基于多模式切換的插電式混合動力電動汽車能量優(yōu)化管理方法

劉天露，高春艷

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130）

基于多模式切換的插電式混合動力電動汽車能量優(yōu)化管理方法

劉天露，高春艷

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130）

插電式混合動力汽車中電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的能量優(yōu)化控制方法在提高車輛續(xù)航里程及駕駛性能方面有重要影響，本文結(jié)合傳統(tǒng)的差值補(bǔ)充策略、負(fù)載跟隨策略、持續(xù)最優(yōu)策略3種控制策略提出一種基于多模式切換的能量優(yōu)化管理方法，設(shè)計(jì)了5種工作模式在不同電池SOC下的模式轉(zhuǎn)移方法和功率分配方法，旨在使汽車在滿足驅(qū)動需求的前提下針對不同的行駛狀態(tài)都能夠降低能量消耗.結(jié)合某PHEV車型整車仿真模型對提出的能量優(yōu)化管理方法進(jìn)行離線仿真，并將離線仿真結(jié)果與傳統(tǒng)能量控制方法的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明基于多模式切換的能量優(yōu)化管理方法提高了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車?yán)m(xù)航里程.

插電式混合動力汽車；能量管理策略；整車控制器；離線仿真；燃油經(jīng)濟(jì)性

0 前言

插電式混合動力電動汽車（Plug_in Hybrid Electricl Vehicle，PHEV）作為傳統(tǒng)汽油車到純電動汽車的過渡車型，具有發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩種動力源[1].在行駛過程中的驅(qū)動模式選擇以及驅(qū)動功率分配問題是混合動力汽車技術(shù)中最重要的部分之一[2].

插電式混合動力汽車在行駛過程中的能量控制基本原則是能夠盡可能多的使用動力電池電量減少不必要的油耗[3-4].根據(jù)電動機(jī)和發(fā)動機(jī)在不同需求功率來進(jìn)行劃分，目前PHEV的能量管理方法主要分為：差值補(bǔ)充策略、負(fù)載跟隨策略、持續(xù)最優(yōu)策略[5-6]3種.差值補(bǔ)充策略是指在PHEV的整個(gè)行程中主要由電動機(jī)驅(qū)動，當(dāng)需求功率大于電動機(jī)可輸出的最大功率時(shí)，不足部分由發(fā)動機(jī)補(bǔ)充.負(fù)載跟隨策略是指在PHEV的整個(gè)行程中，主要由電動機(jī)驅(qū)動.當(dāng)需求功率大于電動機(jī)可輸出的最大功率時(shí)，由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動以滿足需求功率.當(dāng)需求功率大于發(fā)動機(jī)可輸出的最大功率時(shí)，電動機(jī)驅(qū)動補(bǔ)足不足功率.持續(xù)最優(yōu)策略是指在PHEV的整個(gè)行程中，主要由電動機(jī)驅(qū)動.當(dāng)需求功率大于電動機(jī)可輸出的最大功率時(shí)，發(fā)動機(jī)啟動并工作在最佳能耗區(qū)域，大于需求功率部分則進(jìn)行能量回收用于給動力電池充電[7].當(dāng)需求功率大于發(fā)動機(jī)最佳能耗區(qū)域時(shí)，不足部分由電動機(jī)補(bǔ)充.3種控制策略如圖1所示.

以上3種控制策略經(jīng)過離線仿真并結(jié)合道路試驗(yàn)驗(yàn)證分別可以滿足PHEV的驅(qū)動需求，但是并未考慮在不同電池電量情況下的動力分配[8].在行程的初始階段，電池電量充足適宜以電動機(jī)為主要?jiǎng)恿υ矗?dāng)使用負(fù)載跟隨策略或持續(xù)最優(yōu)控制策略時(shí)，則增加了發(fā)動機(jī)的驅(qū)動部分，并帶有不必要的充電，增加了燃油消耗.在行程的末端，電池電量較低，電池端電壓下降，此時(shí)如果繼續(xù)使用差值補(bǔ)充策略則會造成動力電池過放電，對電池造成不可逆損傷，且在行程結(jié)束時(shí)，最優(yōu)狀態(tài)為電池電量剩余較少，而持續(xù)最優(yōu)控制策略又會對電池造成不必要充電，降低燃油利用率.

