基于串聯(lián)式增程汽車多種工況的優(yōu)化控制策略

李 琳，劉大亮，韋健林，林元?jiǎng)t，胡紅星

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 0311200）

眾所周知，純電動(dòng)汽車存在著充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)駛里程短、成本高等缺陷，為了彌補(bǔ)此類缺陷，各類型的混動(dòng)技術(shù)相繼發(fā)展。其中串聯(lián)式混動(dòng)技術(shù)，采用增程式技術(shù)，其由增程器為電池?cái)U(kuò)容解決續(xù)駛里程短的問(wèn)題。

1 增程式電動(dòng)汽車組成

增程式電動(dòng)汽車主要由整車控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、增程器系統(tǒng)等組成，如圖1所示。相比于純電動(dòng)汽車，增加了增程器系統(tǒng)，利用增程器給電池?cái)U(kuò)容的方式解決了電池驅(qū)動(dòng)的續(xù)駛能力問(wèn)題。

圖1 增程式電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)組成

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器 （MCU）組成，但增程式汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量來(lái)源分別是電池和增程器，發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)車輛工況將電能分配到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，多余的能量?jī)?chǔ)存于動(dòng)力電池中。

1.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要是由動(dòng)力電池、電源管理系統(tǒng) （BMS）等組成，動(dòng)力電池是整車驅(qū)動(dòng)的主要能量源，是儲(chǔ)存能量的裝置，具有良好的充放電性能用以保證車輛的動(dòng)力性和能量回收的能力。增程式汽車純電動(dòng)模式的里程較短，動(dòng)力電池容量要求比純電動(dòng)車低，其充放電功率應(yīng)能夠滿足整車驅(qū)動(dòng)及電器負(fù)載的功率要求。

1.3 增程器系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器 （GCU）、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器 （EMS）及增程器控制器 （PFCU）組成了增程器系統(tǒng)，增程器系統(tǒng)是增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，增程器只提供電能，電能用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者為動(dòng)力電池充電，增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，電能直接用于驅(qū)動(dòng)車輛，不經(jīng)過(guò)動(dòng)力電池的充放電過(guò)程，降低了從增程器到動(dòng)力電池的能量傳遞損失。

1.4 整車控制器

整車控制器 （VCU）是增程式電動(dòng)汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統(tǒng)的核心部件。整車控制器采集踏板等信號(hào)及CAN總線上電機(jī)電池發(fā)的數(shù)據(jù)，以獲取整車信息，判斷當(dāng)前整車狀態(tài)及駕駛員意圖，可以實(shí)時(shí)計(jì)算整車需求功率進(jìn)行增程器的啟?？刂萍霸龀唐鞴β庶c(diǎn)的控制。

2 串聯(lián)增程式電動(dòng)汽車原理

串聯(lián)增程式電動(dòng)汽車，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能和動(dòng)力電池輸出的電能，共同輸出到驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，電力驅(qū)動(dòng)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)SOC值低于預(yù)定值，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，來(lái)延長(zhǎng)續(xù)駛里程。另外動(dòng)力電池系統(tǒng)還可以單獨(dú)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，環(huán)保、無(wú)污染。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并沒(méi)有機(jī)械地連接在一起，這種方式可以很大程度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)受到車輛瞬態(tài)響應(yīng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行最優(yōu)的噴油和點(diǎn)火控制，使其在最佳工況點(diǎn)附近工作。

基于增程式電動(dòng)汽車的特殊運(yùn)行模式，正常模式下由增程器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電能，多余的電量為電池充電，因此，增程模式下能量管理控制策略直接影響整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)階段，主要控制策略有：恒功率控制策略、功率跟隨控制策略、定點(diǎn)跟隨控制策略。

2.1 恒功率控制策略

恒功率控制策略又稱增程器功率單點(diǎn)輸出控制策略，選取增程器較為高效的功率點(diǎn)作為唯一的工作點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定的工作點(diǎn)恒功率輸出，該工作點(diǎn)一般為最佳功率點(diǎn)或者最低油耗點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)在于控制易于實(shí)現(xiàn)，增程器工況單一，油耗易于控制；且工作在低油耗或高效區(qū)可以提高經(jīng)濟(jì)性。劣勢(shì)在于增程器輸出功率無(wú)法根據(jù)整車工況調(diào)節(jié)，造成動(dòng)力電池放電電流頻繁變化，使得電池經(jīng)常處于深度充放電循環(huán)狀態(tài)，影響電池壽命。

