增程式混合動(dòng)力汽車的分段式能量管理策略研究

洪木南，周安健，蘇 嶺，姚振輝，劉 波

（重慶長安汽車股份有限公司 新能源汽車研究院，重慶 401120）

隨著非可再生資源的日漸枯竭和環(huán)境污染的加劇，世界各國針對(duì)汽車節(jié)能技術(shù)開展了大量的研究與開發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車具有怠速啟停、能量回收等節(jié)油功能，同時(shí)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，進(jìn)一步降低油耗和排放，循環(huán)工況節(jié)油率可達(dá)25%[1-2]，是減少石油依賴，降低環(huán)境污染的有效途徑。插電式混合動(dòng)力汽車插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）除了具有常規(guī)混合動(dòng)力汽車的功能，還可以利用電網(wǎng)的能量進(jìn)一步降低油耗和減少排放，近年來受到越來越多的關(guān)注[3]。

為了充分利用從電網(wǎng)充入的能量，在每個(gè)充電周期內(nèi)，PHEV能量管理策略可以分為電能消耗（Charge Depleting，CD）階段和電能維持（Charge Sustaining，CS）階段。在CD階段，PHEV要充分使用電能驅(qū)動(dòng)車輛，動(dòng)力電池剩余電量（State of Charge，SOC）逐漸下降；在CS階段，既要避免動(dòng)力電池過度放電，又要防止電池SOC過高而導(dǎo)致電網(wǎng)充電空間下降，所以需要將動(dòng)力電池SOC維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)[4]。

常見的CD階段策略有兩類，一類是完全使用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于停機(jī)狀態(tài)；另一類則是油電混合驅(qū)動(dòng)，純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在整個(gè)CD階段可以同時(shí)發(fā)生，也可以先后發(fā)生。CS階段策略也分為油電混合驅(qū)動(dòng)和僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種[5]。

在常規(guī)混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)上將電池容量和電機(jī)功率加大，再增加車載充電機(jī)和外部充電接口，即可得到PHEV，因此，PHEV的構(gòu)型同常規(guī)混合動(dòng)力的構(gòu)型并無區(qū)別。其中，并聯(lián)、混聯(lián)或動(dòng)力分流構(gòu)型因發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接參與驅(qū)動(dòng)，在普通轎車應(yīng)用中具有較多優(yōu)勢，所以受到大量關(guān)注[1-6]。隨著PHEV純電里程的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)不再是主導(dǎo)，僅作為增程器偶爾使用，因此增程式PHEV也將逐步得到發(fā)展[7]。

本文分析了增程式PHEV的開關(guān)式能量管理策略，針對(duì)其不足，提出了一種分段式能量管理策略。為進(jìn)一步發(fā)揮分段式策略的優(yōu)勢，提出了一種自動(dòng)調(diào)整分段式控制閾值的自學(xué)習(xí)能量管理策略。接著建立混合動(dòng)力汽車仿真模型，對(duì)開關(guān)式能量管理策略和分段式能量管理策略進(jìn)行了仿真比較，同時(shí)對(duì)具有自學(xué)習(xí)功能的分段式能量管理策略進(jìn)行了仿真分析。

1 開關(guān)式能量管理策略

開關(guān)式能量管理策略如圖2所示，當(dāng)SOC低于某一限值時(shí)，立即啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在提供驅(qū)動(dòng)功率的同時(shí)給電池充電；當(dāng)SOC高于另一限值時(shí)，停止發(fā)動(dòng)機(jī)。該策略在CD階段完全使用純電動(dòng)行駛，在CS階段則一部分時(shí)間用純電動(dòng)行駛，一部分時(shí)間由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)車輛行駛，同時(shí)給電池充電。

