基于恒功率及功率跟隨控制的增程式電動汽車研究

田麗媛，孫光達，王志豪，柳敬偉

長春工業(yè)大學機電工程學院,吉林長春 130012

0 引言

為盡快達成碳達峰以及碳中和的大背景下，新能源汽車的優(yōu)勢大于傳統(tǒng)內燃機汽車，伴隨著城市交通愈加擁堵，兼顧行駛里程和發(fā)動機工作效率，引入了三元鋰離子作為動力電池的增程式電動汽車(extended-range electric vehicle,E-REV)。目前動力電池是E-REV發(fā)展的瓶頸，其壽命的長短直接影響汽車的使用年限和成本。汽車行駛時，電池頻繁地充放電會使其循環(huán)壽命不斷縮短，導致過早更換電池。基于這個問題，有必要對電池的衰減機制進行研究，使整車模型能夠分別以兩種規(guī)則型控制策略來運行，通過最優(yōu)的控制策略實現(xiàn)對電池壽命的優(yōu)化。目前，國內外眾多學者對增程式電動車的控制策略以及電池壽命衰減因素有一定的研究。美國NREL試驗室通過衰減試驗得出動力電池的壽命與工作溫度、充放電量及倍率有關，并且需要將這些因素代入電池外特性模型，得到循環(huán)壽命和日歷壽命的數據，最后得到擬合函數，試驗成本和時間都較高;Ramasamy等通過試驗研究表明高溫與低溫時的充放電皆會對電池壽命衰減加劇;Vetter等總結了電池正負極的結構變化以及電解液等發(fā)生的副反應對壽命衰退的影響機制;Bloom等提出功率衰減模型;崔瑛志通過正交試驗得出，充放電倍率為影響電池容量衰減的第二大因素,并對電池壽命進行多因素預測但未建立循環(huán)次數的壽命模型;張冬冬提出了Blended策略，實質為“恒功率+功率跟隨”的控制思想，根據需求功率的大小和閾值作為確定控制策略的判斷依據，并與動力電池緊密結合改善其壽命;牛繼高等提出4種規(guī)則型控制策略，進一步通過仿真對比分析得出功率跟隨控制充、放電循環(huán)更優(yōu)，最優(yōu)曲線、功率分流控制策略具有良好的燃油經濟性，并對增程器小型化后進行硬件在環(huán)仿真驗證;李永亮等提出基于典型工況統(tǒng)計分析的匹配設計方法進行參數匹配，采用恒功率和功率跟隨控制策略進行仿真對比分析后，基于粒子群算法，進一步降低了油耗和充電電流。綜上所述，目前增程式電動車在兩種規(guī)則型控制策略下的電池循環(huán)次數對其壽命的影響研究不足，采用最優(yōu)控制策略，減少電池循環(huán)次數，提高增程式電動車在城市工況下的使用壽命。

1 E-REV結構與控制系統(tǒng)模型

增程式電動汽車的構型為串聯(lián)式，將發(fā)動機與發(fā)電機直連組成增程器(APU)，動力系統(tǒng)由增程器、動力電池、控制器(MCU)、驅動電機等組成。增程式電動汽車基本結構如圖1所示。由圖可以看出，電驅動系統(tǒng)由電機與驅動橋構成，且整車中兩者為力矩傳遞;MCU控制整車能量流動的分配;增程器與蓄電池聯(lián)合為驅動電機提供所需功率?；贏VL Cruise建立正向模型，建模中主要包括整車模塊、APU模塊、動力電池模塊、驅動電機模塊以及與MATLAB-Simulink聯(lián)合仿真模塊，通過電氣、機械連接完成能量流動以及扭矩傳遞，形成了一系列的閉環(huán)。

圖1 增程式電動汽車基本結構

駕駛員模型可模擬油門以及制動踏板的深度，根據發(fā)動機目標轉速與實際轉速的差值，采用PID算法轉化為百分比控制信號傳給動力系統(tǒng)進行動力輸出，從而達到對實際車速的控制。某型SUV整車參數和動力性能指標見表1，其動力系統(tǒng)主要參數見表2。

表1 某型SUV整車參數和動力性能指標

表2 動力系統(tǒng)主要參數

2 三元鋰離子電池壽命

2.1 鋰電池壽命影響因素分析

鋰離子電池主要由正、負極材料、隔膜以及電解液4個部分構成。三元鋰離子電池的正極材料為鎳鈷錳(NCM),負極為石墨，兩級中間有隔膜和電解液。三元鋰離子電池充放電過程如圖2所示。