圖1 3種控制策略圖Fig.1 Three control strategies

綜合上述3種控制策略的優(yōu)劣，本文根據(jù)電池在不同階段的SOC分別采用基于發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的差值補(bǔ)充策略與持續(xù)最優(yōu)策略、負(fù)載跟隨策略相結(jié)合，提出一種既保證燃油經(jīng)濟(jì)性，又能夠最大限度的使用電池電能的能量優(yōu)化管理方法.并通過MATLAB/Simulink搭建PHEV整車模型對提出的能量管理方法進(jìn)行離線仿真，以驗(yàn)證理論的正確性.

1 能量優(yōu)化管理方法設(shè)計(jì)

根據(jù)提出的混合能量管理需求，制定詳細(xì)的能量優(yōu)化管理方法，闡述不同的SOC下的工作方法和不同方法對應(yīng)的工作模式如下.

1.1 不同SOC下的控制方法設(shè)計(jì)

根據(jù)單體電池放電試驗(yàn)得出的開路電壓特性曲線如圖2，對能量控制方法進(jìn)行分析：

1）在1〉SOC〉80%時(shí)，電池端電壓高，下降速度快，電池可輸出的功率大，而充電效率低，所以將此點(diǎn)定義為SOCmax，此時(shí)使用基于電動機(jī)的差值補(bǔ)充策略，盡可能多的使用電動機(jī)驅(qū)動，且不對電池充電，減少燃油消耗.

2）在10%＜SOC≤80%區(qū)間內(nèi)，電池電壓下降緩慢，可輸出功率穩(wěn)定，充電效率高.在此區(qū)間采用持續(xù)最優(yōu)策略，由電動機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ刺峁?qū)動所需動力.工作在最佳能耗區(qū)域的發(fā)動機(jī)可以對電池進(jìn)行高效率的充電.

3）在0≤SOC≤10%區(qū)間內(nèi)，充電效率高，但電池可輸出效率低，所以將SOC=10%處的SOC值定義為SOCmin，在此區(qū)間內(nèi)采用基于發(fā)動機(jī)的差值補(bǔ)充策略，由發(fā)動機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ刺峁┹敵龉β剩蛔悴糠謩t由動力電池繼續(xù)放電使電動機(jī)輸出扭矩助力，且不允許對電池充電.

1.2 工作模式設(shè)計(jì)

對差值補(bǔ)充策略、負(fù)載跟隨策略、持續(xù)最優(yōu)策略進(jìn)行分析，結(jié)合PHEV運(yùn)行過程中離合器開閉以及發(fā)動機(jī)的啟停狀態(tài)，將PHEV的動力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)細(xì)分為以下5種動力模式，如圖3所示.

1）純電動模式：電動機(jī)怠速運(yùn)行且在電動機(jī)能夠滿足需求功率的情況下，由電動機(jī)獨(dú)立提供驅(qū)動的模式；

圖2 單體電池開路電壓特性曲線Fig.2 Single cell open circuit voltage characteristic curve

2）發(fā)動機(jī)關(guān)閉模式：電動機(jī)關(guān)閉且在電動機(jī)能夠滿足需求功率的情況下，由電動機(jī)提供驅(qū)動的模式；

3）充電模式：發(fā)動機(jī)工作在最佳能耗區(qū)域時(shí)能夠提供的輸出功率在滿足需求功率的情況下對富余輸出功率進(jìn)行能量回收的工作模式；

4）純發(fā)動機(jī)模式：因動力電池電量過低或需求功率大于電機(jī)可輸出的最大功率而關(guān)閉電動機(jī)由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動的工作模式；

5）電機(jī)助力模式：發(fā)動機(jī)作為主要?jiǎng)恿敵?，且?dāng)發(fā)動機(jī)無法滿足需求功率時(shí)，由電動機(jī)補(bǔ)足不足功率的工作模式；

根據(jù)運(yùn)行過程中是否涉及到離合器動作以及發(fā)動機(jī)的啟停，可以將5種混合動力模式歸納為發(fā)動機(jī)關(guān)閉模式、純電動模式、混合驅(qū)動3種模式.

