增程式混合動力汽車能量管理策略設(shè)計與優(yōu)化研究

馮仁華，孫旺兵，趙智超，王韶陽，陳昆陽，郭 棟

(1.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院， 重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054;3.中國汽車工程研究院有限公司， 重慶 401122)

0 引言

隨著汽車保有量的迅速攀升，車輛對能源的需求量急劇增加，傳統(tǒng)燃油車在行駛過程中會釋放大量有害氣體，造成了環(huán)境污染。據(jù)估計，汽車產(chǎn)生的污染物占全球大氣污染的42%[1]。為了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，新能源汽車在研發(fā)和制造多方面得到了政府和企業(yè)的大力支持[2-3]，并取得了一定的成果。由于目前動力電池技術(shù)發(fā)展不夠成熟，以及車輛充電設(shè)施建設(shè)不夠完善，純電動汽車相比于傳統(tǒng)的燃油車，存在著行駛里程短、生產(chǎn)成本高、充電不便利等問題，無法從根本上滿足人們的日常需求[4]。在這種情況下，增程式混合動力汽車應(yīng)運而生。它擁有發(fā)動機和動力電池2個動力裝置且能夠相互配合工作，能夠很好地解決純電動汽車動力不足、“里程焦慮、空調(diào)焦慮”等問題[5]。因此，增程式混合動力汽車逐漸成為企業(yè)及高校學(xué)者的研究熱點。

增程式混合動力汽車設(shè)計研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是制定合理有效的控制策略。不同的控制策略會影響增程式混合動力汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性[6]。為了充分展現(xiàn)增程式混合動力汽車低能耗、低排放等優(yōu)勢，需要對整車控制策略進(jìn)行詳細(xì)研究與分析。國內(nèi)外對增程式混合動力汽車的控制策略研究主要有基于規(guī)則型控制策略、全局最優(yōu)控制策略和智能控制策略[7]。使用全局最優(yōu)控制策略需要進(jìn)行大量的運算，在控制系統(tǒng)中，對整車硬件的配置要求比較高，導(dǎo)致成本增加，不利于應(yīng)用到實際工程中[8]。近年來，智能型控制策略(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)被廣泛應(yīng)用，但該策略的控制比較復(fù)雜，而且需要富足的先驗知識，因此，在實車上應(yīng)用存在很大的難度[9]。當(dāng)前市面上所生產(chǎn)的增程式車型中應(yīng)用較為廣泛的是基于規(guī)則型的整車能量控制策略，該策略通?？梢苑譃楹銣仄餍涂刂撇呗訹10]、功率跟隨控制策略[11]和定點控制策略等[12]。應(yīng)用恒溫器型控制策略時，發(fā)動機的啟停由動力電池荷電狀態(tài)(SOC)的閾值所決定。該控制策略下，動力電池會不停地充放電，導(dǎo)致動力電池形成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，壽命大打折扣[13]。國內(nèi)外關(guān)于增程式混合動力汽車整車控制策略的制定與研究，使用較多的是功率跟隨和定點控制這2種策略。劉漢武等[13]針對增程式電動汽車多點控制策略優(yōu)化問題，提出了一種基于多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的增程器能量管理控制策略，分析了不同控制策略對輔助動力裝置(APU)輸出功率、電池電流及SOC的影響。鄧智輝等[14]提出了雙電量消耗模式-電量保持模式(CD-CS)多工作點控制策略，在不同行駛工況下分別對雙CD-CS多工作點控制策略、恒溫器控制策略、混合多工作點控制策略進(jìn)行仿真驗證。然而，功率跟隨和定點控制這2種控制策略在同一臺車上，對其整車性能、油耗和主要部件影響特性進(jìn)行較為全面的研究較少。據(jù)此，基于數(shù)據(jù)庫和部分零部件試驗結(jié)果，建立了某增程式混合動力汽車仿真分析模型，并設(shè)計了功率跟隨和定點控制2種能量管理控制策略，對功率跟隨中的充電功率系數(shù)、定點控制中的發(fā)動機輸出功率值進(jìn)行了優(yōu)化，然后對比分析了該增程式混合動力汽車2種策略下在世界輕型汽車測試循環(huán)(WLTC)工況下燃油經(jīng)濟性的特性，并研究了2種控制策略下發(fā)動機工況及效能、電池SOC、電池輸出功率、發(fā)電機工作點及效能等特性，為該增程式混合動力汽車的后續(xù)研究和進(jìn)一步優(yōu)化提供了一定的參考。