圖2 開關(guān)式能量管理策略示意圖

該方法優(yōu)勢明顯，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，可以始終工作在最高效率點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)達(dá)到最佳，同時(shí)可以讓SOC保持在一定的區(qū)間內(nèi)。它的缺點(diǎn)是，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功率和車輛驅(qū)動(dòng)功率無關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分能量要經(jīng)過電池的充放電過程再釋放出來，降低了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，其實(shí)質(zhì)為犧牲電效率換取發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛處于中高負(fù)荷時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較高效率的發(fā)電且所發(fā)電量全部直接用于驅(qū)動(dòng)車輛，從而避免進(jìn)出電池帶來的能量損失。開關(guān)式策略僅根據(jù)SOC大小決定發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，難以實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化。

2 分段式能量管理策略

為了解決上述開關(guān)式控制的缺點(diǎn)，功率跟隨算法被提了出來[8]。功率跟隨算法大大減少了充放電過程，在一定的功率區(qū)間內(nèi)，發(fā)電功率始終等于驅(qū)動(dòng)功率；當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率很低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)按預(yù)先設(shè)定的最低功率點(diǎn)工作，多余的功率給電池充電；當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率很大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率不夠時(shí)，電池放電補(bǔ)充。這種方法不能保證SOC維持在一定區(qū)間，通常需要增加一些輔助策略，在低SOC時(shí)適當(dāng)多充電，高SOC時(shí)適當(dāng)減小發(fā)電功率。同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要跟隨驅(qū)動(dòng)功率而發(fā)生變化，所以無法讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最高效率點(diǎn)上，其實(shí)質(zhì)是犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率換取電效率。功率跟隨策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)如圖3所示。

圖3 功率跟隨策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)

圖4 分段式能量管理策略

為了在PHEV中綜合體現(xiàn)開關(guān)式策略和功率跟隨策略的優(yōu)勢，提出了一種分段式能量管理策略，如圖4所示，將SOC使用范圍分成4個(gè)區(qū)域，其中SOCmin、SOCmax為電池允許使用的最低和最高SOC，SOCA、SOCB、SOCC為控制閾值。高SOC區(qū)域采用純電動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)；中高SOC區(qū)域采用功率跟隨算法；中低SOC區(qū)域采用開關(guān)式控制策略；低SOC區(qū)域?qū)﹄姵剡M(jìn)行保護(hù)，只能充電不能放電。

在純電動(dòng)模式，根據(jù)駕駛員踏板和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算整車驅(qū)動(dòng)功率，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行，發(fā)動(dòng)機(jī)始終關(guān)閉，只在回收能量時(shí)充電，該階段電量下降較快。

在功率跟隨模式，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率由下式給定：

式中：Pdrv為整車驅(qū)動(dòng)需求功率，kW；Paux為各控制器和車載用電器的功率消耗，kP；ηgen為發(fā)電機(jī)發(fā)電效率，該效率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩相關(guān)，%；Pice_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW；Pice為發(fā)動(dòng)機(jī)最終目標(biāo)功率，kW。

確定發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率后，由最佳油耗線可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。最佳油耗線是發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性圖上一系列等功率線與有效燃油效率等高線相切的切點(diǎn)連接而成的線，其上的每一個(gè)點(diǎn)代表某個(gè)給定功率下的最低油耗點(diǎn)。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率很大，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率發(fā)電仍無法滿足時(shí)，不足的部分由電池放電進(jìn)行補(bǔ)充，因此該階段仍然屬于電量消耗模式，但由于大部分時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率滿足整車驅(qū)動(dòng)和其它用電要求，所以電量下降較緩慢。

在混動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最經(jīng)濟(jì)區(qū)域以上，發(fā)電功率優(yōu)先滿足驅(qū)動(dòng)功率和整車用電功率，驅(qū)動(dòng)功率太大而發(fā)電功率滿足不了時(shí)，電池需輔助出力，驅(qū)動(dòng)功率小而發(fā)電功率有剩余時(shí)，全給電池充電。

