孫欽云，商高高

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

純電動汽車具有零排放、電能來源廣泛等優(yōu)點，但受制于電池技術，尚無法大規(guī)模使用，而傳統混合動力汽車 (HEV)無論哪種結構形式，主要還是通過內燃機來驅動車輛或給電池充電，導致節(jié)油率較低.插電式混合動力電動汽車 (Plug-in hybrid electric vehicle，簡寫為PHEV)結合了純電動車和HEV的特點，在電池電量充足時，以純電動車方式行駛;在電量較低和特殊工況時才開啟發(fā)動機，提高了節(jié)油率，降低了排放，成為近期研發(fā)的熱點，通用的volt和豐田的插電式prius都已上市銷售.

雖然PHEV是在傳統HEV的基礎上改變電驅動系統而得到的，但其工作模式有別于傳統的HEV.因此，對其不同結構形式進行分析比較，確定何種驅動系統結構更適用于PHEV具有特別重要的意義.

由于混聯系統成本相對較高，文中對串聯和并聯PHEV進行分析研究，對比了兩種結構對車輛性能、電能需求和行駛里程等方面的影響[1].

1 串、并聯PHEV驅動系統建模

為了滿足驅動力矩需求，串聯PHEV具有較大的電機和電池，此結構中發(fā)動機僅用于發(fā)電，不直接驅動車輛，因而可使發(fā)動機工作在最高效率區(qū)間.在并聯PHEV中，控制策略可根據不同工況選擇驅動形式，既可由電機單獨驅動又可由發(fā)動機單獨驅動，還可共同驅動，從而在滿足車輛功率需求的前提下，獲得較高的效率.圖1、2分別為串、并聯PHEV驅動系統結構圖.

為了便于對比串、并聯驅動系統結構對PHEV的動力性、經濟性等方面的影響，串聯PHEV的動力系統除增加的發(fā)電機外，其余參數與并聯PHEV相同.對中型SUV進行建模，參考某款中型SUV和市售動力電池質量，確定整車參數，結果如表1所示.

根據文獻資料，中國私家車工作日平均行駛里程為52.8 km[2]，因此，驅動系統的設計滿足當電池充滿電時，可以以低車速純電動行駛60 km，驅動系統參數設計結果見表2.

表1 整車部分參數

表2 驅動系統參數

2 PHEV控制策略

控制策略的目標是在滿足車輛動力性的前提下，降低車輛油耗和排放.根據PHEV的特點，將控制策略分為兩部分，如圖3所示:電荷消耗(CD)模式和電荷保持 (CS)模式[3].PHEV運行時，先以 CD模式運行，當電池荷電狀態(tài)(SOC)低于設定值后，車輛以CS模式運行，其中，CS模式與傳統HEV相似.

圖3 PHEV運行模式圖

仿真時，采用的循環(huán)工況里程為64.47 km，車輛行駛在CD模式范圍內，因此，僅對CD模式進行介紹.

電荷消耗時的控制策略采用恒溫控制策略和功率跟隨控制策略相結合的方法，此控制策略設置較大的SOC變化區(qū)間，可將電池深度放電，以充分發(fā)揮能量存儲系統的作用.串、并聯PHEV仿真時，SOC初始值的設置相同，雖然兩者結構不同，導致控制策略的具體實施方式不同 (串聯PHEV通過發(fā)電機將發(fā)動機輸出的機械能轉化為電能，供給驅動電機以驅動車輛;并聯PHEV發(fā)動機與驅動軸機械連接，輸出的能量直接參與驅動車輛)，但發(fā)動機的開啟邏輯相同，如下所示:① SOC低于設定閥值時，發(fā)動機開啟.②車輛需求功率大于電池驅動電機所能提供的功率并且持續(xù)時間大于設定值時，發(fā)動機開啟.

CD模式控制策略設計的原則是優(yōu)先使用電池存儲的能量，發(fā)動機只在電池不能滿足車輛需求時使用.

3 PHEV仿真與結果分析

為了保證可對比性，仿真選擇了4次城市循環(huán)工況和1次高速循環(huán)工況，總里程64.47 km.如圖4所示.

