張 志，楊蕓蕓

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司部件試驗(yàn)研究部，重慶 400039;2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

插電式混合動力汽車(plug－in hybrid electric vehicle，PHEV)可以利用外部電網(wǎng)通過充電裝置對車載電池組進(jìn)行充電，從而增加純電動續(xù)駛里程，大大減少對燃油的依賴，同時(shí)還可以降低車輛的廢氣排放，是目前電動汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[1]。與普通混合動力電動車相比，插電式混合動力車須保證全電力續(xù)駛里程，故對其動力總成各部件提出了不同的要求。

插電式混合動力電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的選擇不僅與車輛的整車動力性和經(jīng)濟(jì)性要求有關(guān)，還與控制策略以及車輛行駛的工況密切相關(guān)。筆者以一款傳統(tǒng)SUV為原型，設(shè)計(jì)并聯(lián)式Plug－in混合動力車，在普通混合動力車的電輔助控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適合插電式混合動力電動車的控制策略，應(yīng)用前向/后向仿真軟件 ADVISOR(advanced vehicle simulator)2002建立相應(yīng)的模型，對不同的電機(jī)、AER(all electric range)和動力電池容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析仿真結(jié)果，對該方案的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 參數(shù)匹配

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和整車動力參數(shù)

目前插電式混合動力車輛大多采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮到該車輛的布置以及運(yùn)行工況，采用單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。該插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該SUV車輛的整車動力參數(shù)如表1所示。

圖1 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 SUV整車動力參數(shù)

設(shè)計(jì)該插電式混合動力SUV車時(shí)的首要目標(biāo)是滿足車輛的動力性能，故需要滿足以下3個(gè)條件:

(1)起步加速性能。即車輛能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)由靜止持續(xù)加速到額定車速的性能。

(2)以額定車速穩(wěn)定行駛的能力。對于并聯(lián)混合動力車輛來說，發(fā)動機(jī)應(yīng)該能夠提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率，并能克服坡度大于3%的路面阻力。

(3)以最高車速穩(wěn)定行駛的能力。在插電式并聯(lián)混合動力汽車上，電機(jī)和發(fā)動機(jī)的輸出功率應(yīng)分別能滿足車輛以最高車速行駛時(shí)的功率需求。

車輛行駛時(shí)所需的功率為:

式中:Pe為車輛所需的功率;ηT為傳動系機(jī)械效率;G為車輛總重力;f為滾動阻力系數(shù);ua為車速;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為車輛總質(zhì)量;為加速度;i為坡度。

1.2 發(fā)動機(jī)參數(shù)選擇

對于并聯(lián)式混合動力車的發(fā)動機(jī)，若功率選擇偏大，則車輛的排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性就差;若功率選擇偏小，后備功率就小，就必須依靠電機(jī)提供更多的驅(qū)動功率，這會造成電機(jī)和電池組容量的取值增大以及整車質(zhì)量增加，同時(shí)還會使車輛成本增加，整車布置難度加大。

由于插電式混合動力車與以往的混合動力車的不同點(diǎn)在于車輛在純電動工況的運(yùn)行時(shí)間比較長，而依靠發(fā)動機(jī)工作的時(shí)間比例減少，故選擇發(fā)動機(jī)的原則是在經(jīng)濟(jì)巡航車速uc下，發(fā)動機(jī)在其萬有特性圖上的經(jīng)濟(jì)區(qū)工作。巡航車速uc與平路勻速阻力功率Pc的對應(yīng)關(guān)系如下[2]:

根據(jù)SUV車的運(yùn)行工況，取uc為70 km/h。

在計(jì)算巡航功率時(shí)，還應(yīng)加上空調(diào)、壓縮機(jī)等附件功率Pacc約為3 kW、1% ～2%的爬坡功率裕量Pi和 10%(經(jīng)驗(yàn)值)的充電功率裕量 Pchr[3]，即:

巡航功率P實(shí)際上是一個(gè)功率帶，應(yīng)保證這一功率帶穿越發(fā)動機(jī)萬有特性圖上經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域。根據(jù)上述條件，最終選擇的發(fā)動機(jī)參數(shù)如表2所示。

1.3 電機(jī)參數(shù)選擇

并聯(lián)式混合動力車的電機(jī)最大功率Pmmax與發(fā)動機(jī)最大功率Pemax之和應(yīng)能滿足車輛的最大功率Pvmax的需求，即滿足下列不等式:

