增程式電動汽車控制策略的研究

宋光輝， 崔俊博， 宋 楊， 李 楠

(浙江吉利新能源商用車有限公司 商用車研究院， 杭州 311228)

1 引 言

隨著能源的日益短缺，新能源汽車近期得到了快速發(fā)展。其中增程式電動汽車的應(yīng)用一方面可降低燃料消耗，另一方面可解決純電動車?yán)m(xù)駛里程較短的問題。

增程式電動汽車的驅(qū)動能量來自增程器或動力電池，或者由增強器和動力電池同時提供。由于增程器與驅(qū)動輪無機械連接[1]，增程器工作狀態(tài)不受整車需求功率的影響，可以通過控制策略優(yōu)化增程器的工作點以改善燃油經(jīng)濟(jì)性[2]，達(dá)到降低燃料消耗的目的。目前增程器控制策略的主要思路分為兩類：

1) 恒溫器控制策略。增程器以恒定功率工作，此時增程器轉(zhuǎn)速也固定，工作點可以在考慮整車需求功率的前提下固定為增程器的燃油經(jīng)濟(jì)點。

2) 功率跟隨控制策略。發(fā)動機的工作點隨著整車功率需求而變動，整車需求功率在增程器的輸出功率范圍內(nèi)時，增程器的輸出功率與整車需求功率保持一致，整車需求功率在增程器的輸出功率范圍外時，按增程器的最大功率工作。

對于第一類恒溫器控制策略，控制起來比較簡單，可以保證發(fā)動機工作在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)點,但動力電池處于頻繁大功率充放電狀態(tài)，且對于電池充放電性能要求較高,在個別工況下，增程器發(fā)出的功率大于驅(qū)動需求功率，此時增程器多余的功率需要給動力電池充電。后再經(jīng)電池放電用于驅(qū)動車輛,效率損失較多[3]。

對于第二類功率跟隨控制策略，發(fā)動機根據(jù)整車的功率需求可以在不同功率點工作，當(dāng)整車需求功率較大，超過增程器的輸出功率時，剩余功率由電池補充。此策略的缺點是發(fā)動機無法保證高效性，特別是在低轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速工況下。此策略對動力電池充放電特性要求較低，但對發(fā)動機的性能要求較高。

除以上兩種控制策略外，本文還研究了多點功率跟隨控制策略。該策略綜合考慮以上兩種策略的優(yōu)點，既能保證增程器在高效點工作，又能減少動力電池的深度充放電。具體思路為：增程器的工作點為定點，但不同于恒溫器策略中的單個工作點，此策略中增程器的工作點為多個點，這些點涵蓋了增程器的低、中、高功率點，且包含在增程器的高效區(qū)。高、低功率的選擇考慮了動力電池過度放、充電工況及整車NVH等因素的影響。該策略基于整車功率需求、動力電池的SOC(荷電狀態(tài))值、車速、油門踏板開度等參數(shù)控制增程器的啟停及工作點的切換。

2 增程式電動汽車控制策略的設(shè)計

本文中的控制策略研究主要針對混合驅(qū)動模式和行車發(fā)電模式。對于混合驅(qū)動模式，控制的核心是增程器和動力電池的功率分配，綜合考慮增程器的高效區(qū)、動力電池放電功率范圍及高效區(qū)、整車NVH性能要求等因素，確保增程器和動力電池都在高效區(qū)工作。對于行車發(fā)電模式，控制策略的制定主要考慮增程器的高效區(qū)、動力電池充電功率范圍及高效區(qū)、整車NVH性能要求等因素，使增程器在提供驅(qū)動功率的同時，還能額外給動力電池充電，并確保動力系統(tǒng)的綜合效率最高。控制策略的設(shè)計目標(biāo)是在滿足整車動力性、NVH等要求的前提下，提高整車的系統(tǒng)效率、降低燃料的消耗[4]。

2.1 增程式電動汽車工作模式

增程式電動汽車主要有3種工作模式：

1) 純電動驅(qū)動模式。增程器系統(tǒng)不開啟，動力電池系統(tǒng)給驅(qū)動電機提供電能。

2) 混合驅(qū)動模式。增程器系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)同時給驅(qū)動電機提供電能。

