P2.5構(gòu)型PHEV規(guī)則型能量管理策略研究

羅 勇, 張嘉璐, 林城華, 徐利吉, 隋 毅, 孫 強

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054；2.重慶科技學(xué)院 機械與動力工程學(xué)院， 重慶 401331；3.寧波圣龍(集團)有限公司 技術(shù)中心， 浙江 寧波 315048)

0 引言

插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)相比于傳統(tǒng)燃油汽車車具有更低的油耗，同時又兼顧動力性和排放性，成為了目前汽車市場關(guān)注的焦點[1]。由于純電動車型依然存在里程焦慮的問題，伴隨著原材料和電池漲價、油價上漲的消息，混動車型開始占據(jù)大量汽車市場份額。插電式混合動力汽車具有多種動力驅(qū)動模式，能夠兼顧動力性和燃油經(jīng)濟性，在當(dāng)下市場上更具有競爭力。

基于P2.5混合動力系統(tǒng)構(gòu)型的PHEV把驅(qū)動電機集成在變速器的某一輸入軸，可直接通過離合器和變速器驅(qū)動行駛，同時與發(fā)動機協(xié)同工作，油電銜接更順暢。同時，P2.5混合動力系統(tǒng)通過搭配多種速比優(yōu)化了工作范圍，有效提高驅(qū)動和制動效率，相比于P3構(gòu)型，不需要額外的低壓電機啟動發(fā)動機和能量回收，能夠減小體積與成本，而且其油電耦合沖擊度小，有助于提升駕駛舒適性。由于驅(qū)動電機集成于變速器內(nèi)部，也減小了額外的空間需求。該混合動力系統(tǒng)通過雙離合變速器，可以實現(xiàn)P2構(gòu)型模式的怠速充電、純電動起動、混合驅(qū)動、P3構(gòu)型模式的混合驅(qū)動等[2]。因此，P2.5構(gòu)型相比于其他幾種構(gòu)型，具有多方面的優(yōu)勢，在插電式混合動力汽車上具有較大的研究價值和應(yīng)用前景。

合理高效的能量管理控制策略直接決定了PHEV整車的的動力性和燃油經(jīng)濟性?；赑2.5構(gòu)型的PHEV的工作模式較多且更為復(fù)雜，使得對該構(gòu)型的能量管理控制策略的要求更高。近年來，諸多學(xué)者針對不同構(gòu)型PHEV能量管理策略進行研究，針對P2.5構(gòu)型的研究還較少[3-4]。因此，本文以P2.5構(gòu)型的插電式混合動力汽車為研究對象，提出一種基于規(guī)則的能量管理控制策略。

本文通過對P2.5構(gòu)型的動力傳動系統(tǒng)進行分析，結(jié)合P2.5構(gòu)型的優(yōu)點，將其劃分為多種工作模式。基于SOC的邏輯門限值的思想，提出基于CD-CS的多階段控制策略，利用Matlab/Simulink并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和理論模型相結(jié)合的方法對PHEV各個關(guān)鍵部件進行數(shù)學(xué)建模并采用多種標準工況進行仿真對比分析。

1 P2.5構(gòu)型PHEV的模式分析與建模

1.1 PHEV的動力系統(tǒng)分析

本文將基于P2.5構(gòu)型的PHEV作為研究對象，其結(jié)構(gòu)包括發(fā)動機、P2.5驅(qū)動電機、動力電池組等部件。P2.5驅(qū)動電機和發(fā)動機可以分別作為單獨的驅(qū)動動力源，當(dāng)需求扭矩大時，也能進行雙動力源扭矩的耦合，整車總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，車輛相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 P2.5構(gòu)型PHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 車輛相關(guān)參數(shù)

1.2 PHEV系統(tǒng)工作模式分析

本文研究的P2.5構(gòu)型PHEV工作模式主要包括：純電動驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、輕載充電、混合驅(qū)動和再生制動。各個工作模式之間的切換依靠發(fā)動機和P2.5驅(qū)動電機之間離合器C1、C2的接合與分離，不同模式下動力系統(tǒng)相關(guān)部件的工作狀態(tài)如表2所示。

表2 各部件在不同工作模式下的工作狀態(tài)