在只充不放模式，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)區(qū)域以上，發(fā)電功率優(yōu)先滿足電池充電功率和整車用電功率，電池充電功率必須大于一個(gè)定值。驅(qū)動(dòng)功率太大而發(fā)電功率滿足不了時(shí)，優(yōu)先給電池充電，限制驅(qū)動(dòng)功率，驅(qū)動(dòng)功率小而發(fā)電功率有剩余時(shí)，全給電池充電。

分段式控制策略通過在高SOC區(qū)域采用純電動(dòng)模式，充分利用電網(wǎng)充入電池的電量；在中低SOC區(qū)域引入功率跟隨的控制思想，發(fā)電量隨驅(qū)動(dòng)功率而變化，減少了流經(jīng)電池的能量損失；在低SOC區(qū)域通過混動(dòng)和只充不放的控制模式，確保電量維持在低位水平而不過高或過低。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在功率跟隨區(qū)就有可能啟動(dòng)，如果在當(dāng)前充電周期（即兩次外插充電期間）內(nèi)的行駛里程較短，原始充電量就已經(jīng)夠用時(shí)，去掉功率跟隨區(qū)可以降低燃油消耗。如果當(dāng)前充電周期內(nèi)的行駛里程較長，去掉功率跟隨區(qū)會(huì)導(dǎo)致快速到達(dá)混動(dòng)區(qū)，混動(dòng)區(qū)中電池不斷地充放電，不利于系統(tǒng)整體效率的提高。

3 自學(xué)習(xí)策略

如前所述，進(jìn)入功率跟隨區(qū)的SOC閾值和當(dāng)前充電周期內(nèi)的行駛里程有關(guān)，不僅如此，用電負(fù)載等影響車輛能耗的因素也會(huì)導(dǎo)致最佳功率跟隨SOC閾值發(fā)生變化。因此，固定的SOC閾值并不適用于不同的駕駛工況和駕駛習(xí)慣。一些學(xué)者通過提取工況特征參數(shù)[9]或GPS信息交互獲取工況信息[10-11]，從而選取更匹配的控制參數(shù)，但控制較為復(fù)雜，且無法考慮駕駛員操作、車輛用電負(fù)荷等其它因素的影響。本節(jié)首先研究SOC閾值與油耗的關(guān)系，并在充電周期結(jié)束時(shí)，利用該關(guān)系對(duì)SOC閾值進(jìn)行調(diào)整，從而獲得最佳的SOC閾值。

3.1 SOC閾值對(duì)油耗的影響

由圖4可知，各SOC閾值具有如下關(guān)系：SOCmin≤SOCC≤SOCB≤SOCA≤SOCmax。為了充分利用電網(wǎng)能量，SOCB、SOCC應(yīng)越低越好，但不能突破電池使用下限，且應(yīng)預(yù)留一定的安全范圍。同時(shí)，為了在CS階段不頻繁啟停發(fā)動(dòng)機(jī)，SOCB和SOCC的緩沖區(qū)間不能太窄。

SOCA的選取則直接影響CD階段電量消耗的速度。研究表明，PHEV在當(dāng)前充電周期結(jié)束時(shí)，如果SOC正好到達(dá)期望值，油耗最低[12]，此時(shí)，來自電網(wǎng)的電能被分散到整個(gè)CD階段。因此，如果當(dāng)前充電周期內(nèi)的總耗能不大于外部補(bǔ)充的電能，不需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗為0，SOCA＝SOCB，無需啟用功率跟隨模式；如果當(dāng)前充電周期內(nèi)的總耗能大于外部補(bǔ)充的電能，則需要提前啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)才能獲得更低的油耗，且總耗能越大，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)機(jī)越早，即SOCA越大。

3.2 SOC閾值自學(xué)習(xí)

如果駕駛員的行駛里程和駕駛習(xí)慣較為固定，可以通過判斷當(dāng)前充電周期內(nèi)車輛運(yùn)行時(shí)的SOC對(duì)SOCA進(jìn)行調(diào)整，以便在下一個(gè)充電周期降低油耗。為了防止誤調(diào)整帶來的油耗大幅上升，每一個(gè)充電周期僅對(duì)SOCA進(jìn)行階梯性的微調(diào)，例如0.5%。調(diào)整方法如下：