表2 插電式混合動力SUV車動力系統(tǒng)參數(shù)

不同于普通的混合動力車，插電式混合動力車的電機(jī)不僅能在車輛起步和低速行駛時(shí)驅(qū)動車輛，當(dāng)車輛高速行駛以及加速時(shí)也能夠單獨(dú)驅(qū)動車輛，則電機(jī)的最大功率Pmmax應(yīng)大于車輛在高速運(yùn)行時(shí)的功率需求。最終選取的電機(jī)參數(shù)如表2所示。

1.4 電池組參數(shù)的選擇

選擇的動力電池組的電壓和電流范圍必須滿足電機(jī)的電壓和電流的工作范圍，放電功率范圍必須覆蓋電機(jī)驅(qū)動和再生制動的最大功率范圍，電池組的容量還應(yīng)滿足插電式混合動力車純電動續(xù)駛里程對能量的需求。

(1)由電機(jī)最大輸出功率選擇電池?cái)?shù):

式中:Pemax為電機(jī)最大功率;Pbmax為電池最大輸出功率;ηe為電機(jī)工作效率，計(jì)算中取0.9;ηec為電機(jī)控制器工作效率，取0.9。

(2)根據(jù)純電動續(xù)駛里程AER選擇電池?cái)?shù)目:

式中:L為車輛的純電動續(xù)駛里程;W為車輛行駛1 km所需的電池能量;Us為單體電池電壓;Cr為單體電池的額定容量;Dh為電池放電深度，鋰電池取80%。該電池組的動力參數(shù)如表2所示。

2 控制策略

2.1 電輔助控制策略

并聯(lián)式混合動力車上使用的規(guī)則控制策略(rule based energy management strategy，RBS)實(shí)際上是一個(gè)電輔助控制策略[4－7]。以下為電輔助控制策略的具體內(nèi)容:

(1)當(dāng)車速低于發(fā)動機(jī)驅(qū)動的速度下限值且電池的SOC值(荷電狀態(tài))高于其下限值時(shí)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛，車輛為純電動模式行駛;

(2)當(dāng)車輛需求的功率超過發(fā)動機(jī)最大功率且電池的SOC值高于其下限值時(shí)，則由電機(jī)補(bǔ)充缺少的那部分功率，由電機(jī)和發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛;

(3)當(dāng)車輛需求的功率高于發(fā)動機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)區(qū)功率且電池的SOC值低于其下限值時(shí)，則由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛;

(4)當(dāng)車輛需求的功率低于發(fā)動機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)區(qū)功率且電池的SOC值低于其下限值時(shí)，則發(fā)動機(jī)工作在其經(jīng)濟(jì)區(qū)驅(qū)動車輛，多余的功率用來給電池充電;

(5)當(dāng)車輛需求的功率為負(fù)且電池的SOC值低于其上限值時(shí)，則進(jìn)行能量回收給電池充電。

2.2 以電為主的規(guī)則控制策略

由于插電式混合動力車擁有高容量的電池組，且電池中的電能來源于普通電網(wǎng)，因此要充分利用電池中的能量以降低燃油的消耗。故對于插電式混合動力汽車，規(guī)則控制策略中車輛行駛時(shí)的大部分能量來源于電池，其余的則由發(fā)動機(jī)提供。

插電式混合動力車中的發(fā)動機(jī)開關(guān)由以下的規(guī)則控制策略控制[8－9]:

(1)當(dāng)電池的SOC值低于其下限值且車輛需求為正功時(shí)，發(fā)動機(jī)開啟;

(2)當(dāng)電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的正功功率低于電機(jī)能夠提供的最大功率時(shí)，關(guān)閉發(fā)動機(jī);

(3)當(dāng)電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的正功功率高于電機(jī)能夠提供的最大功率時(shí)，開啟發(fā)動機(jī);

試驗(yàn)地設(shè)在南昌市南昌工程學(xué)院生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)基地。南昌工程學(xué)院位于南昌市東部，緊鄰艾溪湖濕地公園和瑤湖森林公園。南昌市地處江西中部偏北，贛江、撫河下游，瀕臨鄱陽湖西南岸，位于東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°09′～29°11′，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)型氣候，氣候濕潤溫和，日照充足，降雨量充沛，夏季多偏南風(fēng)，冬季多偏北風(fēng)，年無霜期長、冰凍期短。