圖4 循環(huán)工況圖

UDDS城市循環(huán)工況與其它城市循環(huán)工況相比，啟停次數較多，也可檢驗再生制動能力.高速工況選擇了HWFET循環(huán).循環(huán)工況統計結果如表3所示.

表3 循環(huán)工況統計表

串聯PHEV初始SOC值選擇為0.9，并聯式電池參數和初始SOC設置和串聯PHEV相同.電荷消耗模式結束SOC閥值設置為0.3，兩者驅動系統參數相同[4].圖5、圖6為串、并聯PHEV電機運行點仿真結果.

從圖可以看出，串聯結構電機運行范圍比并聯大，同時在低速高轉矩區(qū)域，串聯比并聯使用頻率高，而此區(qū)域電機效率較低，導致串聯形式電機運行效率比并聯低.這是因為兩者的運行原理不同，串聯結構中，電機是唯一提供驅動車輛扭矩來源，并聯結構中，發(fā)動機可以在低扭矩區(qū)域驅動車輛，以減少電機的低效率運行時間.在高轉速區(qū)域，并聯的電機運行點更集中于電機高速和高效率區(qū)間，而串聯的較為分散，此外，再生制動方面，并聯的再生制動點集中于高效率區(qū)間，而串聯結構相比較低.

車輛動力系統效率、燃油經濟性、排放和車輛的加速性能仿真結果統計如表4所示.

表4 車輛性能仿真統計表

結果表明并聯PHEV的燃油經濟性、傳動系整體效率都比串聯PHEV高，而發(fā)動機效率稍低，這是因為在并聯結構中，加速等特殊工況需要發(fā)動機更加頻繁開啟所致.并聯PHEV加速性能比串聯PHEV好，但也導致了排放的增加.串聯式的缺點還表現在車輛的性能受電池和電機功率的限制，而并聯PHEV可將發(fā)動機和電機的功率結合，一起驅動車輛.

將電池參數改變后再進行仿真，以判斷當電池容量增加后，串、并聯PHEV仿真結果是否仍然和前面結果一致.電池容量選擇為70 Ah，其質量按比例增加，動力系統其它參數不變，仿真結果統計如表5所示.

表5 電池容量增大后驅動系統效率統計表

表5表明驅動系統效率發(fā)生較大變化，雖然并聯PHEV只有電池參數改變，但由于質量增加，發(fā)動機的燃油經濟性卻下降.可以看出:在未改變控制策略的情況下，并聯PHEV未能更多的利用增加的電能.而串聯PHEV可以在純電動驅動下完成整個循環(huán)，不消耗燃油.

改變電池容量后串、并聯PHEV電池SOC變化和發(fā)動機排放仿真結果如圖7、圖8所示.

表5和圖7、圖8表明，在日常行程范圍內，串聯結構的PHEV對增大電池容量具有良好的適應性.

4 結論

利用前/后向仿真軟件Advisor，對PHEV驅動系統結構進行了仿真研究.仿真結果表明:在設定的控制策略和工況下，選用電池容量較小時，并聯式的整體效率、動力性、燃油經濟性均優(yōu)于串聯式，但當電池容量大幅增加后，串聯PHEV能更好的利用增加的電能，獲得較好的效率和燃油經濟性，隨著電池技術的提高，串聯PHEV在城市日常出行方面也將具有較大發(fā)展?jié)摿?

[1] StevenJenkins，MehdiFerdowsi.HEV to PHEV Conversion Compatibility[C].Harbin:IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC)，2008.

[2] 劉 昕，羅禹貢，付曉丹，等.電動汽車電池容量與充電設施布置調查分析[J].公路與汽運，2011(3):5-7.

[3] Aymeric Rousseau， Sylvain Pagerit.Plug-in Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Parameter Optimization[R].UChicago:Argonne National Laboratory，2008.

[4] Harpreetsingh Banvait，Sohel Anwar，Yaobin Chen.A Rule-based Energy Management Strategy for Plug-in Hybrid Electric Vehicle [C].St.Louis:Proceedings of the American Control Conference，2009.