圖2 三元鋰離子電池充放電過程

在充電過程中，鋰離子從正極活性材料中脫出流經電解液穿過隔膜嵌入至負極。與此同時，電子經過外電路流向石墨負極。在放電過程中，鋰離子從石墨晶體脫出，進入電解液，穿越隔膜到正極的表面，同時電子經過外電路流向鎳鈷錳正極。隨著鋰離子電池使用周期增加后會發(fā)生容量衰減，在微觀領域可總結為電極材料的嵌鋰能力下降、正極材料活性物質的溶解、電池阻抗的增加和鋰離子的消耗。在宏觀領域影響電池壽命有多種因素，其中包括充放電倍率、溫度、充放電深度、循環(huán)次數及擱置時間等。明確了電池壽命的衰減機制，不同的影響因素會相互耦合，所以控制影響因素變量十分關鍵?？紤]電池的城市運行工況，選取循環(huán)次數因素對三元鋰電池壽命進行分析。

2.2 三元鋰電池循環(huán)壽命模型

根據NREL研究室的壽命模型研究以及循環(huán)測試來觀察三元鋰電池的容量保持率及容量變化。以電池容量作為壽命特征量的電池壽命衰減基礎模型和內阻作為特征量的電池壽命基礎模型，其計算公式為：

(1)

式中:為動力電池容量衰減百分比;為內阻增長百分比;為電池的使用天數，即平方為日歷壽命;為循環(huán)次數，即為循環(huán)壽命;，，,，為修正函數。

由于電化學特性，在電池頻繁充放電的過程中，循環(huán)特性較好的三元鋰電池在不同區(qū)間的不同放電深度對壽命影響較小，在相同電流倍率以及在相同溫度下進行仿真就消除了這些變量對電池的影響并且不用以容量衰減表征循環(huán)壽命衰減。電池循環(huán)壽命衰減主要由循環(huán)次數增多引起電極結構老化和負極顆粒增多，仿真車輛在未進行外部充電的情況下，行駛5個NEDC工況，計算出充、放電量，取絕對值最大者占額定容量的數值作為此次工況的循環(huán)次數，并設置電池單位循環(huán)壽命為40次。

(2)

式中：為5個NEDC工況下的電池循環(huán)次數，次;為充電量,kWh;為放電量，kWh;為電池額定容量，kWh;“1”為單位循環(huán)次數。

(3)

式中：為總循環(huán)次數;為單位循環(huán)壽命;為電池總循環(huán)壽命，次;為總行駛里程，km。

結合式(2)和式(3)可利用一次工況下的循環(huán)次數得到車輛在不同起始下的總循環(huán)壽命和行駛里程。

3 兩種規(guī)則型控制策略研究及仿真對比

3.1 恒功率及功率跟隨控制策略

采用恒功率控制策略時，增程器的開啟或關閉由動力電池的單獨決定，通過PID算法控制發(fā)動機轉速為3 500 r/min，始終在最大效率點工作。圖3中State=1、2、3、4分別表示當前無發(fā)電請求、以低功率發(fā)電、以中功率發(fā)電、以高功率發(fā)電，對應的輸出扭矩分別為-40、-50、-75 N·m。當電池高于上限值80%時，APU關閉，車輛以純電動模式行駛;當電池低于75%時，APU自動開啟車輛進入混動模式，并開始以低功率為電池進行充電;當電池低于60%或45%時，APU繼續(xù)以中或高功率為電池進行充電。

圖3 恒功率控制策略下的有限狀態(tài)機

圖4為功率跟隨控制策略。圖中為設定的閾值;為整車需求功率;為電池最大放電功率;為電池放電功率;為增程器輸出功率。

圖4 功率跟隨控制策略

功率跟隨控制策略分為CD階段和CS階段，APU的輸出功率由電池和需求功率共同決定。當電池電能充足時，車輛將運行在CD階段，整車需求功率大部分時間由電池組提供，當出現(xiàn)>的情況時,APU會對其進行補償。隨著不斷下降到設置的閾值，車輛即將運行在CS階段，此時APU啟動，為整車需求功率提供能量，電池始終保持在合理范圍內波動。由于APU不斷變化輸出功率，能夠實時為整車提供動力，減少了電池的充放電次數，提高了整車工作效率。

3.2 功率和SOC對比

為了使上述兩種控制策略對電池循環(huán)次數的影響分析更具有代表性，將電池電功率、發(fā)動機功率和仿真結果進行對比。由于車輛啟動后電池通常會處于一般水平，所以電池初始值不宜偏高或偏低，若偏高車輛將長時間以純電動模式運行，偏低會使電池較快進入虧電狀態(tài)，仿真結果均不顯著。因此將電池起始設定兩個合理值分別為76和46，即車輛開始行駛就進入混動模式。

