周瑋

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

前言：插電式混合動(dòng)力汽車可以利用夜間的市電低谷進(jìn)行充電，平時(shí)在市區(qū)行駛時(shí)可以以純電動(dòng)方式工作，完全不消耗燃油，有效降低使用成本和污染。而當(dāng)行駛距離較長(zhǎng)或需高速行駛時(shí)，又可以像普通混合動(dòng)力汽車一樣，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供主要?jiǎng)恿敵?。文中介紹了一種以最佳燃油效率為基礎(chǔ)的PHEV能量管理策略，并在Cruise所建立的車輛模型環(huán)境中對(duì)策略進(jìn)行了仿真，最后與傳統(tǒng)車輛的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1 PHEV工作模式介紹

本文中的驅(qū)動(dòng)控制策略包括以下三種驅(qū)動(dòng)模式：

1.1 純電動(dòng)模式：插電式混合動(dòng)力汽車由于可以外接充電，所以其可用純電動(dòng)模式行駛。在電量充足且電機(jī)功率滿足需求的條件下，該車均工作于純電動(dòng)模式。

1.2 傳統(tǒng)模式：在某些情況下，需要發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。比如在較高車速下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效負(fù)荷區(qū)，而此時(shí)電池電量又比較充足無(wú)需進(jìn)行充電，為了保持整個(gè)系統(tǒng)的高效，僅需發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作。另外，當(dāng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為了保證車輛能夠繼續(xù)行駛，也要求發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。

1.3 混合模式：當(dāng)電池電量較低或車輛需求功率較大時(shí)，車輛工作于混合模式中，根據(jù)需求轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)工作于高效區(qū)時(shí)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，混合模式又可以分成以下幾種子模式：

1.3.1 電動(dòng)助力模式：為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域穩(wěn)定在高效區(qū)，需要電機(jī)對(duì)功率不足的部分進(jìn)行補(bǔ)償。隨著車速的升高，電動(dòng)機(jī)達(dá)到最大輸出功率后，則發(fā)動(dòng)機(jī)不再保持在高效區(qū)域工作，而是提高輸出功率，此時(shí)控制策略優(yōu)先保證滿足車輛的功率需求。

1.3.2 混合發(fā)電模式：在此模式中，驅(qū)動(dòng)控制策略根據(jù)駕駛員的油門(mén)踏板信號(hào)來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)車輛所需的功率，然后計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳效率工作點(diǎn)，當(dāng)需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作效率點(diǎn)處所發(fā)出的功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制策略計(jì)算此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率點(diǎn)處的功率與需求功率的差值，并根據(jù)現(xiàn)在的電池與電機(jī)狀態(tài)計(jì)算此差值經(jīng)過(guò)一輪充放電循環(huán)后，可以保留的有效功，進(jìn)而計(jì)算這種情況下的單位燃油效率，其結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)僅產(chǎn)生當(dāng)前需求功率時(shí)的燃油效率進(jìn)行比較，如果電機(jī)進(jìn)行多余能量回收時(shí)燃油效率高，則令發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳效率點(diǎn)處，電動(dòng)機(jī)對(duì)多余能量進(jìn)行回收，否則令發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，電動(dòng)機(jī)不進(jìn)行能量回收。

2 使用Cruise進(jìn)行仿真

圖1 （Cruise中建立的整車模型）

Cruise是由AVL公司發(fā)布的一款整車性能仿真分析軟件，其自帶多種車輛標(biāo)準(zhǔn)零部件模塊，通過(guò)拖放的方法可以迅速建立車輛的整車模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真。并可與Simulink軟件進(jìn)行通信，方便使用Simulink建立控制策略模型。圖1是本文使用Cruise3.0建立的PHEV整車模型。該車具有發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩套動(dòng)力裝置，采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)可以分別或同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)超越離合器與電機(jī)機(jī)械連接。由于超越離合器只能單向傳遞扭矩（從發(fā)動(dòng)機(jī)向電動(dòng)機(jī)）所以當(dāng)由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，電機(jī)無(wú)需反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，減少了無(wú)謂的能量消耗及機(jī)械磨損。模型中發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為1.1L、額定功率48kW，電機(jī)最大功率25kW，電池組容量330V/22Ah。

本文中為了表現(xiàn)車輛在行駛時(shí)，各個(gè)部件的工作情況，特地選取了代表車輛的中高速行駛的EUDC工況，可以反映PHEV在混合工作模式下的表現(xiàn)；以及代表市區(qū)內(nèi)行駛的UDC工況，可以反映PHEV在城市內(nèi)以純電動(dòng)模式行駛時(shí)的表現(xiàn)。

PHEV與對(duì)照的傳統(tǒng)車輛在EUDC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

從圖中我們可以看出，在動(dòng)力電池電量充足的條件下，插電式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)主要分布在高效區(qū)，范圍集中，工作轉(zhuǎn)速范圍在2000～3500轉(zhuǎn)之間。低速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作。在EUDC循環(huán)工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)僅有28.39%的時(shí)間工作。在怠速和低速工況時(shí)，控制策略能夠成功關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。而傳統(tǒng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布較為分散，工作轉(zhuǎn)速范圍較寬。車輛有12.96%的時(shí)間處于怠速狀態(tài)，且有43.3%的時(shí)間工作在低負(fù)荷區(qū)域，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。從仿真結(jié)果來(lái)看，在EUDC工況下，PHEV與同排量的傳統(tǒng)車相比，燃油消耗降低21.05%。

而在UDC工況中，最高車速為50km/h，可以用來(lái)測(cè)試插電式混合動(dòng)力汽車平時(shí)的主要工作模式--純電動(dòng)模式。從仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)PHEV工作在純電動(dòng)模式下時(shí)，與傳統(tǒng)汽車相比可以顯著降低油耗，等效百公里油耗僅有1.59L，降低了78.24%。體現(xiàn)出了巨大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。按照現(xiàn)在的93號(hào)汽油6.56元/升的價(jià)格來(lái)計(jì)算，傳統(tǒng)車每百公里燃油成本為50元；PHEV在純電動(dòng)模式下行駛時(shí)百公里耗電14.586度，按當(dāng)前0.49元每度的電價(jià)計(jì)算，考慮充放電損失，成本約在10元/百公里左右。

表1 循環(huán)工況油耗對(duì)照表

總結(jié)。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，本控制模型可以有效降低車輛的油耗。但尚存在一些不足：當(dāng)車速波動(dòng)時(shí)，可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)；控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求較高，并且無(wú)法及時(shí)反應(yīng)參數(shù)的變化，導(dǎo)致控制效果降低；本策略計(jì)算量較大，需要使用成本較高的芯片。

因此本策略尚有改進(jìn)空間：加入發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率的控制，減少發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)起動(dòng)的次數(shù)；加入道路預(yù)判斷功能，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間；加入?yún)?shù)自動(dòng)校正功能。

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