(4)當(dāng)車輛需求的功率為負(fù)值且電池的SOC值低于其上限值時(shí)，關(guān)閉發(fā)動機(jī)。

插電式混合動力車的工作模式有電量消耗模式和電量維持模式。車輛的工作模式定義如下:

(1)當(dāng)電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的功率能夠由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動時(shí)，則車輛在純電動模式下運(yùn)行;

(2)當(dāng)電池的SOC值高于其下限值且車輛需求的功率不能由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動時(shí)，則電機(jī)輸出其最大功率，由發(fā)動機(jī)補(bǔ)充驅(qū)動車輛所缺少的那部分功率;

(3)當(dāng)電池的SOC值低于其下限值且車輛需求的功率低于發(fā)動機(jī)工作在其經(jīng)濟(jì)區(qū)能夠提供的功率時(shí)，發(fā)動機(jī)工作在它的最優(yōu)工作點(diǎn)，多余的功率用來給電池充電;

(5)當(dāng)電池的SOC值低于其下限值且車輛需求的功率為負(fù)值時(shí)，進(jìn)行制動能量回收給電池充電。

3 仿真結(jié)果及分析

在ADVISOR中對發(fā)動機(jī)、電機(jī)和蓄電池等部件進(jìn)行建模，在上述兩種控制策略下對PHEV的性能進(jìn)行仿真分析。在選擇仿真循環(huán)工況時(shí)，考慮到一般SUV車的行駛工況，選擇代表城市路況的美國城市循環(huán)工況UDDS－EPA進(jìn)行仿真[10]。該工況全程11.99 km，時(shí)間1 369 s，最高車速為91.25 km/h，平均車速為31.51 km/h，有多次的啟停和急加速、急減速，有助于研究混合動力車輛的制動能量回收性能。由于一個(gè)循環(huán)的路程較短不能較好地體現(xiàn)不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，故采用不同的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行仿真，得到該插電式混合動力SUV車輛的百公里油耗值如表3所示。

表3 不同循環(huán)的百公里油耗

從表3的結(jié)果可以看出，對于同樣配置的PHEV，車輛在充滿電后行駛相同的路程，以電為主的規(guī)則控制策略與電輔助控制策略相比，經(jīng)濟(jì)性得到了提高。行駛5個(gè)和8個(gè)UDDS－EPA循環(huán)工況時(shí)，總路程不到100 km，PHEV的電池SOC值處于較高水平，此時(shí)采用以電為主的規(guī)則控制策略充分利用了蓄電池的電能，只在電機(jī)不能單獨(dú)驅(qū)動車輛時(shí)才開啟發(fā)動機(jī)，故車輛的百公里油耗僅為2.60 L左右，而采用電輔助控制策略則以發(fā)動機(jī)驅(qū)動為主，百公里油耗為6.60 L左右，大大高于以電為主的規(guī)則控制策略。而當(dāng)車輛運(yùn)行15個(gè)循環(huán)，總路程為179.80 km，車輛行駛到后幾個(gè)循環(huán)時(shí)，電池的SOC值越來越低，尤其是以電為主的規(guī)則控制策略，其SOC值更低，對電能的依賴慢慢減少，發(fā)動機(jī)運(yùn)行的時(shí)間變長，百公里油耗比前8個(gè)循環(huán)增大了53.8%，與電輔助控制策略間的油耗值差距有所減小，但是其節(jié)油的優(yōu)勢依然明顯。

兩種控制策略下電機(jī)工作點(diǎn)分布圖如圖2所示。由圖2可知，采用以電為主的規(guī)則控制策略的充電式混合動力車充分利用了電機(jī)的低速高轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)，且工作點(diǎn)更多地分布在高效區(qū)，可取得更好的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 兩種控制策略下電機(jī)工作點(diǎn)分布圖

該充電式SUV車采用以電為主的規(guī)則控制策略在UDDS－EPA工況下連續(xù)運(yùn)行15個(gè)循環(huán)的仿真結(jié)果如圖3所示。其中圖3(a)為該工況需求車速與實(shí)際車速圖，從該圖中可以看出該車輛的實(shí)際車速與需求車速完全吻合。圖3(b)為電池SOC值變化曲線，圖3(c)為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖，圖3(d)為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖。在蓄電池SOC值較高(0.7)時(shí)，為了維護(hù)電池，不進(jìn)行制動能量回收，車輛在電量消耗模式下運(yùn)行，主要由電機(jī)驅(qū)動車輛，發(fā)動機(jī)只起輔助功能，以電能的消耗代替燃油的消耗以降低油耗;車輛在運(yùn)行了7個(gè)UDDS－EPA循環(huán)后，電池SOC值下降到0.4，車輛進(jìn)入電量維持模式運(yùn)行，由發(fā)動機(jī)和電機(jī)共同工作;當(dāng)電池的SOC值達(dá)到下限值0.2時(shí)，則由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛，電機(jī)不驅(qū)動。

