采用能量管理策略的混聯式混合動力汽車的建模與仿真

孫貴斌，曹競輝，王　耀，馬騰騰，楊云東

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.福建省客車與特種車輛研發(fā)協同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361024；3.廈門市福工動力技術有限公司，福建 廈門 361024)

2017年，世界氣象組織公布的溫室氣體公報顯示，當年全球二氧化碳的平均濃度達到了歷史最高的水平?？刂破囄矚馀欧乓呀洺蔀榱似嚿a廠商以及社會各界迫在眉睫、亟需解決的一項任務[1]。新能源汽車成為汽車發(fā)展趨勢。純電動汽車由于電池的技術瓶頸，其發(fā)展受到了制約。而油耗低、排放少、續(xù)航長的混合動力汽車則成了新能源的最佳過渡車型。目前，混合動力汽車的構型一般分為串聯式(series hybrid electric vehicle，SHEV)、并聯式(parallel hybrid electric vehicle，PHEV)和混聯式(parallel-series hybrid electric vehicle，PSHEV)3種[2]。由于混合動力汽車存在兩個動力源，意味著混合動力汽車有多種能量分配方式和工作模式，需要一套較為復雜的控制策略來協調整車能量的分配。

現階段，混合動力汽車的整車控制方法主要有2種：一種是基于規(guī)則的方法，如邏輯門限值、模糊控制；另一種是基于優(yōu)化的方法，如：龐特里亞金最小值、動態(tài)規(guī)劃等。連靜等[3]使用基于邏輯門限值的方法對并聯式混合動力汽車進行研究，文章利用Cruise軟件搭建整車模型，利用Matlab/Simulink建立邏輯門限值算法，實現了對并聯式混合動力系統(tǒng)的仿真，并降低了油耗，維持了電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的平衡。杜玖玉等[4]使用基于規(guī)則的邏輯門限值的方法對液壓混合動力系統(tǒng)進行研究，把發(fā)動機MAP圖分為3個區(qū)域，根據不同的工作點劃分汽車的工作模式，以實現對車輛的控制。LIN Chanchao等[5]采用了動態(tài)規(guī)劃算法能量管理策略，把既定的循環(huán)工況離散為N個階段，選取電機轉矩和變速器檔位指令作為控制變量，電池荷電狀態(tài)和變速器檔位作為狀態(tài)變量，得出了混合動力汽車的最優(yōu)控制變量，但是動態(tài)規(guī)劃算法受到工況的制約，計算量大，難以應用到實際。本文利用Matlab/Simulink建立混聯式混合動力汽車的整車模型，把混合動力汽車工作模式分成4種，基于邏輯門限值的思想建立了能量管理策略，簡化了現有汽車的仿真模型，縮短了混合動力汽車開發(fā)過程的前期階段，并通過在城市道路和市郊道路兩種工況下進行仿真，對汽車性能進行對比分析，驗證汽車模型的正確性和控制策略的有效性。

1　混聯式混合動力汽車動力系統(tǒng)結構

PSHEV結合了串聯和并聯的優(yōu)點，結構采用了行星齒輪作為動力耦合裝置，綜合了串、并聯的組成比例?；炻撆c并聯相比，增加了一個發(fā)電機設置；與串聯相比，增加了發(fā)動機與變速機構的機械連接，但是混聯式混合動力的動力系統(tǒng)質量和體積都較小，能夠提供和傳遞優(yōu)于其他方案的驅動功率和系統(tǒng)效率。PSHEV可以擁有更多的驅動模式，能適應不同的行駛工況需求，并且在一部分工況下可以實現“零排放”[6]。本文采用混聯結構中最具代表性的豐田普銳斯THS-II第二代汽車動力系統(tǒng)結構作為研究對象，其結構示意圖如圖1所示。