圖5和圖6分別為采用恒功率和功率跟隨控制策略時，5個NEDC工況下，電池電功率隨時間的變化曲線。由圖5可看出電池的放電功率被控制在-30 kW以內，充電功率大部分被控制在20 kW以內，波動幅度為50 kW。由圖6可看出電池充放電功率被控制在-10～15 kW的范圍內規(guī)律波動，波動幅度為25 kW，滿足了性能要求和控制思想，有效地減弱了電池的充放電強度，有利于減小電池壽命的衰退。

圖5 恒功率控制下的電池電功率隨時間的變化曲線

圖6 功率跟隨控制下的電池電功率隨時間的變化曲線

圖7和圖8分別為采用恒功率和功率跟隨控制策略時，5個NEDC工況下，車速以及電池起始為76%時隨時間變化的仿真結果。由圖可看出，兩者的速度控制效果良好，車速都能達到120 km/h。通過兩者的對比可看出恒功率具有明顯的充、放電循環(huán)過程，在為75%～80%進行了兩次充放電，每次均為5%;而功率跟隨控制策略始終將控制在72%～76%范圍內，僅4%。

圖7 恒功率控制下的車速和SOC隨時間變化的仿真結果

圖8 功率跟隨控制下的車速和SOC隨時間變化的仿真結果

圖9和圖10分別為電池起始為46%時隨時間變化的仿真結果。由圖9可看出當采用恒功率控制策略運行時，增程器開啟，0～3 990 s發(fā)動機功率維持在18.33 kW，2 900～4 770 s維持在14.66 kW，并且從46%升至80%，總充電34%。4 770～6 000 s，增程器關閉，進入純電動模式，發(fā)動機功率為0 kW，從80%降至76.5%，總放電3.5%。由圖10可看出當采用功率跟隨控制策略時，發(fā)動機功率上下波動幅度較大，最大超過了30 kW，發(fā)動機大部分工作點分布在燃油效率較低的區(qū)域，但僅下降3.5%。

圖9 恒功率控制下的發(fā)動機功率和SOC隨時間變化的仿真結果

圖10 功率跟隨控制下的發(fā)動機功率和SOC隨時間變化的仿真結果

圖11為功率損失仿真對比。由圖可看出，功率跟隨控制策略下的電池功率損失更少，通過計算得出功率損失分別為13.41、1.86 kW，說明恒功率控制下的大量電能以其他形式消耗掉，降低了電路效率。

圖11 功率損失仿真對比

3.3 不同起始SOC下電池循環(huán)次數對比

經過一系列的數據對比，功率跟隨控制策略優(yōu)勢顯著，在車輛運行時，增程器提供的輸出功率能實時跟隨車輛的需求功率，對電池的循環(huán)次數有明顯的減少。表3列出了兩種控制策略以及5個NEDC的工況下，通過電池循環(huán)壽命模型，對電池充、放電量及循環(huán)次數進行定量分析的仿真對比結果。

表3 仿真對比結果

表4為總循環(huán)壽命與行駛里程對比。由表可以看出：車輛行駛個NEDC工況，增程式電動汽車在恒功率控制策略下，電池在起始為46%時增程器給電池大量地充電導致電池總循環(huán)壽命僅為104次，行駛里程6 100 km，說明車輛在低電量行駛時使用這種控制策略會明顯削減電池壽命。當電池起始為76%時，總循環(huán)次數和行駛里程分別為256次，15 100 km，優(yōu)于起始為46%。但在功率跟隨控制策略下，跟隨效果較好，充、放電量較小使得電池的總循環(huán)壽命維持在586次，以及行駛里程保持在較長的34 600 km，不同的起始SOC基本不會影響電池的總循環(huán)壽命以及車輛行駛里程。

表4 總循環(huán)壽命與行駛里程對比

4 結論

(1)采用恒功率控制策略，車輛以不同的電池起始運行等公里數，低電量時增程器會更多給電池進行充放電，使電池循環(huán)次數增加;中高電量時，會相對延長電池的循環(huán)壽命。

(2)采用功率跟隨控制策略，跟隨效果良好，電池電功率和的波動范圍較小，增程器的輸出功率減少了二次轉換，防止了大量的功率損失，提升了電路的效率，不同起始下充放電量保持穩(wěn)定，對電池電極內部的脫落起到了良好的保護，延長了電池的循環(huán)壽命。

(3)在NEDC工況下，由于車輛頻繁啟停，功率跟隨控制策略更適用于車輛，在電池起始為76時，總循環(huán)壽命相比恒功率增加約23倍，且適當提高電池起始，車輛的續(xù)航能力也會相對加強。