牛繼高，周 蘇，2

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092)

前言

純電動汽車具有零排放、高效率、不依賴石油和運(yùn)行安靜、平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。但由于蓄電池的能量密度低和行駛里程短使它尚不能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛相競爭。為了延長電動汽車的續(xù)駛里程，將燃油發(fā)動機(jī)和電機(jī)組成的發(fā)電機(jī)組作為增程器(range extender，RE)，配以合適的油箱，與動力蓄電池一起構(gòu)成動力源。較小功率的RE按行駛工況提供輔助功率或給蓄電池充電，可以有效增加車輛的總續(xù)駛里程［1－4］。增程式電動汽車(extended-range electric vehicle，EREV)可通過充電裝置從電網(wǎng)獲得電能，燃料消耗低，能夠減少大氣污染，降低對石化燃料的依賴和溫室氣體的排放［5－6］。

如何協(xié)調(diào)動力蓄電池和增程器之間的供能是E-REV開發(fā)中必須解決的問題。目前對E-REV的研究主要集中在動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方面［2－3，7］，EREV多采用串聯(lián)式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對串聯(lián)式混合動力汽車(series hybrid electric vehicle，SHEV)的研究主要集中在動力系統(tǒng)參數(shù)匹配和能量管理策略方面。研究表明，采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的車輛可將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工作點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)行，并通過直接起停技術(shù)取消發(fā)動機(jī)怠速，從而提高發(fā)動機(jī)效率，并減少廢氣排放［8－10］。

本文中針對一款E-REV，在研究發(fā)動機(jī)定點(diǎn)能量管理策略的基礎(chǔ)上，以目標(biāo)行程為約束條件，結(jié)合E-REV典型行駛工況，對增程器的開/關(guān)機(jī)時刻進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到進(jìn)一步提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 E-REV結(jié)構(gòu)、參數(shù)和工況

1.1 E-REV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為串聯(lián)式E-REV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，蓄電池作為主動力源，提供一定的續(xù)駛里程Sev，并保證車輛的動力性能和再生制動能量的回收［11］。RE給驅(qū)動電機(jī)提供輔助功率和/或?yàn)樾铍姵爻潆?，以增加續(xù)駛里程。

1.2 用于仿真的E-REV參數(shù)

用于仿真的E-REV基本參數(shù)和性能要求見表1。車輛動力性和續(xù)駛里程要求是E-REV動力系統(tǒng)部件選型的兩個主要指標(biāo)。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，選定了除RE之外的動力系統(tǒng)部件，主要參數(shù)如表2所示［2］。本文中基于這些參數(shù)和性能要求，開展EREV能量管理策略的仿真研究，給出確定RE重要參數(shù)的參考方法。

表1 E-REV基本參數(shù)和動力性要求

表2 動力傳動系統(tǒng)部件主要參數(shù)

1.3 仿真工況的選取

本文中研究的E-REV有短途(如在城市內(nèi))和長途兩種行駛模式，分別對應(yīng)于動力系統(tǒng)的純蓄電池供電模式和RE/蓄電池供電模式。在純蓄電池供電模式下，E-REV只用蓄電池儲存的電能驅(qū)動車輛，可以滿足日常工況的需要。在RE/蓄電池供電模式下，要求E-REV能在低速或高速工況下具有更長的續(xù)駛里程，以滿足長途行駛的需要。因此，為了體現(xiàn)城市和公路兩種典型行駛條件的特征［12］，本文中選用城市工況FTP-72和公路工況HWFET、新歐洲工況NEDC和中國乘用車市區(qū)工況CUDC［13］4種典型循環(huán)工況進(jìn)行研究。

2 發(fā)動機(jī)定點(diǎn)能量管理策略

2.1 發(fā)動機(jī)恒定功率的計(jì)算

E-REV采用定點(diǎn)能量管理策略時，發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)的運(yùn)行完全由蓄電池的SOC來控制，即允許RE在蓄電池SOC高于SOC上限SOCHigh之前輸出設(shè)定的恒定功率，然后，關(guān)閉RE，E-REV零排放純電動行駛。當(dāng)SOC降到其設(shè)定的下限SOCLow時，RE再次起動，輸出恒定功率。由于發(fā)動機(jī)與路面負(fù)荷相脫離和蓄電池的負(fù)荷均衡作用，發(fā)動機(jī)能夠工作在燃油效率較高的恒定工作點(diǎn)［14－16］。

考慮到4種典型循環(huán)工況中HWFET工況的平均車速最高，因此參照該工況來確定發(fā)動機(jī)定點(diǎn)輸出功率Peng。

蓄電池和RE須滿足車輛行駛工況的總能量需求為

式中:Ebatt、ERE和Etotal_req分別為蓄電池輸出能量、RE輸出能量和車輛行駛總能量需求，kJ。

為了求得Etotal_req，可選取E-REV純蓄電池供電模式，在HEFET工況下進(jìn)行仿真計(jì)算。單個HWFET工況下，車輛的總需求能量為

式中:Tcyc為工況時間，s;Pbatt為蓄電池功率，kW;Ebatt_dri、Ebatt_reg和Eacc分別為蓄電池輸出的驅(qū)動能量、回饋的再生制動能量和車輛附件消耗的能量，kJ。

根據(jù)上述分析，發(fā)動機(jī)輸出的恒定功率須滿足:

