雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)PHEV能量管理策略研究

金士偉，馬超，閆德超，高潔

（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

前言

隨著全球能源短缺，環(huán)境污染問題愈加嚴(yán)重，新能源汽車的普及與推廣便顯得更為重要。插電式混合動(dòng)力汽車作為由傳統(tǒng)燃油車到純電動(dòng)汽車的過渡方案[1]，在電池技術(shù)瓶頸尚未突破之前，相對(duì)純電動(dòng)汽車有著長續(xù)駛里程的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)其與燃油車相比，節(jié)能效果又顯著提高。因此，插電式混合動(dòng)力汽車有著較好的研究意義。為了使插電式混合動(dòng)力汽車充分發(fā)揮其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，其動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型[2-4]與能量管理策略[5-7]的研究便顯得極為重要。本文提出一款以行星齒輪動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的雙電機(jī)PHEV構(gòu)型，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種工作模式，避免了功率冗余現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)性提升顯著。

1 整車構(gòu)型與動(dòng)力學(xué)特性分析

1.1 整車構(gòu)型

本文所提插電式混合動(dòng)力汽車構(gòu)型，如圖1所示。其構(gòu)型主要由電機(jī)1、電機(jī)2、發(fā)動(dòng)機(jī)以及行星齒輪機(jī)構(gòu)組成。其中，電機(jī)1與行星齒輪機(jī)構(gòu)太陽輪相連，電機(jī)2與齒圈相連。以電量消耗優(yōu)先原則，在蓄電池電量充足時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī) 1驅(qū)動(dòng)，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)和雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動(dòng)三種純電動(dòng)模式；在電量不足時(shí)，離合器處于分離狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG電機(jī)（啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)）實(shí)現(xiàn)行車發(fā)電，為車輛的行駛提供所需能量。

圖1 整車構(gòu)型圖

1.2 動(dòng)力學(xué)分析

利用杠桿分析法，系統(tǒng)各工作模式動(dòng)力學(xué)特性分析如下。

純電動(dòng)模式：電機(jī)1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，齒圈鎖止，動(dòng)力由太陽輪輸入，行星架輸出，式（1）-（2）所示；電機(jī)2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，太陽輪鎖止，動(dòng)力由齒圈輸入，行星架輸出，式（3）-（4）所示；雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī) 1，電機(jī) 2同時(shí)工作，電機(jī)1作用于太陽輪，電機(jī)2作用于齒圈，動(dòng)力經(jīng)耦合后，再由行星架輸出，其動(dòng)力學(xué)關(guān)系如式（5）-（6）。

式中：T為扭矩；ω為轉(zhuǎn)速；c為行星架；zr，zs分別為行星齒輪齒圈與太陽輪齒數(shù)；i1為電機(jī)2到齒圈的減速比。

混動(dòng)模式（串聯(lián)模式）：當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)，驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力仍由電機(jī)1與電機(jī)2提供，其動(dòng)力學(xué)關(guān)系如上式（1）-（6），此時(shí) ISG電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng) ISG電機(jī)發(fā)電，給蓄電池補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。與純電動(dòng)模式類似，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式同樣有電機(jī)1與發(fā)動(dòng)機(jī)組合，電機(jī)2與發(fā)動(dòng)機(jī)組合驅(qū)動(dòng)，雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合下的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)三種模式，其中發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下。

式中：isg為 ISG電機(jī)；eng為發(fā)動(dòng)機(jī)；iisg為發(fā)動(dòng)機(jī)到ISG電機(jī)的減速比。

再生制動(dòng)模式：制動(dòng)時(shí)，以上電機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)工作模式，分別工作于發(fā)電狀態(tài)，將減速過程中的能量儲(chǔ)存在蓄電池當(dāng)中；當(dāng)需求制動(dòng)力較高時(shí)，采用機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)相結(jié)合的聯(lián)合制動(dòng)方式。

2 控制策略搭建

2.1 整車參數(shù)選取

本文著重于動(dòng)力學(xué)特性以及控制策略的分析，鑒于參數(shù)匹配方面已有較多詳細(xì)的研究，不再贅述。根據(jù)整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)選取整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)表

2.2 整車控制策略

基于雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型的多種工作模式：純電動(dòng)模式（電機(jī)1，電機(jī)2，以及雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合），串聯(lián)驅(qū)動(dòng)（電機(jī)1，電機(jī)2，以及雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合）以及再生制動(dòng)等工作模式。建立基于規(guī)則的邏輯門限值能量管理策略如下。

圖2 整車控制策略流程圖

如上圖2所示，當(dāng)車輛不處于驅(qū)動(dòng)狀況下，檢測(cè)需求制動(dòng)力Freq_b是否小于電機(jī)制動(dòng)力Fm_b，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力能滿足需求制動(dòng)力時(shí)，采用再生制定模式；否則，采用聯(lián)合制動(dòng)模式。SOCmin為電池電量最低值，當(dāng)?shù)陀?.3時(shí)，此時(shí)該車輛由純電動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇?lián)驅(qū)動(dòng)模式，v1，v2為兩個(gè)速度切換閾值。

3 仿真結(jié)果與分析

在整車參數(shù)與控制策略確定后，基于MATLABSimulinkStateflow平臺(tái)搭建整車模型與控制策略，將選取數(shù)據(jù)輸入模型，運(yùn)行模型。

圖3 車速跟隨與電池SOC狀況圖

設(shè)置電池初始SOC為0.8，此時(shí)電量較高為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，在NEDC工況下，其仿真車速與電池SOC狀態(tài)如圖3，電機(jī)扭矩狀態(tài)如圖4。

在圖3中，車速跟隨狀態(tài)較好，電池SOC總體呈下降趨勢(shì)。工況車速減速時(shí)，電池SOC略有上升，制動(dòng)能量回收有效；車速較高時(shí)，車輛需求功率變大，電量損耗較多，電池SOC下降較快。如圖4所示，電機(jī)扭矩隨車速變化呈交替作用，當(dāng)車速較高時(shí)，雙電機(jī)同時(shí)工作，為車輛提供所需動(dòng)力，間接證明了模型與能量管理策略的正確性。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖

4 結(jié)論

該構(gòu)型避免了傳統(tǒng)單電機(jī)混合動(dòng)力汽車模式單一，效率低下問題。提出雙電機(jī)構(gòu)型，并且采用大小不同兩個(gè)電機(jī)，使該構(gòu)型車輛在面對(duì)不同工況下，盡可能高效運(yùn)行，減少了功率冗余?；?MATLABSimulink建立基于規(guī)則的能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了合理的模式轉(zhuǎn)換，能有效提升整車經(jīng)濟(jì)性，具有較好的研究意義。