插電式混合動力車基于最佳燃油效率的能量管理策略及仿真分析

周瑋

（河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130）

前言：插電式混合動力汽車可以利用夜間的市電低谷進行充電，平時在市區(qū)行駛時可以以純電動方式工作，完全不消耗燃油，有效降低使用成本和污染。而當行駛距離較長或需高速行駛時，又可以像普通混合動力汽車一樣，通過發(fā)動機來提供主要動力輸出。文中介紹了一種以最佳燃油效率為基礎的PHEV能量管理策略，并在Cruise所建立的車輛模型環(huán)境中對策略進行了仿真，最后與傳統(tǒng)車輛的仿真結果進行了比較分析。

1 PHEV工作模式介紹

本文中的驅動控制策略包括以下三種驅動模式：

1.1 純電動模式：插電式混合動力汽車由于可以外接充電，所以其可用純電動模式行駛。在電量充足且電機功率滿足需求的條件下，該車均工作于純電動模式。

1.2 傳統(tǒng)模式：在某些情況下，需要發(fā)動機單獨驅動車輛行駛。比如在較高車速下，發(fā)動機工作在高效負荷區(qū)，而此時電池電量又比較充足無需進行充電，為了保持整個系統(tǒng)的高效，僅需發(fā)動機單獨工作。另外，當電驅動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了保證車輛能夠繼續(xù)行駛，也要求發(fā)動機單獨驅動車輛。

1.3 混合模式：當電池電量較低或車輛需求功率較大時，車輛工作于混合模式中，根據(jù)需求轉矩與發(fā)動機工作于高效區(qū)時發(fā)出的轉矩進行比較，混合模式又可以分成以下幾種子模式：

1.3.1 電動助力模式：為了使發(fā)動機的工作區(qū)域穩(wěn)定在高效區(qū)，需要電機對功率不足的部分進行補償。隨著車速的升高，電動機達到最大輸出功率后，則發(fā)動機不再保持在高效區(qū)域工作，而是提高輸出功率，此時控制策略優(yōu)先保證滿足車輛的功率需求。

1.3.2 混合發(fā)電模式：在此模式中，驅動控制策略根據(jù)駕駛員的油門踏板信號來計算驅動車輛所需的功率，然后計算當前轉速下發(fā)動機的最佳效率工作點，當需求功率小于發(fā)動機最佳工作效率點處所發(fā)出的功率時，驅動控制策略計算此時發(fā)動機最佳效率點處的功率與需求功率的差值，并根據(jù)現(xiàn)在的電池與電機狀態(tài)計算此差值經(jīng)過一輪充放電循環(huán)后，可以保留的有效功，進而計算這種情況下的單位燃油效率，其結果與發(fā)動機僅產(chǎn)生當前需求功率時的燃油效率進行比較，如果電機進行多余能量回收時燃油效率高，則令發(fā)動機工作在最佳效率點處，電動機對多余能量進行回收，否則令發(fā)動機單獨驅動車輛，電動機不進行能量回收。

2 使用Cruise進行仿真

圖1 （Cruise中建立的整車模型）

Cruise是由AVL公司發(fā)布的一款整車性能仿真分析軟件，其自帶多種車輛標準零部件模塊，通過拖放的方法可以迅速建立車輛的整車模型，并對其進行動力性和經(jīng)濟性仿真。并可與Simulink軟件進行通信，方便使用Simulink建立控制策略模型。圖1是本文使用Cruise3.0建立的PHEV整車模型。該車具有發(fā)動機和電機兩套動力裝置，采用并聯(lián)式結構，發(fā)動機和電機可以分別或同時驅動車輛。發(fā)動機通過超越離合器與電機機械連接。由于超越離合器只能單向傳遞扭矩（從發(fā)動機向電動機）所以當由電機單獨驅動車輛時，電機無需反拖發(fā)動機，減少了無謂的能量消耗及機械磨損。模型中發(fā)動機參數(shù)為1.1L、額定功率48kW，電機最大功率25kW，電池組容量330V/22Ah。

本文中為了表現(xiàn)車輛在行駛時，各個部件的工作情況，特地選取了代表車輛的中高速行駛的EUDC工況，可以反映PHEV在混合工作模式下的表現(xiàn)；以及代表市區(qū)內行駛的UDC工況，可以反映PHEV在城市內以純電動模式行駛時的表現(xiàn)。

PHEV與對照的傳統(tǒng)車輛在EUDC工況下的發(fā)動機工作點分布見圖2。

圖2 發(fā)動機工作點分布

從圖中我們可以看出，在動力電池電量充足的條件下，插電式混合動力汽車發(fā)動機的工作點主要分布在高效區(qū)，范圍集中，工作轉速范圍在2000～3500轉之間。低速時，發(fā)動機不工作。在EUDC循環(huán)工況中，發(fā)動機僅有28.39%的時間工作。在怠速和低速工況時，控制策略能夠成功關閉發(fā)動機。而傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機工作點分布較為分散，工作轉速范圍較寬。車輛有12.96%的時間處于怠速狀態(tài)，且有43.3%的時間工作在低負荷區(qū)域，這對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性有很大的影響。從仿真結果來看，在EUDC工況下，PHEV與同排量的傳統(tǒng)車相比，燃油消耗降低21.05%。

而在UDC工況中，最高車速為50km/h，可以用來測試插電式混合動力汽車平時的主要工作模式--純電動模式。從仿真結果來看，當PHEV工作在純電動模式下時，與傳統(tǒng)汽車相比可以顯著降低油耗，等效百公里油耗僅有1.59L，降低了78.24%。體現(xiàn)出了巨大的節(jié)能優(yōu)勢。按照現(xiàn)在的93號汽油6.56元/升的價格來計算，傳統(tǒng)車每百公里燃油成本為50元；PHEV在純電動模式下行駛時百公里耗電14.586度，按當前0.49元每度的電價計算，考慮充放電損失，成本約在10元/百公里左右。

表1 循環(huán)工況油耗對照表

總結。根據(jù)仿真結果可以看出，本控制模型可以有效降低車輛的油耗。但尚存在一些不足：當車速波動時，可能造成發(fā)動機頻繁啟動；控制策略對發(fā)動機等的實驗數(shù)據(jù)要求較高，并且無法及時反應參數(shù)的變化，導致控制效果降低；本策略計算量較大，需要使用成本較高的芯片。

因此本策略尚有改進空間：加入發(fā)動機起動頻率的控制，減少發(fā)動機短時間內起動的次數(shù)；加入道路預判斷功能，優(yōu)化發(fā)動機的工作時間；加入?yún)?shù)自動校正功能。

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