?dòng)力模式下動(dòng)力性能比傳統(tǒng)的燃油車更好，符合整車設(shè)計(jì)的動(dòng)力性要求。

4 結(jié)論

以某款插電混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，基于AMESim建立其仿真模型，并在WLTC和JCO8 2種工況下，對(duì)混動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真。

1)仿真車速與實(shí)際控制車速的匹配度幾乎完全重合，仿真模型準(zhǔn)確可靠，仿真模型能夠用于評(píng)估該混動(dòng)車型的可行性。

2)不同循環(huán)工況下，車速跟隨和電池SOC變化情況均符合要求，且混合動(dòng)力汽車比傳統(tǒng)燃油車更加省油。