插電式混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)工況控制及仿真

何 璐，尹愛勇

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

0 引言

插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)，是指可以使用輸電網(wǎng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電的混合動(dòng)力汽車。PHEV純電動(dòng)行駛距離長，動(dòng)力電池容量大，動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高。

插電式混合動(dòng)力汽車的電池組工作模式包括電量耗盡模式(Charge Depleting，CD)和電量維持模式(Charge Sustaining，CS)，常用的控制策略可以分為基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略、基于模糊控制的智能型控制策略和基于優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)控制策略三大類[1]。合肥工業(yè)大學(xué)錢立軍等[2]提出一種模糊邏輯控制策略，考慮了電池充放電平衡和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用ADVISOR2002仿真軟件建立控制策略模型并進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，模糊邏輯控制有較好的魯棒性，能合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并保持電池SOC的變化在誤差范圍內(nèi)。吉林大學(xué)張博等[3]應(yīng)用PSAT前向仿真軟件，基于雙離合器式并聯(lián)PHEV仿真模型，對(duì)不同全電力續(xù)駛里程和動(dòng)力電池類型的PHEV動(dòng)力總成進(jìn)行優(yōu)化。其結(jié)果表明，動(dòng)力電池容量的設(shè)計(jì)對(duì)整車成本影響最大。

本文以插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車為研究對(duì)象，基于各部件效率特性和汽車行駛工況特征，制定出關(guān)于插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車的驅(qū)動(dòng)工況控制策略，并建立仿真模型進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 PHEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)

插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)簡圖

插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車整車主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車主要參數(shù)

1.2 整車動(dòng)力學(xué)模型

當(dāng)只考慮車輛縱向運(yùn)動(dòng)的前提下，由汽車的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力之間的平衡關(guān)系可以建立汽車的行駛方程式如公式(1)

(1)

式中：Ft為牽引力，N；m為汽車質(zhì)量，kg；g為重力加速度因子，m·s-2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為路面坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ua為汽車行駛速度，km·h-1；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗模型

發(fā)動(dòng)機(jī)油耗模型通過臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗三維模型圖

1.4 電機(jī)效率模型

電機(jī)效率模型通過臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立，可得到電機(jī)效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 電機(jī)效率三維圖

1.5 電池充放電模型

電池與電機(jī)之間的工作原理如圖4所示。

圖4 電池與電機(jī)共同工作原理

此處采用內(nèi)阻模型，將電池看作一個(gè)理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻串聯(lián)的等效電路。其中，E(SOC)是電池開路電壓，Uess是電池端電壓，R(SOC)是電池等效內(nèi)阻，I是電池放電/充電電流。

2 控制策略設(shè)計(jì)

針對(duì)插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車的行駛特點(diǎn)，采用基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略[4]。基于規(guī)則的邏輯門限值控制策略其基本出發(fā)點(diǎn)是盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在效率較高的區(qū)域內(nèi)，并使電池SOC盡量維持在對(duì)電池效率和壽命有利的范圍內(nèi)。

根據(jù)電池的內(nèi)阻特性，電池組SOC工作范圍限定在0.35～0.95之間。即SOCin為電池SOC的初始值，取0.95；SOChi為電池處于電量維持模式的SOC上限值，取0.45；SOClo為電池處于電量維持模式的SOC下限值，取0.35。根據(jù)電池的兩種不同工作模式，電量消耗模式和電量維持模式制定控制策略。

2.1 電量消耗模式

此時(shí)電池SOC在0.45～0.95之間，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域如圖5所示Tr為需求轉(zhuǎn)矩；Tmax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；考慮到混合動(dòng)力運(yùn)輸車在純電動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式之間不停切換會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)起停，增加燃油消耗，因而，設(shè)置Tmin和Tmin_1兩條最小轉(zhuǎn)矩界限線，形成一個(gè)緩沖帶，可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)起停，輸出轉(zhuǎn)矩不停波動(dòng)的現(xiàn)象。Tmin為混合動(dòng)力運(yùn)輸車從純電動(dòng)工作模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩；Tmin_1為混合動(dòng)力運(yùn)輸車從發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式切換到純電動(dòng)工作模式時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩。