在各個工作模式的擋位切換中，驅(qū)動電機可供使用的擋位有3個，發(fā)動機可供使用的擋位有7個。在混合驅(qū)動的工作模式中，由于結(jié)構(gòu)的受限以及策略不采用等原因，發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動時擋位的配合共可以構(gòu)成9種動力傳遞模式，如表3所示。在擋位的切換過程中，T表示過渡階段，在混合驅(qū)動時，需要電機升擋時，要求其先通過同步器切換擋位與發(fā)動機耦合進入T模式，再要求發(fā)動機正常切換擋位進入C模式。在C3到C4模式切換中，需要先變化為T1，在C5到C6模式切換中，需要先變化為T2[5]。

表3 電機和發(fā)動機聯(lián)合驅(qū)動下的工作擋位

各工作模式分析如下：

1) 純電動驅(qū)動模式

純電動驅(qū)動模式下動力電池組向P2.5驅(qū)動電機提供電能，驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動車輛。該模式適用于中低負荷，整車需求轉(zhuǎn)矩需要滿足在電機的峰值轉(zhuǎn)矩內(nèi)，并且要求電池電量充足，即電池SOC值較高。該模式可以避免發(fā)動機工作在低速低轉(zhuǎn)矩的不經(jīng)濟的工作區(qū)，能有效降低能耗。

2) 發(fā)動機驅(qū)動模式

發(fā)動機驅(qū)動模式下，當(dāng)發(fā)動機在1、3、5、7奇數(shù)擋工作時，離合器C1接合；當(dāng)發(fā)動機在2、4、6偶數(shù)擋工作時，離合器C2接合。該模式驅(qū)動電機都處于關(guān)閉狀態(tài)，由發(fā)動機單獨提供車輛需求功率，適用于中高速和中等負荷的情況，這樣發(fā)動機可以工作在高效工作區(qū)間。

3) 輕載充電模式

輕載充電模式下，離合器C2接合，發(fā)動機作為唯一動力源驅(qū)動車輛，同時系統(tǒng)為了保證發(fā)動機的高效工作，多余的能量為電機提供扭矩，最終向動力電池充電。該模式適用于中低速、低負荷且電池電量不足的情況。

4) 混合驅(qū)動模式

混合驅(qū)動模式下，當(dāng)離合器C1接合時，發(fā)動機工作擋位在1、3、5、7奇數(shù)擋，與工作擋位在2、4、6偶數(shù)擋的驅(qū)動電機在主減速器處進行動力耦合，形成P3型混合驅(qū)動模式。當(dāng)離合器C2接合時，發(fā)動機和驅(qū)動電機則在變速器輸入端進行動力耦合，形成P2型混合驅(qū)動模式。該模式下電池電量較高時，主要以電機驅(qū)動，反之則以發(fā)動機驅(qū)動為主，2個動力源互相彌補各自外特性外的整車需求扭矩。

5) 再生制動模式

再生制動模式下驅(qū)動電機切換為發(fā)電機，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩為動力電池充電。當(dāng)車輛制動減速時，車輛就會進入制動能量回收模式，此時不需要動力源輸入，所以離合器斷開。當(dāng)車輛進行緊急制動時，在保證安全性的情況下，還需要進行機械制動使車輛減速。

1.3 PHEV整車模型的建立

PHEV整車仿真模型的建立采用前向仿真模型。前向仿真模型根據(jù)駕駛員發(fā)出的加速或者制動踏板指令控制發(fā)動機和電機的動力輸出，能量流方向是從電機或者發(fā)動機開始，經(jīng)過車輛傳動系統(tǒng)傳遞到車輪[6]，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PHEV整車仿真模型結(jié)構(gòu)框圖

1.3.1駕駛員模型

采用PID的控制方式引入駕駛員模型，駕駛員模型的輸入為當(dāng)前的行駛工況與實時車速的誤差值，輸出為駕駛員的加速踏板或制動踏板的操作指令。其原理如式(1)(2)所示。

ve(t)=vt(t)-va(t)

(1)

(2)

其中：vt(t)為目標車速;va(t)為實際反饋車速;ve(t)為目標車速與實際車速的偏差;θ[-1,0]為制動踏板開度;θ[0,1]為加速踏板開度；kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)。