2　混聯式混合動力汽車整車模型的建立

PSHEV的Matlab/Simulink整車頂層模型如圖2所示，其中子模塊包括：drive cycle模塊、driver模塊、control模塊、engine模塊、motor模塊、generator模塊、battery模塊、gear模塊和vehicle模塊。整個PSHEV系統(tǒng)的信號流從路面循環(huán)工況開始傳遞。駕駛員根據道路需求和實際車速，將踏板命令值傳遞給控制器模塊和車身模塊?？刂颇K根據整車狀態(tài)，將踏板信號轉化成整車需求轉矩合理分配給發(fā)動機、電動機和發(fā)電機。最后發(fā)動機模塊和電機模塊經過行星齒輪模塊將實際轉矩值輸出到車身模塊。

整車主要參數如表1所示。

表1　整車主要參數Table 1　Main parameters of the vehicle

2.1　整車動力學模型

整車動力學模型主要考慮車輛的縱向動力學。與傳統(tǒng)燃油車的整車傳動系統(tǒng)基本類似，模型輸入為整車驅動力矩和制動踏板信號，輸出為車速信號值。計算主要依據輪胎的受力平衡建立汽車行駛方程式，得出實際車速。

(1)

(2)

式中：Ff為滾動阻力；Fi為爬坡阻力；Fj為加速阻力；δ為汽車旋轉質量換算系數；Fw為空氣阻力；Cd為空氣阻力系數。

2.2　道路循環(huán)工況模型和駕駛員模型

為了模型更貼近真實，道路模塊采用了具有代表性的城市道路工況FTP75和高速公路工況HWFET，設置駕駛員模型來模擬實際行車中駕駛員響應。整車模型由循環(huán)工況給出目標車速，駕駛員模塊控制實際車速，對目標車速進行跟隨。駕駛員模塊設置一個PID控制器，其輸入為需求車速值Vdem和實際車速值V，通過比較兩者的差值，計算輸出加速踏板開度信號值α和制動踏板的開度信號值β，其計算公式[7]為

(3)

(4)

式中：α為加速踏板開度；β為制動踏板開度；Vd為需求車速；V為實測車速。

2.3　發(fā)動機模型

由于發(fā)動機的工作過程相當復雜，建模時許多情況基于假設，大部分參數難以測得，采用理論建模有一定困難，所以現在多通過臺架測試數據導入，通過數學模型擬合建立發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)特性模型，其缺點是發(fā)動機在實際行駛中多處在不穩(wěn)定工況，臺架測試所測數據僅限于發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)工況[8]。但所得的模型計算結果值偏差不明顯，對本文主要討論的整車經濟性能影響不大。

在發(fā)動機臺架實驗中，可以得到一系列發(fā)動機轉速對應的轉矩、油耗、功率等數據，把數據制成三維MAP圖，通過式(5)(6)(7)計算數據，建立表格來擬合插值計算某一工況下的電子節(jié)氣門開度、轉矩輸出、燃油消耗率等；式(8)為發(fā)動機燃油消耗計算公式。本文所建模型的發(fā)動機MAP圖如圖3所示。

(5)

(6)

be=f(Te,Ne)，

(7)

(8)

式中：Vf為燃油消耗量，單位為L；ρf燃油密度，單位為g/L；be發(fā)動機的瞬時油耗率，單位為g/kWh；P為發(fā)動機輸出功率，單位為kW。

2.4　電機模塊

電機采用內置式永磁式同步電機。內置式永磁式同步電機體積質量小，方便布置，并且效率高，響應快，轉矩大，有較好的起動特性和過載能力。電機模型也是由電機實驗數據導入建立的。通過實驗所測得的數據，得到電機轉速、轉矩和功率的關系，建立電機的效率關系，其關系如式(9)所示。

ηg=f(Ng,Tg)。

(9)

式(9)中：ηg表示同步電機的效率；Ng表示實際電機轉速；Tg表示實際電機轉矩。

由電機轉速和轉矩查電機的三維效率圖，求得電機輸出功率。電機模塊計算還包括汽車制動時的發(fā)電轉矩，其計算公式[9]為

Tm=(T+(Tmmax-T)×Kbrake)×Kbatt。

(10)