3) 行車發(fā)電模式。增程器系統(tǒng)給驅(qū)動電機發(fā)電的同時給動力電池充電。

增程式動力系統(tǒng)的3種工作模式中都具備再生制動功能，進(jìn)一步提供續(xù)駛里程。

2.2 恒溫器控制策略

1) 恒溫器控制時主要考慮以下因素：

①增程器單點工作時，此發(fā)電功率可以提供驅(qū)動功率的同時給動力電池充電，保證在一定的行駛距離內(nèi)動力電池不會出現(xiàn)大范圍的饋電。

②增程器在此點工作時效率比較高。

③增程器的轉(zhuǎn)速不能過低和過高，轉(zhuǎn)速過低，難以保證高效性；轉(zhuǎn)速過高，NVH性能較差。

2) 增程器工作點的確定：根據(jù)以上分析，最終恒溫器控制策略中增程器的工作點定為30 kW，見圖1中的B點，其中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速(r/min)，縱坐標(biāo)為扭矩(N·m)。從圖1中可以看出此點處于增程器的高效區(qū)，且轉(zhuǎn)速適中，功率可以滿足標(biāo)準(zhǔn)工況的要求。

圖1 增程器工作點

3) 恒溫器控制邏輯：恒溫器控制策略主要根據(jù)動力電池的SOC進(jìn)行控制，當(dāng)SOC小于SOC_start時，增程器開啟；當(dāng)SOC大于SOC_stop時，增程器關(guān)閉；當(dāng)SOC介于SOC_start和SOC_stop之間時根據(jù)上一時刻進(jìn)行判斷，具體邏輯見圖2。增程器開啟后，其工作點按照B點工作。

圖2 恒溫器控制邏輯

2.3 功率跟隨控制策略

1) 功率跟隨控制策略考慮的因素：

①增程器的輸出功率和需求功率相當(dāng)，盡量避免給動力電池充電。

②考慮整車經(jīng)濟(jì)性和NVH性能，增程器轉(zhuǎn)速可以在5 000 r/min左右工作，但考慮到整車經(jīng)濟(jì)性和NVH性能，控制策略中增程器的工作轉(zhuǎn)速限制在 1 250～4 000 r/min之間。

2) 增程器工作點的確定：通過在萬有特性圖中把增程器等功率曲線下的最經(jīng)濟(jì)點連接起來，得到增程器的工作曲線，見圖3中的虛線。

圖3 功率跟隨增程器工作曲線

3) 功率跟隨控制邏輯：功率跟隨中增程器開啟控制邏輯與圖2中恒溫器控制策略中的邏輯相同，只是增程器開啟后其工作點按照整車需求功率沿圖3中的虛線工作。

2.4 多點功率跟隨控制策略

1) 多點功率跟隨控制策略考慮的因素：

①合理設(shè)計增程器的開啟控制邏輯，盡量減少增程器的啟停次數(shù)。

②規(guī)定增程器開啟后，定義增程器在各工作點的最短工作時間，減小增程器系統(tǒng)工作時的功率波動。

③考慮車速與整車NVH性能之間的關(guān)聯(lián)，盡量在低速時，增程器不在高轉(zhuǎn)速高功率點工作；在高速時，考慮風(fēng)噪及輪胎噪聲的影響，合理控制增程器的工作點。

④增程器工作點的選擇還要考慮動力電池過充及過放的影響，保證增程式無論在那種工況下運行，動力電池不會出現(xiàn)過充和過放的情況，提高動力電池的使用壽命。

2) 增程器工作點的確定：考慮以上因素，增程器的工作點在30 kW(B點)的基礎(chǔ)上增加A點15 kW和C點60 kW兩個點，其中15 kW在低功率需求時工作，60 kW在高功率需求時工作。具體工作點見圖1。

3) 多點跟隨控制策略控制邏輯：增程器的狀態(tài)在開啟與關(guān)閉之間切換，考慮到增程器開啟后要在3個工作點之間進(jìn)行切換，控制策略中制定了相應(yīng)的切換條件，當(dāng)滿足各工作點切換條件時切換為相應(yīng)的工作點?？刂撇呗允褂肧imulink/Stateflow進(jìn)行搭建。具體見圖4。

圖4 多點功率跟隨控制邏輯

條件1：SOC<25%或(P>60 kW且a>60%)；條件2：SOC>60%且P<20 kW；條件3：50%>SOC>30%或(P>20 kW且a>15%)；條件4：(SOC<35%且v>40 km/h)或(P>35 kW且a>30%)；條件5：P<15 kW；條件6：P<15 kW；條件7：P<30 kW；條件8：(SOC<35%且v>20 km/h)或(P>35 kW且a>50%)。

其中:P代表30 s的平均需求功率；a代表加速踏板開度；v代表車速；SOC代表電池的荷電狀態(tài)。

當(dāng)整車滿足條件1時，增程器開啟，增程器先在工作點A工作，之后根據(jù)整車條件判斷是否切換到工作點B或點C，3個工作點可以根據(jù)整車條件來回切換。當(dāng)整車條件滿足條件2時，增程器關(guān)閉。