1.3.2發(fā)動機模型

本文側(cè)重對發(fā)動機燃油消耗的計算求解，不考慮發(fā)動機內(nèi)部復(fù)雜的動態(tài)過程。根據(jù)混合動力系統(tǒng)發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)，運用實驗建模方法建模。圖3為發(fā)動機的油耗特性圖。

圖3 發(fā)動機油耗特性圖

發(fā)動機的燃油消耗率、輸出功率、單位時間油耗由如式(3)—(5)所示。

be=f(Te,ne)

(3)

(4)

(5)

其中：be為發(fā)動機燃油消耗率(g/kW·h)；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)；Te為發(fā)動機扭矩(N·m)；Pe為發(fā)動機輸出功率(kW)；ρ為燃油密度(kg/L)；g為重力加速度(m/s2)；ρg取6.96～7.15(N/L)。

1.3.3驅(qū)動電機模型

P2.5驅(qū)動電機的作用主要有2個，一是作為電機向外輸出機械扭矩，二是作為發(fā)電機向動力電池組充電。運用P2.5驅(qū)動電機的試驗數(shù)據(jù)得到的特性參數(shù)進行建模[7]，電機效率特性如圖4所示。

圖4 電機效率特性圖

驅(qū)動電機的效率、功率如式(6)(7)所示。

ηm=f(Tm,nm)

(6)

(7)

其中：ηm為電機效率；Tm電機扭矩；nm為電機轉(zhuǎn)速(r/min);Pm為電機功率(kW)。

當(dāng)Tm≥0時，電機進行驅(qū)動工作；當(dāng)Tm<0時，電機輸出為制動轉(zhuǎn)矩和發(fā)電轉(zhuǎn)矩。

1.3.4動力電池模型

在建立PHEV動力電池模型時，將電池轉(zhuǎn)化成一個理想電壓源和一個內(nèi)阻串聯(lián)的等效電路。本文結(jié)合充放電試驗數(shù)據(jù)，進行電池等效內(nèi)阻模型的搭建[8]，如圖5所示。圖中，Voc為電池組開路電壓(V),R為電池內(nèi)阻(Ω),U為電池端電壓(V)。

圖5 電池等效電路內(nèi)阻模型示意圖

根據(jù)實驗所獲得的數(shù)據(jù)，繪制單體電池Voc、充電內(nèi)阻和放電內(nèi)阻與電池SOC值的關(guān)系曲線如圖6。

圖6 單體電池OCV-SOC曲線

動力電池的端電壓、輸出功率、電路電流如式(8)—(10)所示。

U=Voc(SOC)-Ibat·R(SOC)

(8)

(9)

(10)

采用安時積分法[9]計算電池SOC，如式(11)所示。

(11)

式中:Ibat為電池充放電電流(A)；Pbat為電池輸出功率(kW)；Cbat為電池容量(Ah)；SOC0為電池初始SOC值。

1.3.5車輛動力學(xué)模型

基于汽車行駛方程式建立車輛動力學(xué)模型，汽車受力情況如圖7所示。

圖7 汽車受力分析示意圖

汽車行駛方程如式(12)(13)所示[10]。

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(12)

(13)

其中：Ft為汽車行駛阻力之和；Ff為滾動阻力;Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力;Fj為加速阻力；Tf為行駛力矩之和;r為車輪半徑；m為整車載荷;g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù);α為坡道阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積；v為車速;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； du/dt為行駛加速度。

2 基于規(guī)則的能量管理控制策略

PHEV的電能可以通過外接電網(wǎng)或者電源等方式來獲取[11]，能充分利用電能，從而實現(xiàn)節(jié)能減排，所以在滿足整車動力性的情況下，應(yīng)該充分利用電池電量，提升車輛的經(jīng)濟性和排放性。根據(jù)上文所搭建的車輛相關(guān)部件模型，本節(jié)建立了基于規(guī)則的能量管理策略，該策略實時性好、實用性強，在實際運用上較廣泛[12]。

采用CD-CS策略，依據(jù)電池值的變化軌跡，將PHEV的工作階段分為電池電量消耗(CD)和電池電量維持(CS)2個階段，并根據(jù)電池值制定相應(yīng)規(guī)則來進行2個模式的切換，如圖8所示，該策略的目的在于滿足動力性的前提下，使PHEV在行駛里程內(nèi)盡可能使用電池的能量來減小油耗[13]。