式(10)中：Tm為電機發(fā)電轉矩；T為滑行發(fā)電轉矩；Tmmax為電機在當前轉速下可產生的最大制動轉矩；Kbrake為制動踏板信號強度(百分比)；Kbatt為電池電量對發(fā)電的影響系數。

2.5　電池模型

電池模型采用鎳氫電池。PSHEV對電池總容量的要求主要來自于持續(xù)的加速/爬坡工況和續(xù)航里程(純電動模式)[10]，電池容量過小會導致發(fā)動機頻繁啟動為其充電。電池模型實質上是簡化的理想電池等效電路，電池荷電狀態(tài)SOC計算公式如式(11)。

(11)

式(11)中：Q表示最大的電池容量，i表示充放電電流。

2.6　行星齒輪機構

行星齒輪結構是混聯式混合動力汽車動力的關鍵傳遞裝置，其結構包括太陽輪、行星輪、外齒圈、行星架。PSHEV的發(fā)動機與行星架相連，發(fā)電機與太陽輪相連，電動機和驅動軸與外齒圈相連[11]。PSHEV將會有多種不同的功率流向。發(fā)動機通過行星架將動力傳遞給外圈和太陽輪，發(fā)動機的扭矩可用來驅動混合動力汽車，一小部分驅動發(fā)電機向電池組充電。發(fā)電機可以直接用于給電池組充電，也可以驅動電動機，增加驅動力。行星齒輪采用Simscape預置模塊搭建。

2.7　控制器模型

控制器模型的精確度直接關系到了車輛的性能?？刂破髂K接收到駕駛員的踏板信號，根據發(fā)動機、電機、電池等各個部件的狀態(tài)反饋，經由整車控制策略的優(yōu)化分配，得到各個驅動模塊的目標轉矩，驅動車輛使其運行在高效區(qū)，達到最佳的經濟排放目的。結合電池荷電狀態(tài)和發(fā)動機最優(yōu)工作曲線模式，PSHEV采用規(guī)則的邏輯門限值控制策略，確定PSHEV運行模式的切換以及驅動發(fā)電模塊需求轉矩值的大小。

PSHEV中，發(fā)動機是主要動力源[12]，發(fā)電機和電動機以平衡發(fā)動機運行負荷的形式提供動力。設計中應使發(fā)動機盡量減少在低效率區(qū)工作，取消其怠速工況，使發(fā)動機的工作沿著其最優(yōu)經濟性曲線。當車速達到30 km/h時，發(fā)電機才會作為起動機帶動發(fā)動機啟動。另一方面，PSHEV受到一定電池性能方面的制約。電池不允許過充電和過放電，為了提高電池壽命和能量轉換效率，確保電池SOC在一定適宜范圍內[13]，電池工作在充放電內阻較低的區(qū)域，設置為0.3～0.8，即SOC低于0.3開啟充電模式，SOC大于0.8禁止向電池充電。

基于上述策略設定，根據整車運行需要，把PSHEV的運行模式分為以下4種。

1)純電動模式。當車速小于30 km/h，且電池SOC>0.3，此時可由電動機單獨驅動汽車，汽車進入純電動模式。

2)加速/爬坡模式。當汽車的需求功率或者負荷較大時，汽車進入加速/爬坡模式，發(fā)動機工作在最佳工作區(qū)間，和電動機一起驅動汽車。

3)巡航模式。當車輛的需求功率滿足發(fā)動機的最優(yōu)功率區(qū)間時，電動機不工作，汽車由發(fā)動機單獨驅動。

4)制動模式。當駕駛員進行制動時，汽車進入制動模式，電動機反轉回收制動能量。為了消除制動踏板小開口的干擾，模型設置制動踏板信號β>0.05時，車輛才會進入制動模式。