1 仿真模型建立

1.1 整車基本參數(shù)

本研究中的增程式混合動力汽車由一臺直列四缸、1.5 L自然吸氣發(fā)動機，峰值功率為150 kW的驅(qū)動電機和容量為50 Ah的動力電池組成，整車性能指標(biāo)及相關(guān)部件的基本參數(shù)如表1所示。

表1 增程式混合動力汽車整車性能指標(biāo)及相關(guān)部件的基本參數(shù)

1.2 整車仿真模型建立

為研究該增程式混合動力汽車控制策略的可行性和零部件參數(shù)選擇的合理性，本研究基于GT-SUITE軟件建立了該增程式混合動力汽車整車仿真模型，如圖1所示。仿真模型主要包括：駕駛員模型、整車動力學(xué)模型、再生制動系統(tǒng)模型、整車及動力系統(tǒng)控制策略模型、增程器模型、動力電池模型及電驅(qū)系統(tǒng)模型等。

圖1 增程式混合動力汽車整車仿真模型

1.3 主要參數(shù)輸入

仿真模型中，需輸入各部件或系統(tǒng)準(zhǔn)確的尺寸、性能等數(shù)據(jù)，以保證模型的準(zhǔn)確性[15]。圖2為驅(qū)動電機效率MAP、圖3為發(fā)電機效率MAP、圖4為發(fā)動機萬有特性曲線。此外，汽車行駛工況的選擇能直接反映出車輛的整體性能。與NEDC行駛工況相比，WLTC工況更接近真實道路的行駛條件，無論是傳統(tǒng)的燃油車還是電動車，都更接近于真實道路上行駛時的燃油消耗和續(xù)航里程[16]。因此，本次仿真采用WLTC作為循環(huán)工況的輸入，如圖5所示。

圖2 驅(qū)動電機效率MAP

圖3 發(fā)電機效率MAP

1.4 純電模式下整車性能仿真

為了驗證驅(qū)動電機、動力電池等主要動力部件的參數(shù)是否滿足整車性能要求，以及搭建的模型是否可靠?？梢酝ㄟ^純電模式下整車的動力性能指標(biāo)進(jìn)行驗證。

圖6為純電模式下整車加速性能仿真結(jié)果。由圖6可知，在純電模式下，車輛百公里加速時間為8.3 s，車輛可達(dá)到的最高車速為205 km/h。仿真結(jié)果符合車輛最高車速大于185 km/h、百公里加速時間小于9 s的動力性設(shè)計指標(biāo)，說明電驅(qū)系統(tǒng)，動力電池、整備質(zhì)量、滾阻系數(shù)等設(shè)計參數(shù)選擇合理，所搭建的模型具有較高的研究價值。

圖6 純電模式下整車加速性能仿真曲線

圖7為純電模式下電池SOC與行駛里程曲線。由圖7可知，在純電模式下，電池SOC值從95%下降到5%時，車輛在WLTC工況下行駛的里程數(shù)為96.05 km，滿足其相應(yīng)行駛里程數(shù)大于90 km的設(shè)計要求，相關(guān)部件的參數(shù)選擇合理。

2 增程模式下整車控制策略制定

本研究從改善整車燃油經(jīng)濟性的角度出發(fā)，在增程模式下，制定了發(fā)動機定點控制策略和功率跟隨控制策略，并利用仿真模型對比研究了2種控制策略下的整車油耗、發(fā)動機工況、電池SOC和功率等特性。

2.1 模式劃分策略

在整車控制策略中，根據(jù)加速踏板開度及當(dāng)前電池SOC值，并結(jié)合發(fā)動機單次啟動時間t0及發(fā)動機水溫T判斷模式切換。當(dāng)動力電池SOC小于所設(shè)定閾值下限時，整車以增程驅(qū)動模式運行；當(dāng)動力電池SOC介于所設(shè)定閾值上下限之間時，整車根據(jù)上一時刻的狀態(tài)進(jìn)行模式切換；當(dāng)動力電池SOC高于所設(shè)定閾值上限時，整車根據(jù)上一時刻狀態(tài)、發(fā)動機單次啟動時間及發(fā)動機水溫進(jìn)行模式切換?？刂七壿嬋鐖D8所示。