圖8 電池組電量消耗過程分析曲線

2.1 CD階段控制策略

當(dāng)電池電量較高時，汽車運行在CD階段，以電機驅(qū)動為主。當(dāng)行駛里程小于車輛的純電動續(xù)航里程時，PHEV就會一直保持在純電動驅(qū)動模式。若整車需求轉(zhuǎn)矩大于電機峰值驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機進行輔助驅(qū)動。CD階段驅(qū)動模式劃分曲線如圖9。

圖9 CD階段驅(qū)動模式劃分曲線

在純電動驅(qū)動模式下，若電池值保持在正常范圍內(nèi)，發(fā)生制動時，進入再生制動模式，進行制動能量回收。當(dāng)電池值較高，為了避免電池發(fā)生過度充電的情況，P2.5電機則不再進行制動能量回收，采用機械制動。當(dāng)汽車進行緊急剎車或是制動力需求較大時，首先考慮機械制動。CD階段的切換邏輯如表4所示，表中各參數(shù)含義說明如表5所示。

表4 CD階段切換邏輯

表5 表4中各參數(shù)含義說明

2.2 CS階段控制策略

當(dāng)電池SOC下降到設(shè)定的門限閾值時，車輛進入到電池電量維持CS階段。該模式主要以發(fā)動機作為驅(qū)動電源，電機作為輔助，該階段包括了PHEV所有的工作模式。CS模式從電池的壽命、成本和安全考慮，為了不讓電池值過低對電池造成損耗，因此使電池值維持在一個較低的范圍內(nèi)。

當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低且小于怠速轉(zhuǎn)速時，同時整車需求轉(zhuǎn)矩在電機的外特性之內(nèi)，使用純電動驅(qū)動模式。當(dāng)整車需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機高效區(qū)以下，變速器擋位在偶數(shù)擋時，為使發(fā)動機保持在高效區(qū)間工作，發(fā)動機將為P2.5電機提供反轉(zhuǎn)扭矩，進入輕載充電模式。當(dāng)整車需求轉(zhuǎn)矩處于發(fā)動機高效區(qū)間，進入發(fā)動機驅(qū)動模式。當(dāng)整車需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩時，進入發(fā)動機和P2.5電機混合驅(qū)動模式[14]。另外，汽車依據(jù)制動強度、變速器擋位等門限值確定制動最大轉(zhuǎn)矩，從而判斷車輛是否進入機械制動還是再生制動。CS階段驅(qū)動模式劃分示意圖如圖10，CS階段模式切換條件和轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則如表6所示，表中各參數(shù)含義說明如表7所示。

圖10 CS階段驅(qū)動模式劃分示意圖

表6 CS階段模式切換條件和轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

表7 表6中各參數(shù)含義說明

3 仿真分析

3.1 基于規(guī)則控制的仿真分析

為驗證上述CD-CS策略的有效性，在Matlab/Simulink軟件搭建整車模型，并且在上述策略下進行仿真實驗。設(shè)置PHEV的電池初始值為0.8，CD與CS階段切換的門限值為0.3。在4組WLTC工況下進行仿真分析，跟隨效果如圖11所示，可以看出，實際車速軌跡能夠很好跟隨WLTC工況，說明搭建的模型合理有效，PHEV的動力性滿足要求。

圖11 4組WLTC工況車速跟隨效果曲線

圖12為電池值隨時間變化的曲線。當(dāng)電池SOC值較高時，電量下降較快，此時汽車處于CD階段，以耗電為主。當(dāng)電池值下降到門限值附近時，進入CS階段，此時以發(fā)動機為主要動力源，電池值在0.3～0.32維持，這符合規(guī)則下的變化趨勢。

純發(fā)動機模式與基于規(guī)則控制策略的油耗曲線如圖13，可以看出，在基于規(guī)則的能量管理控制策略下，在CD階段，發(fā)動機不參與驅(qū)動工作，進入CS階段后，發(fā)動機作為主要動力源進行驅(qū)動，因此油耗逐漸上升，相比于純發(fā)動機的工作模式，有效降低了發(fā)動機的燃油消耗率。由圖13中的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，在純發(fā)動機工作模式下的油耗為5.362 L，而基于規(guī)則的控制策略下，油耗僅為3.758 L，油耗降低了29.92%，節(jié)油效果比較明顯。