圖3 5種工作模式能量分配Fig.3 Five modes of work energy allocation

2 模式轉(zhuǎn)移與功率分配

結(jié)合上節(jié)提出的控制策略以及不同的工作模式，闡述不同模式下的轉(zhuǎn)移條件以及各個(gè)條件下的功率分配.

2.1 模式轉(zhuǎn)移條件

1）條件C為模式2、模式3向模式1轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換條件

其中：Pt.dmd為傳動系統(tǒng)需求功率；Pm.max為電動機(jī)最大輸出功率；nt.dmd為變速箱需求轉(zhuǎn)速；nt.clton為變速箱可進(jìn)入混合模式的轉(zhuǎn)速限值，是關(guān)于當(dāng)前電池SOC的查表函數(shù)；Tt.clton變速箱可進(jìn)入混合模式的功率限值，是關(guān)于當(dāng)前電池SOC和當(dāng)前變速箱轉(zhuǎn)速的查表函數(shù).

當(dāng)電動機(jī)輸出功率單獨(dú)輸出無法滿足需求功率或變速箱轉(zhuǎn)速、功率超過限值時(shí)，由純電動或發(fā)動機(jī)關(guān)閉模式進(jìn)入混合模式.

nt.clton由當(dāng)前電池SOC決定，Tt.clton由當(dāng)前電池SOC和變速箱輸入軸需求轉(zhuǎn)速共同決定.當(dāng)SOC越高時(shí)，nt.clton與Tt.clton的值更高，從而使得動力系統(tǒng)工作在純電動模式或發(fā)動機(jī)模式的比例更大，便可更多地利用電能；在不同轉(zhuǎn)速下，參照發(fā)動機(jī)萬有特性設(shè)定Tt.clton值，從而使發(fā)動機(jī)工作在最佳油耗區(qū)的比例提高.

2）條件A為模式1到模式2的轉(zhuǎn)移條件；

圖4 轉(zhuǎn)移條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of transfer conditions

其中：nt.cltoff為變速箱可進(jìn)入純電動模式的轉(zhuǎn)速限值，是關(guān)于當(dāng)前電池SOC的查表函數(shù)；Tt.cltoff為變速箱進(jìn)入純電動模式的功率限值，是關(guān)于當(dāng)前電池SOC和當(dāng)前變速箱轉(zhuǎn)速的查表函數(shù)；nt.clton〉nt.cltoff；Tt.clton〉Tt.cltoff，兩值之差為保護(hù)區(qū)間，防止功率轉(zhuǎn)速在該區(qū)域往復(fù)變化時(shí)造成頻繁的模式切換造成能量損耗.

在電池SOC高于xSOC.min且電機(jī)可以單獨(dú)滿足功率需求的前提下，若變速箱輸入軸需求轉(zhuǎn)速低于nt.cltoff或變速箱輸入軸功率低于Ptr.cltoff，則由混合模式進(jìn)入純電動模式.

3）條件B為模式2到模式3的轉(zhuǎn)移條件

在xengoff大于0且電池SOC高于xSOC.max的前提下，若加速踏板開度低于αacc.engoff，且變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速低于ntrans.engoff，此時(shí)進(jìn)入發(fā)動機(jī)關(guān)閉模式.

2.2 功率分配策略

3種工作模式之間的轉(zhuǎn)換條件確定之后，現(xiàn)說明3種工作模式下的功率分配規(guī)則.

1）在發(fā)動機(jī)關(guān)閉和純電動模式下，SOC〉xSOC.max，由電機(jī)單獨(dú)滿足需求功率.

其中：Pe.t為發(fā)動機(jī)目標(biāo)功率；Pm.t為電機(jī)目標(biāo)功率；Pt.dmd為傳動系統(tǒng)需求功率.