3　混聯式混合動力汽車的仿真與分析

FTP75和HWFET工況可以很好地模擬城市和市郊道路情況。FTP75城市循環(huán)工況適應城市道路，包括車輛的駐車、起動、加減速等常見工況,相比FTP72多包括了一個停車10 min后的發(fā)動機熱啟動階段。模型的行駛里程為17.77 km，平均車速為34.1 km/h,持續(xù)時間為2 478 s。高速公路循環(huán)測試工況(HWFET工況)行駛里程為16.45 km，平均車速為77.7 km/h，持續(xù)時間為765 s。FTP75和HWFET工況仿真車速和需求車速對比圖如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，兩種工況下仿真車速和需求車速基本一致，仿真模型的車速跟隨性較好，表明所建的整車模型是可行的。

3.1　發(fā)動機轉矩輸出

起步和小負荷工況下，PSHEV工作在純電動模式。當車速達到30 km/h時，發(fā)電機可以起到燃油車起動機的作用，大轉矩帶動發(fā)動機啟動。由圖6和圖7可知，行車過程中，發(fā)動機工作點多處在高效區(qū)域，油耗較低，使用率較高。在循環(huán)工況的駐車過程中，發(fā)動機處于關閉狀態(tài)，避免怠速引起的高油耗。在減速或者制動工況下發(fā)動機出現了-27 N·m左右較小的負值轉矩，進行了發(fā)動機制動。

3.2　電池SOC

SOC變化結果如圖8、圖9所示，電池SOC在循環(huán)階段保持了平衡，始終工作在允許范圍內。由圖8可知：在城市道路行駛時，由于頻繁的加減速，發(fā)動機多處在關閉或工作在大負荷狀態(tài)下，SOC波動較大，變化頻繁。由圖9可知：在高速公路行駛起步時，電池有明顯放電現象，為PSHEV提供足夠的動力；進入巡航階段后，發(fā)動機的一小部分功率用于給電池充電，SOC在小范圍內跳動；在工況減速制動階段時，進行了制動能量回收，電池SOC有明顯上升。

3.3　油耗分析

PSHEV在城市道路和高速公路下進行燃油消耗計算，得出數據如表2所示。城市道路下PSHEV百公里燃油消耗為4.876 L,總耗油量為0.536 L，行駛里程17.77 km；高速公路下百公里燃油消耗為1.596 L，總耗油量為0.163 7 L，行駛里程16.45 km。PSHEV與動力性相近的燃油車的對比可知：在城市工況下，由于發(fā)動機的啟?？刂撇呗院痛罅康闹苿幽芰炕厥帐沟肞SHEV的節(jié)油率達到了37.4%；在高速工況下，PSHEV的發(fā)動機多處在最優(yōu)工作曲線模式下，節(jié)油率達到了70%。

表2　燃油消耗對比Table 2　Comparison of fuel consumption

4　結語

通過對多種混合動力系統(tǒng)的結構形式的比較，選擇混聯式進行研究分析。利用Matlab/Simulink的建模工具，建立了混合動力汽車的整車模型，子模塊包括：循環(huán)工況模塊、駕駛員模塊、控制器模塊、發(fā)動機模塊、電動機模塊、發(fā)電機模塊、電池模塊、行星齒輪模塊和整車動力學模塊?；谶壿嬮T限制的控制方法提出整車控制策略，依據設定規(guī)則和門限值選擇整車運行模式并進行動力分配，把整車運行模式劃分為純電動模式、加速/爬坡模式、巡航模式和制動模式。在城市循環(huán)道路工況FTP75和高速公路工況HWFET下，分別對整車模型進行了整車經濟性能仿真，結果顯示，所建模型實現了整車需求轉矩的有效分配，百公里燃油消耗在城市工況下比燃油車降低了37.4%，在高速工況下降低了71%，經濟性能得到了很大的改善，驗證了所建模型和控制策略的正確性和有效性。

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