圖8 模式劃分策略控制邏輯框圖

SOCH和SOCL分別為電池SOC閾值上、下限。

2.2 功率跟隨控制策略

功率跟隨控制策略中，發(fā)動機根據(jù)動力電池的SOC值和驅(qū)動電機需求功率調(diào)整發(fā)動機工作點，從而輸出整車所需用的功率[17]。當(dāng)電池SOC值大于所設(shè)定閾值的上限，并且驅(qū)動電機需求功率小于所設(shè)定的功率最小值時，發(fā)動機關(guān)閉；其余工作條件下，發(fā)動機開啟，車輛進(jìn)入增程驅(qū)動模式，發(fā)動機根據(jù)驅(qū)動電機發(fā)出的功率需求信號輸出所對應(yīng)的功率。這種控制策略可以優(yōu)化動力電池的工作區(qū)間，但是由于發(fā)動機頻繁地切換轉(zhuǎn)速，會對車輛的NVH等性能產(chǎn)生不良影響，在設(shè)計中要考慮車輛的舒適性[18]。

在增程驅(qū)動模式下使用功率跟隨控制策略時，為了保證動力電池SOC處于平衡狀態(tài)，則要根據(jù)SOC附加某一功率值，該附加功率為：

(1)

式中：Kcha為充電功率系數(shù)。

根據(jù)動力母線上的整車需求功率PT、發(fā)電機效率ηgen以及附加功率Padd計算得到發(fā)動機需求功率為：

(2)

由式(2)可知，增程式混合動力汽車采用功率跟隨控制策略時，發(fā)動機功率將在一個較大的范圍內(nèi)變化，為了提高發(fā)動機工作效率，發(fā)動機工作點須沿著最優(yōu)工作曲線移動[19]。

2.3 定點控制策略

在定點控制策略下，將整車需求功率劃分在幾個不同的區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)定了相對應(yīng)的發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速及輸出功率。當(dāng)有功率需求時，根據(jù)驅(qū)動電機需求功率所在的范圍，發(fā)動機輸出恒定的功率提供給整車。當(dāng)發(fā)動機輸出功率大于驅(qū)動電機需求功率時，多余的能量儲存到動力電池中，從而為動力電池補充電量。這種策略控制方法比較簡單且易于實現(xiàn)，發(fā)動機能夠工作在高效率區(qū)，且功率變化小，發(fā)動機效率比較高，電池SOC可以保持在平衡位置。因而，可以有效地延長動力電池的壽命、降低汽車的燃油消耗量[20]。

采用定點控制策略，則需要在發(fā)動機工作點需求基礎(chǔ)上，對發(fā)動機工作點再次調(diào)節(jié)，進(jìn)而轉(zhuǎn)移至發(fā)動機所選定工作點。對于定點控制策略，發(fā)動機工作點的選擇會直接影響其輸出功率，工作點越多，多余的功率輸出會越少。但是過于繁多的工作點會使控制變得比較復(fù)雜，并且發(fā)動機工作點頻繁地切換會對車輛燃油經(jīng)濟性產(chǎn)生不良后果[21]。在一般情況下，汽車爬陡坡或急加速的時間比較短。因此，動力電池可以短時間提供汽車因爬陡坡或急加速所需要的高功率。綜合考慮，在本文研究中選取5個工作點對發(fā)動機進(jìn)行控制。

當(dāng)驅(qū)動電機需求功率Preq

圖9 定點控制策略控制邏輯框圖

3 控制策略參數(shù)優(yōu)化

本文所制定的2種控制策略的區(qū)別是：功率跟隨控制策略發(fā)動機根據(jù)驅(qū)動電機的需求功率實時的輸出所對應(yīng)的功率；定點控制策略是發(fā)動機根據(jù)驅(qū)動電機的需求功率，判斷該功率所在的區(qū)間，從而輸出恒定的功率。制定2種策略的目的是分析在WLTC工況時，電量保持模式(charge-sustaining，CS)下不同控制策略的策略響應(yīng)，以及不同的控制策略對整車燃油經(jīng)濟性及主要零部件的影響特性。

