前后軸獨立驅(qū)動的增程式電動汽車整車控制策略

宋真玉，史 戈

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000； 2.西安電力高等專科學(xué)校， 陜西 西安 710032)

增程式電動汽車相比純電動汽車，不僅降低了動力電池的成本，而且增大了續(xù)駛里程[1]。國內(nèi)外汽車市場上的增程式電動汽車以單電機(jī)驅(qū)動為主，但汽車整備質(zhì)量的增大會導(dǎo)致整車需求功率增大，使驅(qū)動電機(jī)尺寸增大，加大了布置的難度[2]。針對此問題，本文提出了一種前后軸獨立驅(qū)動的增程式電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而減小了整車布置難度。

1 前后軸獨立驅(qū)動增程式電動汽車結(jié)構(gòu)分析

增程式電動汽車主要由驅(qū)動電機(jī)、動力電池和增程器APU(發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī))組成[3]。如圖1所示，該增程式電動汽車在前后各有一個驅(qū)動電機(jī)和主減速器獨立驅(qū)動前后軸，驅(qū)動電機(jī)需求由動力電池或APU供電。

圖1 前后軸獨立驅(qū)動增程式電動汽車結(jié)構(gòu)圖

2 前后軸獨立驅(qū)動增程式電動汽車整車控制策略分析

單電機(jī)驅(qū)動增程式電動汽車整車控制策略有恒溫控制策略、功率跟隨控制策略和恒溫器-功率跟隨控制策略3種。本文提出了前后軸獨立驅(qū)動增程式電動汽車邏輯門限控制策略，合理控制雙驅(qū)動電機(jī)和增程器，降低了能量消耗率。

本文把整車工作模式分為純電驅(qū)動模式和增程模式兩種。純電驅(qū)動模式下整車需求功率由動力電池提供，增程模式下整車需求功率由增程器APU提供。

當(dāng)整車需求功率小于60 kW且動力電池SOC大于30%時，整車需求功率由動力電池提供；當(dāng)整車需求功率大于60 kW或動力電池SOC小于30%時，整車需求功率由APU提供。同時，當(dāng)整車處于增程模式時，為避免發(fā)動機(jī)的頻繁啟動，動力電池SOC需達(dá)到80%時，整車工作模式才能切換至純電驅(qū)動模式。整車切換邏輯如圖2所示。

本文使用Simulink搭建整車控制策略模型，Cruise搭建動力學(xué)模型。通過Cruise可以計算整車加速踏板強(qiáng)度AP和制動踏板強(qiáng)度BP。在純電驅(qū)動模式或增程模式下，根據(jù)加速踏板強(qiáng)度和制動踏板強(qiáng)度將整車工作模式分為驅(qū)動模式、制動模式和滑行模式3種[4]。當(dāng)AP大于0時，整車處于驅(qū)動狀態(tài)，BP大于0時整車處于制動狀態(tài)，AP和BP同時大于0時整車處于滑行狀態(tài)。

圖2 純電模式與增程模式切換邏輯

整車需求功率由加速踏板強(qiáng)度計算得出，通過加速踏板強(qiáng)度計算前后驅(qū)動電機(jī)需求功率，而整車需求功率即為前后驅(qū)動電機(jī)需求功率之和。整車需求功率preq計算公式如式(1)所示。其中Tmaxnr為后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速nr對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

(1)

整車制動力矩由需求制動壓強(qiáng)和前后制動器參數(shù)計算得到，整車需求制動力矩計算公式如式(2)所示。其中：Mb為整車需求制動力矩；Abf、Abr為前后摩擦片面積；ηbf、ηbr為前后制動器效率；Pbf、Pbr為前后制動器制動壓強(qiáng)；rbf、rbr為前后制動器有效摩擦半徑；μbf、μbr為前后制動器摩擦系數(shù)；cbf、cbr為前后制動器制動因素。

Mb=2PbfAbfηbfμbfrbfcbf+2PbrAbrηbrμbrrbrcbr

(2)

2.1 純電驅(qū)動模式

純電驅(qū)動模式下整車需求功率由動力電池提供，發(fā)動機(jī)停止工作。純電驅(qū)動模式下整車根據(jù)需求功率的不同整車可處于驅(qū)動模式、制動模式和滑行模式3種。為保證整車平穩(wěn)行駛，本文采用前后軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩相等的控制策略[5]。驅(qū)動模式下前電機(jī)負(fù)載強(qiáng)度為AP，因此后驅(qū)動電機(jī)負(fù)載強(qiáng)度pedelmr可由公式(3)計算得出：

(3)

式中：Tnf為前驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tmaxnr為后驅(qū)動電機(jī)在轉(zhuǎn)速nr下的最大輸出轉(zhuǎn)矩；iof、ior為前后軸主減速器傳動比。

制動時，根據(jù)SOC和V計算并分配驅(qū)動電機(jī)再生制動力矩和前后制動器制動力矩。當(dāng)整車處于滑行模式時，根據(jù)動力電池SOC值決定是否回收滑行能量。純電模式整車驅(qū)動模型如圖3所示。