（1）如果當(dāng)前充電周期內(nèi)車輛運(yùn)行時(shí)的SOC始終大于SOCB，表明沒有進(jìn)入CS階段，充入電池的電網(wǎng)能量沒有充分利用，應(yīng)推遲啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，SOCA向下調(diào)整0.5%（不能低于SOCB，最低只能與SOCB相等）。

（2）如果當(dāng)前充電周期內(nèi)車輛運(yùn)行時(shí)的SOC到達(dá)SOCB（±2%）后維持了一段較長的時(shí)間，表明車輛在CS階段運(yùn)行時(shí)間過長，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)太晚，SOCA應(yīng)向上調(diào)整0.5%。

（3）如果當(dāng)前充電周期內(nèi)車輛運(yùn)行時(shí)的SOC到達(dá)SOCB（±2%）后僅維持了較短的時(shí)間，或者充電周期結(jié)束時(shí)SOC正好到達(dá)SOCB，SOCA不調(diào)整。

4 控制策略仿真分析

4.1 仿真模型

增程式混合動(dòng)力車輛模型是在Matlab/ Simulink軟件環(huán)境下，以某企業(yè)自主開發(fā)的混合動(dòng)力汽車平臺(tái)模型為基礎(chǔ)搭建的?；旌蟿?dòng)力平臺(tái)模型經(jīng)過多次和實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，已用于指導(dǎo)車輛動(dòng)力系統(tǒng)選型，具有較高的準(zhǔn)確性。增程式混合動(dòng)力車輛模型的部分參數(shù)見表1。

4.2 結(jié)果分析

給定初始SOC為45%，選擇SOCC＝30%，SOCB＝35%，針對(duì)3種不同的SOCA，運(yùn)行NEDC工況6000 s，結(jié)果見表2。由表可知，在電量均得到充分利用的前提下，SOCA越大，越能提前啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入功率跟隨階段，對(duì)油耗有改善。由圖5中的 SOC變化曲線可知，隨著SOCA的提高，電量的消耗變得更加“均勻”。此外，當(dāng)SOCA＝35%時(shí)，不會(huì)進(jìn)入功率跟隨模式，其實(shí)質(zhì)是采用了開關(guān)式能量管理策略。

表1 車輛模型參數(shù)

表2 不同SOC閾值仿真結(jié)果

圖5 三種不同SOC閾值下的SOC曲線

4.3 自學(xué)習(xí)策略

為驗(yàn)證自學(xué)習(xí)策略的效果，同時(shí)減少仿真量，假設(shè)每個(gè)充電周期的駕駛路線固定為6000 s的NEDC標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)工況，每次充電僅充至45%。設(shè)定SOCC＝30%，SOCB＝35%，初始SOCA＝35%，根據(jù)每次運(yùn)行時(shí)SOC的值來動(dòng)態(tài)調(diào)整SOCA閾值，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，隨著SOCA閾值的調(diào)整，百公里油耗逐漸降低；經(jīng)過18次調(diào)整后，SOCA＝44%時(shí)，油耗降至最低值，此時(shí)，如果SOCA再增加，油耗反而惡化。

圖6 SOC閾值自學(xué)習(xí)結(jié)果

5 結(jié)論

提出了一種包含純電動(dòng)、功率跟隨、混動(dòng)、只充不放4個(gè)控制區(qū)的分段式能量管理策略，比開關(guān)式策略具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。某車型的仿真研究案例表明，與開關(guān)式能量管理策略相比，分段式能量管理策略能使油耗降低3.2%。利用自學(xué)習(xí)手段對(duì)分段式能量管理策略的SOC控制閾值進(jìn)行自動(dòng)在線調(diào)整，在每兩次充電之間，駕駛路線較為固定的情況下，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)到最優(yōu)的控制閾值。