考慮到要為電量消耗模式(charge-depleting，CD)下SOC的閾值下限做預(yù)留處理，保證續(xù)航；另外為了避免因過度放電對電池造成損傷，將動力電池SOC初始值設(shè)置為19%，當(dāng)動力電池SOC低于SOC閾值下限或者需求功率大于電池額定放電功率時，系統(tǒng)進(jìn)入電量保持模式(charge-sustaining，CS)。

增程式混合動力汽車的優(yōu)勢在于能有效減少燃油消耗量，從而可以提高燃油經(jīng)濟性。所以整車的燃油經(jīng)濟性是評價該車是否具有良好性能的重要指標(biāo)之一[22]。

在WLTC工況下，車輛燃油消耗的體積和百公里燃油消耗量用以下公式計算：

Vfuel=m/ρ

(3)

式中：Vfuel為燃油體積(L)；m為燃油消耗量(kg)；ρ為燃油密度(kg/L)。

(4)

式中：V為百公里燃油消耗量(L)；S為行駛距離(km)。

本研究中對控制策略參數(shù)的優(yōu)化的策略是在保證電池終止SOC接近平衡值的情況下，降低整車燃油經(jīng)濟性。

3.1 功率跟隨策略充電功率系數(shù)優(yōu)化

發(fā)動機采用功率跟隨策略時，式(1)中的充電功率系數(shù)對整車油耗和電池SOC有一定的影響。因此，為了降低整車的油耗以及電池終止SOC能夠達(dá)到平衡值，則需要對充電功率系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。圖10為充電功率系數(shù)對整車油耗和電池SOC的影響特性曲線。由圖10可知，電池終止SOC和油耗均隨著充電功率系數(shù)的增加而增加，在充電功率系數(shù)為0.085時，電池終止SOC達(dá)到平衡值19%，此時整車百公里油耗較低，具體為5.01 L。

圖10 充電功率系數(shù)對整車油耗和電池SOC的影響特性曲線

3.2 定點控制策略發(fā)動機輸出功率優(yōu)化

定點控制(5點)策略下，發(fā)動機輸出功率的選擇也會影響動力電池SOC和整車燃油經(jīng)濟性，在本次研究中，分別研究了5組不同的發(fā)動機輸出功率對動力電池SOC和整車油耗的影響，如表2所示。

表2 發(fā)動機輸出功率對電池SOC和整車油耗仿真結(jié)果

由表2可知，采用第5組發(fā)動機輸出功率(Ppoints1～Ppoints5為8-18-25-35-45 kW)時的整車油耗最低、電池終止SOC最接近平衡值19%。

經(jīng)過上述參數(shù)優(yōu)化后的2種策略下整車燃油消耗量隨時間變化特性如圖11所示。由圖11可知，2種控制策略在WLTC工況下的燃油消耗量變化趨勢基本相同。定點控制(5點)和功率跟隨控制策略下燃油消耗量分別為776.9 g和780.1 g，通過式(3)和式(4)，計算出定點控制(5點)和功率跟隨策略WLTC工況下百公里燃油消耗量分別為4.97 L和5.01 L。

圖11 整車燃油消耗量隨時間變化特性曲線

4 控制策略對主要部件影響特性分析

4.1 發(fā)動機工作點對比分析

發(fā)動機作為增程式混合動力汽車的輔助動力單元，其工作特性直接影響整車性能。定點控制和功率跟隨2種控制策略下的發(fā)動機輸出功率變化、工作點分布分別如圖12和圖13所示。由圖12可知，在2種控制策略下，發(fā)動機輸出功率相差不大，在一個完整的WLTC工況下，定點控制(5點)策略發(fā)動機平均輸出功率為7.25 kW，功率跟隨控制策略發(fā)動機平均輸出功率為7.35 kW。由圖13可知，發(fā)動機OL線即為發(fā)動機最優(yōu)工作曲線。功率跟隨策略發(fā)動機工作點沿著發(fā)動機最優(yōu)工作曲線移動，但是并非所有的點都會沿著發(fā)動機最優(yōu)工作曲線移動，有部分工作點變化范圍較大，可能會導(dǎo)致發(fā)動機效率降低。定點控制策略中，發(fā)動機工作點則不完全需要在最優(yōu)工作曲線上移動，采用定點控制策略，則在發(fā)動機工作點需求基礎(chǔ)上，根據(jù)需求工作點的聚集程度進(jìn)行選取，進(jìn)而調(diào)整至發(fā)動機最優(yōu)工作曲線，最后所選取的5個點均位于發(fā)動機最優(yōu)工作線上，該策略能夠保證發(fā)動機工作在高效率區(qū)，從而降低油耗，提高整車燃油經(jīng)濟性。定點控制(取點前)、定點控制(5點選取)和功率跟隨策略下的發(fā)動機熱效率分別為39.19%、39.42%和39.10%。