2.2 功率跟隨控制策略

增程器功率跟隨控制，即增程器在輸出功率范圍內(nèi)可以連續(xù)地改變?cè)龀唐鞴ぷ鞯墓β手?，根?jù)整車工況與動(dòng)力電池狀態(tài)，靈活輸出，避免對(duì)動(dòng)力電池持續(xù)的充、放電過(guò)程，盡量避免能量轉(zhuǎn)換損失。其優(yōu)勢(shì)在于降低了能源間的二級(jí)轉(zhuǎn)化，經(jīng)電池釋放的能量少，相對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率高，且避免持續(xù)大電流的充放電過(guò)程，減緩電池的衰減速度。此控制方式劣勢(shì)在于，需要增程器輸出功率范圍大，且對(duì)增程器響應(yīng)速度有較高要求，增程器工況變化頻繁，將影響部分油耗表現(xiàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)工作多區(qū)間變大，怠速時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)能量利用率較低。

2.3 多定點(diǎn)跟隨控制策略

增程器定功率點(diǎn)跟隨控制，即選取有限的幾個(gè)高效功率點(diǎn)，作為增程器輸出功率點(diǎn)，根據(jù)工況與動(dòng)力電池狀態(tài)，輸出不同的功率。其優(yōu)勢(shì)在于，增程器工況相對(duì)穩(wěn)定，油耗易于控制；輸出功率可根據(jù)整車工況與電池狀態(tài)調(diào)整，可以保證能量轉(zhuǎn)換效率；可有效減少持續(xù)大電流充、放電，減緩電池衰減，有效避免了電池過(guò)放電，提高了動(dòng)力電池的壽命和使用穩(wěn)定性。缺點(diǎn)在于行駛過(guò)程中，難以準(zhǔn)確地識(shí)別駕駛工況，難以預(yù)估較為準(zhǔn)確的整車需求功率。

3 增程式電動(dòng)汽車控制策略

為緩解純電動(dòng)行駛的續(xù)航里程焦慮，并滿足車輛的動(dòng)力需求，整車控制器適時(shí)控制增程器的工作，通過(guò)判斷加速踏板信號(hào)和電池SOC值來(lái)判斷整車工況，從而將增程器開(kāi)啟策略分為因經(jīng)濟(jì)性需求自動(dòng)啟停策略、因動(dòng)力性需求自動(dòng)啟停策略。

3.1 增程器因經(jīng)濟(jì)性需求自動(dòng)啟停策略

因經(jīng)濟(jì)性的需求開(kāi)啟及關(guān)閉增程器的策略：預(yù)設(shè)多個(gè)增程器高效功率點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)電池的計(jì)算荷電狀態(tài)判斷電池是否需要補(bǔ)充電能，并根據(jù)不同的實(shí)際荷電狀態(tài)確定不同的增程器工作點(diǎn)。示意圖見(jiàn)圖2，其中P0＞P1＞P2＞P3＞P4。

圖2 純電與增程模式切換示意圖

由于考慮到電池的老化狀態(tài)，所以在進(jìn)行評(píng)估電池的計(jì)算荷電狀態(tài)時(shí)要考慮電池的健康值狀態(tài)。其計(jì)算公式如下：

SOE=SOC×（SOH-0．8）／（1-0．8）

式中：SOE——計(jì)算荷電狀態(tài)；SOC——電池荷電狀態(tài)；SOH——電池健康值。

根據(jù)計(jì)算荷電狀態(tài)的計(jì)算值，設(shè)定不同閾值具體SOE與目標(biāo)功率的選擇關(guān)系 （表1）得出的功率點(diǎn)。