圖12 SOC消耗曲線

圖13 發(fā)動機油耗曲線

圖14、15為驅(qū)動電機和發(fā)動機的工作曲線，與電池值的消耗趨勢一致，在CD階段驅(qū)動電機在工作，發(fā)動機并未工作，因為此時整車需求轉(zhuǎn)矩沒有超過電機的峰值驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。在CS階段發(fā)動機進行驅(qū)動的比例很明顯，電機較少參與驅(qū)動工作，并在車輛減速時進行制動能量回收。

圖14 發(fā)動機扭矩曲線

圖15 電機扭矩曲線

圖16為WLTC工況下發(fā)動機工況點的分布圖，可以看出，純發(fā)動機工作模式下的發(fā)動機工況點比較分散，并且有較多的點處于非經(jīng)濟性區(qū)域，而基于規(guī)則控制策略下的發(fā)動機工況點絕大部分位于油耗280以內(nèi)的區(qū)域。由此也可以說明相比于純發(fā)動機的工作模式，基于規(guī)則的控制策略能夠有效使發(fā)動機保持在高效高經(jīng)濟性的區(qū)間內(nèi)運行，證明本文建立的整車模型和制定的基于規(guī)則的能量管理策略是可行且有效的。

圖16 WLTC工況下發(fā)動機工況點分布

3.2 不同工況下的仿真分析

為了進一步驗證所設(shè)計的基于規(guī)則控制策略的正確性，確保在不同的工況下仍然有較好的效果，在世界輕型車測試工況(WLTC)、新歐洲行駛循環(huán)工況(WEDC)、美國城市道路循環(huán)工況(UDDS)及美國高速工況(HWFET)下分別進行仿真[15]。

設(shè)置PHEV各參數(shù)與表1中的相同，在不同行駛標準行駛工況下2種控制策略的百公里燃油消耗值如表8所示。

從表8可以看出，在WLTC、NEDC、UDDS及HWFET工況下，相比于純發(fā)動機模式，基于規(guī)則控制的能量管理策略下的燃油節(jié)省均提升30%以上，有明顯的節(jié)油效果，說明提出的基于規(guī)則的控制策略達到了預(yù)期目標。在UDDS工況下，燃油節(jié)省最為明顯，高達63.3%，這是由于在城市道路中路況復(fù)雜，制動頻繁且車速都保持在較低范圍內(nèi)，在這樣的工況下，發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)速工作區(qū)間，而在本文制定的控制策略下，在該路段會優(yōu)先考慮以P2.5電機作為驅(qū)動動力源，因此在該工況下，油耗節(jié)省最為明顯。在HWFET的高速工況下，發(fā)動機一直保持運轉(zhuǎn)在中高速，燃油利用率較高，發(fā)動機處于較優(yōu)的工作區(qū)間，因此在該工況下發(fā)動機百公里燃油消耗最少。

表8 不同工況、不同控制策略下燃油消耗值

4 結(jié)論

1) 根據(jù)P2.5構(gòu)型PHEV的結(jié)構(gòu)特點，按照前向仿真模型的思路，在實驗數(shù)據(jù)的支持下建立了PHEV關(guān)鍵部件等相關(guān)模型。

2) 制定基于規(guī)則策略下的切換邏輯和轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，建立了CD-CS能量管理策略，并以4組WLTC工況為輸入進行仿真試驗。

3) 通過對PHEV在WLTC、NEDC、UDDS及HWFET工況下百公里的油耗仿真分析，對比了在不同的工況下基于規(guī)則的控制策略對于純發(fā)動機模式的節(jié)油效果。

通過在不同的標準工況下運行，仿真結(jié)果表明，建立的整車模型和控制策略準確有效，能夠確保發(fā)動機始終處于高效的工作區(qū)間運行。相比于純發(fā)動機模式，制定的控制策略在不同的標準工況下，燃油節(jié)省均提升30%以上，最大可提升63.3%，能夠有效提升發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，驗證了基于規(guī)則控制策略的有效性。