圖3 純電模式整車驅(qū)動模型

2.2 增程模式

增程模式指當(dāng)動力電池SOC不足或整車需求功率較大時，發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組啟動為整車提供需求功率[6-7]。該模式下前后驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩計算方式和純電驅(qū)動模式相同，而發(fā)動機(jī)根據(jù)整車需求功率的不同而工作在不同的工作點。增程模式整車驅(qū)動模型如圖4所示。

圖4 增程模式整車驅(qū)動模型

本文根據(jù)發(fā)動機(jī)輸出功率的不同選取了3個不同發(fā)動機(jī)輸出功率的工作點。3個工作點均根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖計算得出，分別取發(fā)動機(jī)輸出功率為20、40、60 kW的工作點，3個工作點均處于發(fā)動機(jī)最有燃油經(jīng)濟(jì)性曲線上?？刂撇呗钥墒拱l(fā)動機(jī)根據(jù)整車需求功率的不同在3個工作點之間切換，并沿著最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性曲線運(yùn)轉(zhuǎn)到目標(biāo)工作點上。

為了避免制動模式下發(fā)動機(jī)頻繁啟動，滑行模式下電池SOC小于95%時發(fā)動機(jī)仍工作在上一個工作點為動力電池充電，則發(fā)動機(jī)的負(fù)載強(qiáng)度為

(4)

發(fā)電機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩為

(5)

發(fā)電機(jī)的負(fù)載強(qiáng)度為

(6)

式中：Tfuelmin為不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的最小燃油消耗點對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩；Tmax為Tfuelmin對應(yīng)的轉(zhuǎn)速的最大輸出轉(zhuǎn)矩；ngen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Tmaxgen為發(fā)電機(jī)需求輸出轉(zhuǎn)矩Treqeng對應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。

3 整車模型與整車性能分析

3.1 整車模型

本文使用AVL-Cruise搭建整車模型，實現(xiàn)了對驅(qū)動電機(jī)、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)以及車輪等模塊的建模，而AVL-Cruise相比Matlab/Simulink在實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制策略建模存在劣勢；因此，本文使用Matlab/Simulink搭建了整車控制策略模型。

本文選用一款大型7座SUV作為仿真車輛，其整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 整車基本參數(shù)

驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、主減速器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 動力系統(tǒng)參數(shù)

整車控制策略模型如圖5所示。

圖5 前后驅(qū)動增程式電動汽車整車模型

3.2 整車性能仿真結(jié)果分析

該控制策略下NEDC工況車速跟隨情況如圖6所示，結(jié)果表明該控制策略下可實現(xiàn)良好的車速跟隨效果。

整車從車速0全負(fù)荷加速至100 km/h所用的時間約為7.8 s，表明整車有較好的動力性能。該車的加速性能仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 NEDC工況當(dāng)前車速與期望車速比較

圖7 整車加速性能仿真結(jié)果

仿真車輛的爬坡性能仿真結(jié)果如圖8所示。該車以10 km/h速度能爬上的最大坡度約為42%，表明整車有較好的爬坡性能。

圖8 整車爬坡性能仿真結(jié)果

圖9為NEDC工況下當(dāng)整車處于增程模式時的發(fā)動機(jī)輸出扭矩和SOC變化圖。由圖可知：10 865～10 875 s期間發(fā)動機(jī)處于加速狀態(tài)，整車需求功率持續(xù)增加，發(fā)動機(jī)輸出功率由20 kW左右切換至40 kW附近；在10 900～10 910 s附近車輛處于減速狀態(tài)，整車處于制動或滑行狀態(tài)，發(fā)動機(jī)繼續(xù)工作并維持之前的輸出扭矩。結(jié)果表明該控制策略可實現(xiàn)避免發(fā)動機(jī)頻繁啟動，且發(fā)動機(jī)在不同的整車需求功率下均輸出預(yù)設(shè)的功率。綜上可知仿真結(jié)果符合增程模式控制策略。

圖9 NEDC工況發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

圖10為NEDC工況下發(fā)動機(jī)工作點仿真結(jié)果。設(shè)置動力電池初始荷電狀態(tài)仿真初始參數(shù)為29%，目的是使整車處于增程模式，發(fā)動機(jī)啟動為整車提供需求功率。由圖10可知，當(dāng)整車處于增程模式時，發(fā)動機(jī)的工作點主 要集中在(0 r/min、0 Nm)、(1 900 r/min、90 Nm左右)這兩個工作點。工作點(0 r/min、0 Nm)代表發(fā)動機(jī)未參與工作，此時整車處于靜止?fàn)顟B(tài)；工作點(1900 r/min、90Nm左右)與控制策略預(yù)設(shè)的工作點相同，可知控制策略可實現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性能。

圖10 NEDC工況發(fā)動機(jī)工作點分布圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種前后軸獨立驅(qū)動的增程式電動汽車邏輯門限整車控制策略，并使用Matlab/Simulink和ACL-Cruise軟件聯(lián)合仿真前后軸獨立驅(qū)動增程式電動汽車聯(lián)合仿真模型。仿真結(jié)果表明該控制策略可以良好實現(xiàn)車速跟隨，且在增程模式下發(fā)動機(jī)可以根據(jù)整車需求功率的不同而工作在不同的工作點上，實現(xiàn)了在保證整車動力性的前提下對燃油消耗率的良好控制。