圖3 以電為主的控制策略在UDDS－EPA工況下運(yùn)行15個(gè)循環(huán)的仿真結(jié)果

采用以電為主的規(guī)則控制策略得到的整車動力性仿真結(jié)果為:最高車速為166 km/h;0～100 km/h的加速時(shí)間為13.9 s;最大加速度為4.3 m/s2;車速 v=88.5 km/h時(shí)，爬坡度為15.6%。從仿真結(jié)果可看出，該混合動力電動汽車的動力性不僅滿足混合動力車的技術(shù)指標(biāo)，而且性能高于一般的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。

由于電機(jī)參數(shù)和電池組容量對整車的經(jīng)濟(jì)性影響最大，在此對這兩個(gè)參數(shù)在ADVISOR中進(jìn)行優(yōu)化，得到的結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著電池容量增大油耗越來越低，電池容量比例因子對油耗的影響在[0.5，1.0]區(qū)間比在[1.0，1.5]區(qū)間大。而電池的容量對車輛成本的影響很大，故當(dāng)電池容量比例因子為1.0(即為前面匹配的60 A·h)時(shí)既能獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，又不至于增加車輛的成本。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比例因子為0.9時(shí)得到了最低的油耗值，但是在[0.8，1.2]區(qū)間對油耗的影響差異很大，故匹配最大轉(zhuǎn)矩為表2中最大轉(zhuǎn)矩的0.9倍(即0.9×252=226.8 N·m)的電機(jī)能夠獲得更低的油耗。

圖4 電機(jī)及電池參數(shù)對油耗的影響圖

4 結(jié)論

筆者對插電式混合動力SUV車進(jìn)行動力計(jì)算，包括發(fā)動機(jī)、電機(jī)、蓄電池和變速箱在內(nèi)的動力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，并在已有的電輔助控制策略的基礎(chǔ)上提出了以電為主的規(guī)則控制策略。通過在仿真軟件ADVISOR 2002中對該車輛進(jìn)行仿真，對比兩種控制策略，可以看出筆者提出的以電為主的規(guī)則控制策略包括電量消耗模式和電量維持模式，與電輔助控制策略相比，大大提高了車輛的經(jīng)濟(jì)性。因此插電式混合動力車采用該控制策略比較合適。

[1] 武小蘭，王君平.充電式混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].汽車工程，2008，30(12):1095 －1096.

[2] WU J，EMADI A，DOUBA M J，et al.Plug － in hybrid electric vehicles:testing，simulationsand analysis[C]//Proc.IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf.Arlington:[s.n.]，2007:5135 －5138.

[3] 吳偉岸.混合動力汽車動力系統(tǒng)參數(shù)選擇及匹配研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)圖書館，2005.

[4] LI X，SHELDON S W.Efficiency and suitability analyses of varied drive train architectures for plug－ in hybrid electric vehicle(PHEV)applications[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPV).[S.l.]:[s.n.]，2008:3728 －3730.

[5] HARPREETSINGH B，SOHEL A.A rule － based energy management strategy for plug－in hybrid electric vehicle(PHEV)[C]//2009 American Control Conference Hyatt Regency Riverfront.MO:[s.n.]，2009:3938－3940.

[6] TULPULE P，MARANO V.Effects of different PHEV control strategies on vehicle performance[C]//2009 American Control Conference Hyatt Regency Riverfront.MO:[s.n.]，2009:5986 －5988.

[7] ZHU Y，CHEN Y B，WU Z H，et al.Optimisation design of an energy management strategy for hybrid vehicles[J].International Journal of Alternative Propulsion，2006，1(1):47 －62.

[8] TOBIAS K，CHRISTOPH R.Optimization and comparison of heuristic control strategies of parallel hybrid electric vehicles[C]//Electric Vehicle Symposium 23，Anaheim.California:[s.n.]，2007:659 －660.

[9] 孫冬野，秦大同.并聯(lián)式混合動力車輛動力轉(zhuǎn)換控制策略研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(1):5－7.

[10] National Renewable Energy Laboratory.ADVISOR Documentation[S].2002.