圖5 電量消耗模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域

1)當(dāng)n

Te=0，Tm=Tr；

2)當(dāng)n≥n_min時(shí)，如Tr

Te=0，Tm=Tr；

3)當(dāng)n≥n_min時(shí)，如Tmin≤Tr

Te=Tr，Tm=0；

4)當(dāng)n≥n_min時(shí)，如Tr逐漸減小至Tmin_1，由電動(dòng)機(jī)提供全部的驅(qū)動(dòng)力矩，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式切換為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為0，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等于汽車需求轉(zhuǎn)矩

Te=0，Tm=Tr；

5)當(dāng)n≥n_min時(shí)，如Tr≥Tmax，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合提供全部的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由下式計(jì)算

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax

2.2 電量維持模式

此時(shí)電池SOC在0.35～0.45之間。發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域如圖6所示。

圖6 電量維持模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域

Tcut為發(fā)電機(jī)向電池充電的充電轉(zhuǎn)矩。

1)當(dāng)電池SOC滿足以下關(guān)系SOClo≤SOC≤SOChi，如n

Te=0，Tm=Tr；

2)當(dāng)電池SOC滿足以下關(guān)系SOClo≤SOC≤SOChi，如n≥n_min，分為以下幾種情形：

①當(dāng)Tr

Te=0，Tm=Tr；

②當(dāng)Tmin≤Tr

Te=Tcut，Tm=Tr-Tcut；

③當(dāng)Tr逐漸減小至Tr

Te=0，Tm=Tr；

④當(dāng)Tcut≤Tr

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax；

⑤當(dāng)Tr≥Tmax時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合提供全部的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由下式計(jì)算

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax

3)當(dāng)電池SOC

①當(dāng)Tr

Te=Tmin，Tm=Tr-Tmin；

②當(dāng)Tr滿足以下關(guān)系Tmin≤Tr

Te=Tcut，Tm=Tr-Tcut；

③當(dāng)Tcut≤Tr

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax；

④當(dāng)Tr≥Tmax時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供全部的驅(qū)動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，即從發(fā)動(dòng)機(jī)向電池充電模式切換為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等于運(yùn)輸車需求轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為0

Te=Tr，Tm=0；

2.3 控制策略邏輯框圖

根據(jù)上述制定的插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車控制策略，表達(dá)成邏輯圖如圖7所示。

圖7 插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車控制策略邏輯框圖

3 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真

3.1 仿真模型

采用后向仿真方法來建立插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車仿真模型并進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算。根據(jù)插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件數(shù)學(xué)模型和整車動(dòng)力學(xué)模型，利用Simulink和Stateflow軟件平臺(tái)，建立插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)工況燃油經(jīng)濟(jì)性仿真模型如圖8所示，仿真模型包括輸入模塊、整車模塊、控制策略模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、電機(jī)和電池模塊等組成。圖9為控制策略采用Stateflow軟件進(jìn)行仿真的局部放大圖。

圖8 插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)工況燃油經(jīng)濟(jì)性仿真圖

圖9 插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車控制策略Stateflow仿真局部放大圖

3.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車，仿真計(jì)算工況選擇中國典型城市循環(huán)工況，分別計(jì)算2個(gè)循環(huán)工況和30個(gè)循環(huán)工況。

圖10是2個(gè)中國典型城市循環(huán)工況下的仿真結(jié)果圖。

圖10 2個(gè)循環(huán)工況仿真結(jié)果圖

從圖中可以看出，在循環(huán)工況車速較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才參與工作，其他時(shí)間都關(guān)閉，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)輸出轉(zhuǎn)矩為零，只在高效率區(qū)域內(nèi)運(yùn)行；當(dāng)汽車起步、怠速或小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)參與工作，而當(dāng)運(yùn)輸車車速以較高車速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，不輸出轉(zhuǎn)矩；當(dāng)整車減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)發(fā)電，給動(dòng)力電池充電，回收制動(dòng)能量。

圖11是30個(gè)中國典型城市循環(huán)工況下的仿真結(jié)果圖。

圖11 30個(gè)循環(huán)工況仿真結(jié)果圖

原型基礎(chǔ)車油耗為38 L·(100 km)-1，仿真結(jié)果在2個(gè)和30個(gè)中國典型城市循環(huán)工況下的百公里油耗如表2所示。

表2 百公里油耗

從表2可看出，節(jié)油效果比較明顯，表明所制定的插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)工況控制策略是有效的。

從圖10(a)中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為中、高速附近，說明制定的控制策略主要使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)域，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率和燃油經(jīng)濟(jì)性；從圖10(b)中可看出，電機(jī)的正負(fù)轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)相對(duì)比較平均，而且工作點(diǎn)基本集中在高效率區(qū)域，說明電機(jī)能很好地滿足動(dòng)力與能量回收的需要；從圖10(c)中可以看出，當(dāng)電池SOC值較大時(shí)，電池以電量耗盡型模式工作，當(dāng)電池SOC值下降到一定范圍內(nèi)時(shí)，電池處于不停的充/放電的電量維持階段。圖11(d)是在30個(gè)中國典型城市循環(huán)工況下仿真的百公里油耗結(jié)果。

3.3 整車參數(shù)對(duì)燃油消耗影響

車輛的燃油消耗不僅與發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性、運(yùn)輸車行駛工況和運(yùn)輸車附件的使用等有關(guān)，同時(shí)，整車相關(guān)參數(shù)如整備質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)、電池容量等的變化也會(huì)影響整車油耗。下面根據(jù)車輛在30個(gè)中國典型城市循環(huán)工況行駛的仿真計(jì)算結(jié)果，討論各個(gè)參數(shù)對(duì)整車油耗的影響。

1)原車整車質(zhì)量為m=16 000 kg，整備質(zhì)量為ms=11 500 kg，將整備質(zhì)量分別減小5.00%和8.00%，此時(shí)整車質(zhì)量m分別為15 425 kg和15 080 kg，得出的百公里油耗，電池SOC如表3所示。

表3 百公里油耗與整車質(zhì)量關(guān)系

2)原車空氣阻力系數(shù)CD=0.63，將CD分別降低為0.60和0.57時(shí)，得出的百公里油耗，電池SOC如表4所示。

表4 百公里油耗與空氣阻力系數(shù)關(guān)系

3)原車滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.0100，將f分別降低5%和10%，即為0.009 5和0.009 0時(shí)，得出的百公里油耗，電池SOC如表5所示。

表5 百公里油耗與滾動(dòng)阻力系數(shù)關(guān)系

4)原車電池容量Qn=60 A·h，將Qn分別增加為80 A·h，100 A·h和120 A·h時(shí)，得出的百公里油耗，電池SOC如表6所示。

表6 百公里油耗與電池容量關(guān)系

從表3、表4、表5中可看出，減小整車質(zhì)量，降低空氣阻力系數(shù)，降低滾動(dòng)阻力系數(shù)和增加電池容量，都能使燃油消耗得到降低。此時(shí)，結(jié)束值SOC值變化不大，具有一定的可比性。

4 結(jié)語

圍繞插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車控制策略這一研究主題，建立了插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型，基于發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)效率圖和汽車循環(huán)工況負(fù)荷特性，設(shè)計(jì)了插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)工況的控制策略，并利用MATLAB/Simulink和Stateflow軟件設(shè)計(jì)了基于后向算法的燃油經(jīng)濟(jì)性仿真程序，分別對(duì)2個(gè)和30個(gè)中國典型城市循環(huán)工況進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性仿真和分析，結(jié)果表明插電式并聯(lián)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車與相同類型的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車相比，其燃油消耗分別降低49.1%和29.6%，且發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)運(yùn)行區(qū)域大部分在中、高效經(jīng)濟(jì)區(qū)域。