以上恒溫器、功率跟隨、多點功率跟隨3種控制策略除考慮以上因素外，還需要考慮以下共同因素：

1) 合理設(shè)定動力電池的SOC工作范圍，設(shè)定的依據(jù)是首先滿足國家節(jié)能補貼要求的純電動續(xù)駛里程；增程器開啟，盡量讓動力電池在高效區(qū)工作以提高整車經(jīng)濟(jì)性；另外增程器啟停的SOC范圍不應(yīng)過寬，以保證整車到達(dá)目的地時，盡量使用外接電網(wǎng)為動力電池進(jìn)行充電。

2) 再生制動條件下，合理分配摩擦制動力和再生制動力[5]。根據(jù)需求制動力的大小，在確保制動安全的條件下，盡量讓電機參與制動，回收能量。

3 整車動力性經(jīng)濟(jì)性仿真

通過AVL CRUISE軟件與Simulink軟件創(chuàng)建聯(lián)合仿真模型[6-7]，對控制策略進(jìn)行可行性分析，根據(jù)仿真結(jié)果，選擇最優(yōu)的增程器控制策略。

3.1 仿真模型的搭建

通過Simulink/Stateflow搭建控制策略并生成DLL文件[8-9]，在AVL CRUISE軟件中搭建整車模型、完成模型與DLL文件數(shù)據(jù)接口的連接[10]。

3.2 仿真分析

根據(jù)GB/T 19754-2015《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》建立整車仿真任務(wù)[11]，在滿足整車動力性的前提下，重點關(guān)注電量平衡階段的經(jīng)濟(jì)性。

按照標(biāo)準(zhǔn)中要求的C_WTVC工況，對整車的3種不同控制策略進(jìn)行仿真分析。3種控制策略下車輛當(dāng)前速度、目標(biāo)車速的曲線如圖5所示，通過曲線可以看出，仿真車輛的當(dāng)前車速與目標(biāo)車速吻合。

圖5 C_WTVC工況下當(dāng)前車速與目標(biāo)車速曲線

3種控制策略下增程器的工作扭矩分別見圖6、圖7和圖8，從圖中看出，恒溫器控制策略下增程器開啟時，扭矩恒定；功率跟隨控制策略下增程器開啟時，其工作扭矩跟隨整車需求扭矩變化；多點功率跟隨控制策略下增程器開啟時，其工作扭矩在3個值之間變化。

圖6 恒溫器控制策略下的增程器工作扭矩

圖7 功率跟隨控制策略下的增程器工作扭矩

圖8 多點功率跟隨控制策略下的增程器工作扭矩

3.3 仿真結(jié)果對比

雖然3種控制策略下動力電池的起始SOC相同，但由于控制邏輯和工作點的不同，仿真結(jié)束時動力電池的SOC值不同。由于最終經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣是按照油耗進(jìn)行對比的，所以最終按照式(1)和式(2)將電量消耗量E(kW·h)換算到等效的燃料消耗量V(L)以計算汽車百公里等效燃油消耗(L/100 km)。

V=Vn±Ve

(1)

Ve=(360×ΔSOC×E)/(ρ×Hu×ηeng×ηgen×S)

(2)

式中：Vn為根據(jù)發(fā)動機燃油消耗量計算的百公里燃油消耗量,L/100 km；Ve為根據(jù)動力電池SOC變化量計算的等效燃油消耗量,L/100 km；ρ為燃油密度,kg/L；Hu為燃油的低熱值,MJ/kg；ηeng為發(fā)電工況下發(fā)動機的平均有效熱效率；ηgen為發(fā)電工況下發(fā)電機系統(tǒng)的平均工作效率；ΔSOC為SOC的變化值；S為行駛距離,km。

表1為仿真值與試驗值。通過仿真分析，在滿足整車動力性指標(biāo)的前提下，3種控制策略的經(jīng)濟(jì)性以多點功率跟隨最優(yōu)，最終樣車試驗搭載的控制策略也為多點功率跟隨策略，通過樣車試驗結(jié)果對比，仿真綜合油耗誤差小于2%，可以很好地指導(dǎo)控制策略開發(fā)。

表1 經(jīng)濟(jì)性仿真對比

4 結(jié)束語

本文通過AVL CRUISE軟件搭建整車模型、使用Simulink軟件完成控制策略模型，對某款增程式電動汽車的三種控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真。通過仿真分析，

得出在多點功率跟隨控制策略下，整車在滿足動力性的同時，其經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。最終通過多點功率跟隨控制策略在增程式電動汽車樣車上進(jìn)行搭載，并對比仿真與整車試驗結(jié)果，驗證了多點功率跟隨控制策略的可行性與該仿真方法的精確性，同時驗證該策略搭載某增程器電動汽車時，多點跟隨控制策略在經(jīng)濟(jì)性上比恒溫器和功率跟隨控制策略更有優(yōu)勢。

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