表1 不同閾值具體SOE與目標(biāo)功率的選擇關(guān)系

其中S0＞S1＞S2＞S3＞S4。

對(duì)于首次上電，增程器開(kāi)啟點(diǎn)：SOE＜S0%；關(guān)閉后開(kāi)啟點(diǎn)：SOE＜S1%。

每個(gè)工作點(diǎn)，進(jìn)入后必須工作60s以上才可切換到另一個(gè)工作點(diǎn)。同時(shí)考慮到電池可承受的能力，將通過(guò)上述獲得的功率點(diǎn)與BMS允許回饋功率和增程器允許最大放電功率的絕對(duì)值比較，取小值。增程器允許最大放電功率即

式中：Pmaxlimit——允許回饋功率限值；IBMS_chg——電池允許回饋電流；UBMS_Batt——電池當(dāng)前電壓值。

3.2 因動(dòng)力性需求開(kāi)啟增程器

因動(dòng)力性的需求開(kāi)啟及關(guān)閉增程器的策略：根據(jù)油門踏板等信息判斷駕駛意圖，判斷整車的需求功率是否有快速增加的趨勢(shì)，并決定是否會(huì)因動(dòng)力性的需求開(kāi)啟增程器。

對(duì)于動(dòng)力性需求開(kāi)啟增程器判斷的規(guī)則如下。

1）整車在正常模式下，當(dāng)油門踏板以5%／500ms（TBD）的速率超過(guò)80% （TBD）的BMS的最大功率限值，或連續(xù)3s穩(wěn)定在超過(guò)BMS的最大功率限值的需求功率點(diǎn)。

2）整車在經(jīng)濟(jì)模式下，當(dāng)油門踏板以8%／500ms（TBD）的速率超過(guò)90% （TBD）的BMS的最大功率限值，或連續(xù)4s穩(wěn)定在超過(guò)BMS的最大功率限值的需求功率點(diǎn)。

3）當(dāng)出現(xiàn)如上工況時(shí)，整車控制器先從轉(zhuǎn)速及油門踏板開(kāi)度等查表得到需求扭矩，再通過(guò)如下公式計(jì)算出因動(dòng)力性增加的功率需求。

式中：T——扭矩，Nm；P——功率，kW；n——轉(zhuǎn)速，r／min。

4）同時(shí)，計(jì)算出的目標(biāo)功率與前一刻的目標(biāo)功率做比較，若增大，則連續(xù)1s（TBD）滿足條件才允許將目標(biāo)功率加大，否則保持不變；若減小，則連續(xù)10s（TBD）滿足條件才允許將目標(biāo)功率減小，否則保持不變。

5）如上兩種需求開(kāi)啟增程器及對(duì)應(yīng)功率點(diǎn)的設(shè)置，整車控制器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池荷電狀態(tài)及踏板開(kāi)度，實(shí)時(shí)對(duì)兩部分需求下增程器功率進(jìn)行相加，即

式中：Pre——增程器計(jì)算需求功率；Peco——因經(jīng)濟(jì)性開(kāi)啟增程器功率點(diǎn)；Pauto——因動(dòng)力性開(kāi)啟增程器功率點(diǎn)。

6）最后，整車控制器選取當(dāng)前計(jì)算得到增程器計(jì)算需求功率與增程器預(yù)設(shè)的高效功率點(diǎn)中最大值即P0kW中較小值作為最終控制增程器工作的功率點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本文針對(duì)串聯(lián)式增程汽車在不同工況下對(duì)增程器啟停及工作點(diǎn)控制策略。整車控制器判斷整車狀態(tài)，區(qū)分整車需求開(kāi)啟增程器是因動(dòng)力性需求還是經(jīng)濟(jì)性需求開(kāi)啟，并且結(jié)合多定點(diǎn)跟隨控制策略，使得在行駛過(guò)程中，更加準(zhǔn)確地識(shí)別駕駛工況和較為準(zhǔn)確的整車需求功率，使得增程器工況相對(duì)穩(wěn)定，油耗易于控制；輸出功率可根據(jù)整車工況與電池狀態(tài)調(diào)整，可以保證能量轉(zhuǎn)換效率；可有效減少持續(xù)大電流充、放電，減緩電池衰減，有效避免了電池過(guò)放電，提高了動(dòng)力電池的壽命和使用穩(wěn)定性。