式中ηgen為發(fā)電機(jī)效率。

根據(jù)式(1)～式(5)，化簡得到發(fā)動機(jī)定點(diǎn)輸出功率 Peng，即

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，F(xiàn)TP-72和HWFET工況下的數(shù)值仿真結(jié)果如表3所示。

表3 市區(qū)和公路工況下的發(fā)動機(jī)定點(diǎn)輸出功率

采用上述方法，F(xiàn)TP-72、HWFET、NEDC 和CUDC 4種典型工況下所需的發(fā)動機(jī)恒定功率仿真結(jié)果分別為6.9、15.5、7.6和5.3kW。從仿真結(jié)果可以看出，市區(qū)工況下的發(fā)動機(jī)恒定功率需求遠(yuǎn)小于公路工況，為了同時滿足市區(qū)和公路工況下的功率需求，應(yīng)根據(jù)HWFET工況來確定發(fā)動機(jī)的定點(diǎn)輸出功率。

2.2 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的選擇

圖2為發(fā)動機(jī)等燃油消耗率曲線。E-REV采用串聯(lián)式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用發(fā)動機(jī)與路面負(fù)荷相脫離的特點(diǎn)，控制發(fā)動機(jī)工作在燃油消耗率低的中高負(fù)荷區(qū)。通過直接起停技術(shù)取消發(fā)動機(jī)怠速，使發(fā)動機(jī)起動后即工作在恒轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)(A點(diǎn))，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為3 000r/min和50N·m，發(fā)動機(jī)輸出恒定功率為15.7kW，能夠滿足HWFET工況下15.5kW的平均功率需求。

2.3 發(fā)動機(jī)定點(diǎn)能量管理策略

發(fā)動機(jī)定點(diǎn)能量管理策略從優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)出發(fā)，兼顧蓄電池SOC的平衡，是比較直接和常用的SHEV能量管理策略。

圖3為20個CUDC工況下，蓄電池SOC和發(fā)動機(jī)功率隨行駛距離的變化關(guān)系。其中，發(fā)動機(jī)恒定功率取15.7kW，蓄電池SOC初值為1.0，為了確保蓄電池性能并延長其使用壽命，増程模式下SOC的充放電區(qū)間取0.3～0.7［17］。從圖3的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)蓄電池SOC下降到0.3時，RE起動，發(fā)動機(jī)在預(yù)定的高效工況點(diǎn)工作，其中一部分功率用于驅(qū)動車輛行駛，剩余部分給蓄電池充電，使蓄電池SOC值持續(xù)升高。當(dāng)蓄電池SOC升高到0.7時，發(fā)動機(jī)停機(jī)，E-REV純電動行駛。如此反復(fù)，直至耗盡油箱內(nèi)的燃油。

3 增程器開/關(guān)機(jī)時刻的優(yōu)化

E-REV 在FTP-72、NEDC、CUDC和HWFET 4種典型工況下，純電動續(xù)駛里程的仿真結(jié)果分別為73.5、61.8、75.6 和 71.9km，能夠滿足不小于 60km的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)E-REV的目標(biāo)行程D大于Sev0時(Sev0表示由蓄電池SOC初值確定的E-REV純電動續(xù)駛里程，該值不大于Sev)，目標(biāo)行程的長短將會影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行時間和開關(guān)機(jī)次數(shù)，進(jìn)而影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。為了充分利用來自電網(wǎng)的蓄電池能量，要求E-REV行駛過程中盡量減少發(fā)動機(jī)開關(guān)機(jī)次數(shù)和行車充電時間。因此E-REV長途行駛時，應(yīng)考慮對RE的開關(guān)機(jī)時刻進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 兩種優(yōu)化方法的比較

圖4為中國乘用車市區(qū)工況下，目標(biāo)行程為90km時，原定點(diǎn)能量管理策略的仿真結(jié)果。

從仿真結(jié)果可以看出，蓄電池SOC下降到0.3(M點(diǎn))時起動發(fā)動機(jī)，SOC到達(dá)0.637(N點(diǎn))時完成90km的目標(biāo)行程。在整個目標(biāo)行程范圍內(nèi)，包含了純電動運(yùn)行和行車充電兩個過程，發(fā)動機(jī)行車充電時間(MN段)為2 244s。

為了盡量縮短發(fā)動機(jī)的行車充電時間，可采用兩種方法對原控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

(1)純電動行駛過程中提前起動發(fā)動機(jī)

圖5為控制策略優(yōu)化后，發(fā)動機(jī)提前開機(jī)的仿真結(jié)果。由圖可見:在純電動行駛階段，當(dāng)蓄電池SOC下降到0.599(A點(diǎn))時即起動發(fā)動機(jī)，在完成目標(biāo)行程的同時，能使蓄電池SOC恰好降到0.3附近(C點(diǎn))。在此過程中，發(fā)動機(jī)行車充電時間為664s，與優(yōu)化前的控制策略相比，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間減少了70.4%。

(2)行車充電過程中提前關(guān)閉發(fā)動機(jī)

圖6為控制策略優(yōu)化后，發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)的仿真結(jié)果。由圖可見:在行車充電過程中，當(dāng)蓄電池SOC上升到0.396(F點(diǎn))時，發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間為605s，同優(yōu)化前相比減少了73%;在隨后的FG段，E-REV純電動行駛，G點(diǎn)的SOC值為0.300 2。

兩種優(yōu)化控制策略均以E-REV的目標(biāo)行程為約束條件，通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)的開/關(guān)機(jī)時刻，使發(fā)動機(jī)給蓄電池充入的電能剛好能在下一次外接充電之前用完。該定點(diