某混合動力汽車能量管理控制策略研究

陳夢青 劉宏江 張運泰 李連豹 韋 虹

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

混合動力汽車以其靈活的布置形式、多元化的架構(gòu)、優(yōu)良的控制策略，在實現(xiàn)高熱效率的同時，兼具卓越的燃油經(jīng)濟性，成為當(dāng)前汽車企業(yè)的市場戰(zhàn)略之一。能量管理控制策略作為混合動力汽車的核心控制算法，是整車動力性、經(jīng)濟性、舒適性及部件安全可靠性的重要保障。通過合理地分配驅(qū)動能量，協(xié)調(diào)制動與能量回收的關(guān)系，以滿足不同的整車功率需求[1]。因此，對能量管理控制策略進行研究對提高混合動力系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)車輛的節(jié)能減排目標具有重要的指導(dǎo)意義。

本文以某品牌混合動力汽車為研究對象，利用底盤測功機和CAN 信號解析方法獲取整車性能數(shù)據(jù)，分析其混合動力系統(tǒng)的控制架構(gòu)、控制邏輯、關(guān)鍵控制參數(shù)以及驅(qū)動模式切換閾值；對樣車進行固定車速、固定加速踏板開度試驗，解析在加速踏板開度、電池SOC、車速等發(fā)生變化的條件下，整車運行狀態(tài)與關(guān)鍵子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配輸出機制；測試滑行與制動工況下的能量回收，分析其能量管理策略并篩選出主要影響因素。

1 試驗工況設(shè)計

本文所選取的某品牌混合動力汽車主要參數(shù)見表1。

表1 汽車主要參數(shù)

以車速、加速踏板開度、制動踏板開度和電池SOC 等為變量設(shè)計試驗工況，見表2。

2 測試方法

2.1 信號獲取

獲取整車測量信號的方式分為2 種，一種是要求精度高的信號，可通過安裝傳感器直接測量，例如半軸轉(zhuǎn)矩、高壓電池母線電流、低壓蓄電池電流和電壓、整車累計油耗等關(guān)鍵信號；另一種是無法直接測量的關(guān)鍵信號，可通過發(fā)送診斷數(shù)據(jù)請求，解析整車CAN 總線信號，結(jié)合診斷請求信號和CAN 信號進行數(shù)據(jù)采集。將獲取到的傳感器測量信號與CAN 信號同步到多路CAN 通訊設(shè)備，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理與分析[2]。CAN 信號清單見表3。

表3 CAN 信號清單

2.2 底盤測功機設(shè)置

根據(jù)GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[3]要求，將車輛固定于底盤測功機。根據(jù)車輛的驅(qū)動模式和能量回收特性設(shè)置測功機，使車輛保持前輪驅(qū)動，后輪隨動運行狀態(tài)。

3 工作模式

車輛的工作模式分為3 種，如圖1 所示。

圖1 車輛驅(qū)動模式

1）純電動模式。僅電池、驅(qū)動電機工作，發(fā)動機和發(fā)電機不工作。

2）串聯(lián)模式。發(fā)動機、發(fā)電機工作，驅(qū)動電機驅(qū)動或發(fā)電，電池可充電、可放電。

3）發(fā)動機直接驅(qū)動模式。發(fā)動機工作，離合器接合，直接驅(qū)動車輛，發(fā)電機和驅(qū)動電機不工作。

4 驅(qū)動能量管理控制策略

4.1 固定車速

在底盤測功機上，采用轉(zhuǎn)轂-車速控制模式，觀察不同加速踏板開度下SOC 的平衡規(guī)律。

60 km/h 的固定車速下，加速踏板開度較小時，不同加速踏板開度下，SOC 的平衡規(guī)律如圖2 所示。

圖2 60 km/h 車速下SOC 平衡規(guī)律（周期波動）

從圖2 可以看出，60 km/h 的固定車速下，加速踏板開度恒定10%，當(dāng)SOC 為30%時，發(fā)動機運行，起動功率為17～21 kW，電池包充電功率為9～12 kW；當(dāng)SOC 高于41%時，發(fā)動機停機。加速踏板開度恒定25%，當(dāng)SOC 低于37%時，發(fā)動機運行，起動功率為20～26 kW，電池包充電功率為5～10 kW；當(dāng)SOC高于49%時，發(fā)動機停機。由此可知，同一車速下，加速踏板開度較小時，不同加速踏板開度下，SOC 呈現(xiàn)周期性波動。

60 km/h 的固定車速下，加速踏板開度較大時，不同加速踏板開度下，SOC 的平衡規(guī)律如圖3 所示。

圖3 60 km/h 車速下SOC 平衡規(guī)律（穩(wěn)定）

從圖3 可以看出，60 km/h 的固定車速下，40%加速踏板開度時，SOC 最終穩(wěn)定在41%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在2 950 r/min，整車維持勻速狀態(tài)所需的功率大于電池可放電功率，電池處于充放電平衡狀態(tài)。50%和60%加速踏板開度時，電池均處于充放電平衡狀態(tài)，SOC 均穩(wěn)定在23%。

由此可知，固定車速下，整車需求功率較小時，當(dāng)SOC 低于最小閾值，發(fā)動機起動，通過發(fā)電機給驅(qū)動電機提供能量以驅(qū)動車輛，多余的能量給電池包充電，車輛進入串聯(lián)模式；當(dāng)SOC 高于最大閾值，發(fā)動機停機，進入純電動模式。整車需求功率較大時，發(fā)動機輸出的能量通過發(fā)電機，主要用于提高驅(qū)動電機的輸出功率，電池處于充放電平衡狀態(tài)。相同車速下，隨著加速踏板開度的增大，發(fā)動機起動時的SOC 最小閾值增大；當(dāng)加速踏板開度高于30%時，SOC 進入穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 固定加速踏板開度

在底盤測功機上，模擬道路阻力，通過控制加速踏板開度，分析不同加速踏板開度下的pedal map（車輛加速度或動力總成輸出轉(zhuǎn)矩隨加速踏板開度和車速變化而變化的一種關(guān)系圖），以研究車輛的驅(qū)動能量管理策略。Normal 模式下車輛加速度的pedal map 如圖4 所示。

圖4 Normal 模式下車輛加速度的pedal map

由圖4 可知，Normal 模式下，5%～15%加速踏板開度，加速度較低，有利于低速工況的車速控制，此時車輛主要在串聯(lián)與純電動模式之間切換，通過提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速使發(fā)動機工作在高效區(qū)間，實現(xiàn)降低整車油耗和排放的目的；50%加速踏板開度，加速度曲線均勻分布；60%～80%加速踏板開度，加速度大小基本相當(dāng)；80%加速踏板開度以上，整車側(cè)重于加速性能，以滿足駕駛需求，此時車輛主要工作在串聯(lián)模式，通過多能量源實現(xiàn)高的功率輸出。

圖5 為Normal 模式下半軸轉(zhuǎn)矩的pedal map。

圖5 Normal 模式下半軸轉(zhuǎn)矩的pedal map

由圖5 可知，Normal 模式下，半軸轉(zhuǎn)矩曲線的變化趨勢與車輛加速度曲線的變化趨勢基本一致。從圖4 和圖5 可以看出，當(dāng)加速踏板開度為100%時，最大加速度為4.7 m/s2，最大半軸轉(zhuǎn)矩為2 100 N·m。此時，車輛工作在串聯(lián)模式，整車需求功率較高，發(fā)動機與電池共同作為能量源，提高驅(qū)動電機的功率輸出，以克服阻力驅(qū)動車輛。

5 能量回收管理控制策略

能量回收是通過電機將車輛多余的機械能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在高壓電池中，用于驅(qū)動車輛。能量回收管理極大地提高了混合動力汽車的能量利用率，有利于降低整車油耗[4]。

5.1 滑行能量回收

滑行能量回收是指汽車行駛過程中，松開加速踏板，依靠慣性作用行駛，通過能量管理控制策略實現(xiàn)能量回收[5]。

圖6 為60 km/h 初始車速，D 擋滑行的能量回收狀況。

圖6 60 km/h 初始車速，D 擋滑行的能量回收狀況

從圖6 可以看出，60 km/h 初始車速，D 擋滑行，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩由正變負，回收車輛動能，給高壓電池充電，最大充電功率為5.8 kW；發(fā)動機與發(fā)電機不工作；當(dāng)車速降至10 km/h，驅(qū)動電機回收轉(zhuǎn)矩迅速減小，直至進入蠕行，車輛切換成純電動模式，高壓電池放電，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩由負變正，克服阻力使車輛前進。

不同初始車速下（以20 km/h 為間隔），混合動力汽車的滑行能量回收量如圖7 所示。圖7 中，縱坐標上的負值越大，說明回收的能量越多。

圖7 不同初始車速下滑行能量回收量

分析圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著初始車速的增加，驅(qū)動電機回收能量越多，給動力電池充電的能量越多。初始車速為120 km/h 時，驅(qū)動電機回收能量最多，為443kJ；平均能量回收強度約為76%。

5.2 制動能量回收

制動能量回收是指汽車行駛過程中，踩制動踏板，將動能轉(zhuǎn)化成電能，通過能量管理控制策略實現(xiàn)能量回收[6-7]。

5.2.1 小強度制動工況

10%制動踏板開度（小強度制動工況），制動能量回收狀況如圖8 所示。

圖8 10%制動踏板開度制動能量回收狀況

分析圖8 可知，10%制動踏板開度（小強度制動工況），發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速下降至停機，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩由正變負，進行能量回收，最大回收轉(zhuǎn)矩為132 N·m，此時車輛以電機再生制動為主。

5.2.2 中等強度制動工況

30%制動踏板開度（中等強度制動工況），制動能量回收狀況如圖9 所示。

圖9 30%制動踏板開度制動能量回收狀況

分析圖9 可知，30%制動踏板開度（中等強度制動工況），驅(qū)動電機制動能量回收量減少，回收轉(zhuǎn)矩維持時間較短，通過液壓制動與電機制動，減少能量損失的同時，達到快速停車的目的。

5.2.3 高強度制動工況

40%制動踏板開度（高強度制動工況），制動能量回收狀況如圖10 所示。

圖10 40%制動踏板開度制動能量回收狀況

分析圖10 可知，40%制動踏板開度（高強度制動工況），驅(qū)動電機制動能量回收量極少，以液壓制動為主，保證制動安全。

不同制動踏板開度下（以5%制動踏板開度為間隔），混合動力汽車的制動能量回收量如圖11 所示。圖11 中，縱坐標上的負值越大，說明回收的能量越多。

圖11 不同制動踏板開度下制動能量回收量

分析圖11 可以發(fā)現(xiàn)，隨著制動踏板開度的增加，驅(qū)動電機回收的制動能量減少。10%制動踏板開度，制動能量回收量為465 kJ；30%制動踏板開度，制動能量回收量為270 kJ；40%制動踏板開度，制動能量回收量為35 kJ。當(dāng)制動踏板開度大于40%時，驅(qū)動電機幾乎不再進行能量回收，以制動安全為主。

5.3 SOC 對制動能量回收的影響

高壓電池的SOC 是影響混合動力汽車整車性能的重要參數(shù)之一，電池在不同的SOC 下，充電功率和效率各不相同[8]。為控制單一變量，排除其他因素的干擾，設(shè)定相同初始車速為100km/h，設(shè)計試驗矩陣，探討SOC 對制動能量回收的影響。相同初始車速下，同一制動踏板開度，SOC 對制動能量回收影響的試驗結(jié)果見表4。表4 中，回收能量欄中，負值越大，說明回收的能量越多。

表4 SOC 對制動能量回收影響試驗結(jié)果

對表4 中的數(shù)據(jù)進行對比分析可知，相同初始車速下，同一制動踏板開度，SOC 的高低影響發(fā)動機的啟停狀態(tài)，對制動能量回收無太大影響。

當(dāng)SOC 處于較低水平時，踩下制動踏板前，發(fā)動機仍處于工作狀態(tài)；制動后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸下降，驅(qū)動電機進行能量回收。

當(dāng)SOC 極高時，踩下制動踏板前，發(fā)動機已停機；制動后，驅(qū)動電機開始進行能量回收。

6 結(jié)論

1）混合動力汽車發(fā)動機的啟停與加速踏板開度和車速緊密相關(guān)，SOC 呈現(xiàn)周期性的規(guī)律變化或維持穩(wěn)定狀態(tài)。

2）Normal 模式下的pedal map 線性分布有利于維持車輛的駕駛性能及工作模式的切換，在兼顧動力性的同時，可實現(xiàn)節(jié)能減排目標。

3）初始車速影響滑行能量回收，初始車速越高，回收的能量越多。

4）制動過程中，電機制動和液壓制動相互動態(tài)協(xié)調(diào)。同一制動初始速度條件下，隨著制動踏板開度的增大，電機再生制動占比降低，回收的能量減少。

5）制動能量回收受制動踏板開度的影響較大。在一定范圍內(nèi)，制動踏板開度越大，回收的能量越少。

6）SOC 的高低對制動能量回收無太大影響。

國家科研機構(gòu)要以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，著力解決影響制約國家發(fā)展全局和長遠利益的重大科技問題，加快建設(shè)原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)。

——習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上的講話