2）在混合模式下，若電池SOC〉xSOC.max，則不允許發(fā)動機(jī)主動給電池充電，依靠制動能量回饋保持自平衡.

①傳動系統(tǒng)需求功率介大于發(fā)動機(jī)最佳油耗功率且小于發(fā)動機(jī)最佳油耗功率與電動機(jī)最大輸出功率之和時(shí)，功率分配為發(fā)動機(jī)最佳油耗區(qū)域時(shí)的輸出功率與電動機(jī)輸出功率之和.式（5）為功率條件，式（6）為功率分配.

其中：Pt.dmd為傳動系統(tǒng)需求功率；Pe.b發(fā)動機(jī)最佳油耗區(qū)域功率；Pm.max為電動機(jī)最大輸出功率.

②傳動系統(tǒng)需求功率大于發(fā)動機(jī)最佳油耗功率與電動機(jī)最大輸出功率之和時(shí)，電動機(jī)輸出最大功率，不足部分由發(fā)動機(jī)補(bǔ)充.式（7）為功率條件，式（8）為功率分配.

其中Pe.max為發(fā)動機(jī)可輸出最大功率.

3）在混合模式下，若電池xSOC.max〉SOC.情況1下，發(fā)動機(jī)工作在最佳油耗區(qū)域用于滿足汽車運(yùn)行需求功率，對最佳油耗區(qū)域輸出功率大于需求功率部分進(jìn)行能量回收給動力電池充電.若電池SOC低于xSOC.min，則不允許充電，在情況2下，由發(fā)動機(jī)提供全部需求功率，發(fā)動機(jī)最大功率不足以滿足功率需求時(shí)，由電機(jī)助力.若電池SOC高于xSOC.min，則允許充電.

①傳動系統(tǒng)需求功率小于發(fā)動機(jī)最佳油耗功率時(shí)且SOC〉xSOC.min，發(fā)動機(jī)工作在最佳油耗區(qū)域，多出的功率用于給電池充電.公式（9）為功率條件，公式（10）為功率分配.

②傳動系統(tǒng)需求功率大于發(fā)動機(jī)最佳油耗功率時(shí)且SOC〉xSOC.min，由發(fā)動機(jī)提供全部需求功率，需求功率大于發(fā)動機(jī)最大輸出功率時(shí)由電動機(jī)驅(qū)動進(jìn)行補(bǔ)充.式（11）為功率條件，式（12）為功率分配.

③SOC＜xSOC.min，不允許給電池充電，發(fā)動機(jī)始終輸出傳動系統(tǒng)需求功率，若不足需求功率，則由電機(jī)助力.式（13）為功率條件，式（14）為功率分配.

3 能量分配控制策略仿真研究

PHEV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，整車控制器通過CAN總線采集發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、變速箱控制器及離合器控制器以及整車狀態(tài)等信息.對輸入信號進(jìn)行處理后通過輸出硬線輸出端口以及CAN通訊控制車輛行駛.

圖5 PHEV動力系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 The PHEV power system architecture

根據(jù)整車主要參數(shù)使用MATLAB/Simulink對PHEV建立前向仿真模型，整車仿真模型包括發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、動力電池、駕駛員模型、路況模型、傳動系統(tǒng)模型、車輛模型以及包含多模式切換策略的VCU控制器模型，整車參數(shù)如表1所示.

結(jié)合整車仿真模型，分別對搭建包含持續(xù)最優(yōu)控制策略的VCU和包含本文提出包含多模式切換控制策略的VCU進(jìn)行離線仿真.將NEDC循環(huán)工況重復(fù)10次，對不同控制策略下的發(fā)動機(jī)油耗、電池SOC剩余進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出對比分析結(jié)果.