圖12 發(fā)動機輸出功率變化

圖13 發(fā)動機的工作點分布

4.2 發(fā)電機工作點對比分析

發(fā)電機工作點分布如圖14所示。由圖14可知，定點控制和功率跟隨策略下發(fā)電機工作點的分布整體上差別不大，功率跟隨策略下的發(fā)電機工作點相對集中?？傮w上，定點控制(取點前)、定點控制(5點選取)和功率跟隨策略下的發(fā)電機效率分別為91.71%、91.82%和91.70%。

圖14 發(fā)電機工作點分布示意圖

4.3 電池SOC和功率對比分析

電池SOC和功率變化曲線分別如圖15、圖16所示。由圖15和圖16可知，在低速區(qū)，車輛主要是以電池作為動力源為其提供動力，發(fā)動機參與度較少，2種策略的電池SOC變化趨勢一致。

圖15 電池SOC變化曲線

圖16 電池功率變化曲線

從289 s開始，定點控制(5點)策略電池SOC高于功率跟隨策略，主要原因是定點控制(5點)策略下的電池充電功率高于功率跟隨控制策略，說明定點控制(5點)策略在滿足車輛行駛所需的能量外，有多余的能量儲存到動力電池中，從而導(dǎo)致電池SOC升高；在中速以及高速區(qū)，定點控制(5點)策略的電池SOC值高于功率跟隨策略，主要是因為定點控制(5點)策略在能滿足驅(qū)動電機需求功率的前提下，有多余的電能儲存到動力電池中，導(dǎo)致SOC升高；在超高速區(qū)，從1 560 s時刻開始，定點控制(5點)策略電池SOC低于功率跟隨控制策略，原因可能是車輛處于急加速或者爬坡工況，驅(qū)動電機需求功率大于發(fā)動機輸出功率，此時發(fā)動機和動力電池協(xié)同工作，導(dǎo)致動力電池放電功率增大(見圖16)，從而使電池SOC降低。在WLTC工況終止時，定點控制(5點)和功率跟隨策略下電池SOC值分別為18.99%和19%。

5 結(jié)論

本文以某增程式混合動力汽車為研究對象，基于數(shù)據(jù)庫和部分零部件試驗結(jié)果，利用GT-SUITE軟件建立了增程式混合動力汽車仿真模型。從改善整車燃油經(jīng)濟性的角度出發(fā)，制定了發(fā)動機定點控制(5點)策略和功率跟隨的能量管理控制策略，對功率跟隨中的充電功率系數(shù)、定點控制中的發(fā)動機輸出功率值進(jìn)行了優(yōu)化，然后對比分析了這2種策略下增程式混合動力汽車在WLTC工況下燃油經(jīng)濟性的特性，并分析研究了2種控制策略下發(fā)動機工況及效能、電池SOC、電池輸出功率、發(fā)電機工作點及效能等特性，主要結(jié)論如下：

1) 通過優(yōu)化，功率跟隨策略中的充電功率系數(shù)為0.085時，電池終止SOC達(dá)到平衡值19%，整車百公里油耗為5.01 L。定點控制(5點)策略中采用發(fā)動機輸出功率(Ppoint1～Ppoint5為8-18-25-35-45 kW)時的電池終止SOC為18.99%，整車百公里油耗為4.97 L。定點控制(5點)策略下整車百公里油耗滿足低于5.0 L的設(shè)計指標(biāo)要求。

2) 采用定點控制(5點)策略使發(fā)動機能在最優(yōu)工作線上工作，從而保證發(fā)動機工作在高效率區(qū)，提高了整車燃油經(jīng)濟性。定點控制(5點)和功率跟隨策略下，發(fā)動機熱效率分別為39.42%和39.1%。

3) 定點控制(5點)和功率跟隨策略下發(fā)電機效率分別為91.82%和91.7%。