對多模式切換能量優(yōu)化管理策略離線仿真得出仿真結(jié)果分析.截取NEDC循環(huán)工況中的仿真結(jié)果如下圖，圖6為此段工況中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器命令、發(fā)動機(jī)啟動命令在570 s至620 s處的仿真結(jié)果.在586.1 s離合器結(jié)合，PHEV由純電動模式轉(zhuǎn)換為混合動力模式，發(fā)動機(jī)由怠速運(yùn)行開始輸出扭矩，轉(zhuǎn)速增大.電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低.在614.5 s處離合器脫開，PHEV由混合動力模式轉(zhuǎn)換為發(fā)動機(jī)關(guān)閉模式，由電動機(jī)提供全部的輸出功率.此時(shí)間段內(nèi)的需求扭矩與電動機(jī)輸出扭矩、發(fā)動機(jī)輸出扭矩之間的關(guān)系如圖7所示.

對持續(xù)最優(yōu)控制策略進(jìn)行離線仿真，同樣截取NEDC循環(huán)工況中的570 s至620 s處的仿真結(jié)果，圖8，在576.7 s處離合器結(jié)合，此時(shí)需求功率大于電動機(jī)可輸出的最大功率，發(fā)動機(jī)工作在最佳油耗區(qū)域，多出的功率用于給動力電池充電，此時(shí)間段內(nèi)的需求扭矩與電動機(jī)輸出扭矩、發(fā)動機(jī)輸出扭矩之間的關(guān)系如圖9所示.

表1 整車主要參數(shù)Tab.1 Main vehicle parameters

圖6 多模式切換控制策略下各性能指標(biāo)與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.6 Multi-mode switching control strategy under the performance indicators and speed curve

圖7 多模式切換控制策略下各性能指標(biāo)與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線Fig.7 Multi-mode switching control strategy under the performance indicators and torque curve

圖8 持續(xù)最優(yōu)控制策略下各性能指標(biāo)與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.8 Continuous optimal control strategy under the performance indicators and speed curve

為了更好的評價(jià)2種工作模式的優(yōu)劣.統(tǒng)計(jì)2種不同控制策略仿真結(jié)果下的SOC剩余以及燃油量計(jì)算出PHEV以持續(xù)最優(yōu)模式工作時(shí)消耗的能量成本為27.4元，而以混合模式工作時(shí)消耗的能量成本為21.3元，節(jié)約近20%.

綜上所述，混合模式下的能量分配策略閉傳統(tǒng)的持續(xù)最優(yōu)控制策略能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)和電動機(jī)進(jìn)行更合理的控制，從而獲得較好的能耗經(jīng)濟(jì)性.

圖9 持續(xù)最優(yōu)控制策略下各性能指標(biāo)與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線Fig.9 Continuous optimal control strategy under the performance indicators and torque curve

4 結(jié)論

基于多模式切換的插電式混合動力電動汽車能量優(yōu)化管理方法是在分析傳統(tǒng)控制策略的控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出的1種新的控制方法.綜合了傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制策略在特定工況下的缺陷，使控制策略更加合理，在滿足動力需求的前提下提高了PHEV的燃油經(jīng)濟(jì)性.

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[責(zé)任編輯 田豐夏紅梅]

Energy optimization management method of plug-in hybrid electric vehicle based on multi-mode switching

LIU Tianlu，GAO Chunyan
（School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

The driving strategy and energy optimization control method of the engine and motor of plug-in hybrid electric vehicle have great influence on improving the overall performance of the vehicle.This paper proposed an energy optimization management method based on multi-mode switching by combining three kinds of traditional control strategies including the difference supplement strategy,the load following strategy and the continuous optimal strategy.We designed five modes of operation under different battery SOC mode transfer method and torque distribution method to meet the needs of the drive under the premise of different driving conditions to reduce the energy consumption.The simulation results of the energy optimization method are compared with the simulation results of the traditional energy control method.The results show that the energy optimization management method based on multi-mode switching improves the fuel consumption of the vehicle Economy and car mileage.

plug-in hybrid vehicle;energy management strategy;vehicle controller unit;off-line simulation;fuel economy

TP271

A

1007-2373（2017）03-0039-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.03.008

2017-01-18

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（17961820D）

劉天露（1989-），男，碩士研究生.通訊作者：高春艷（1979-），女，副教授，博士.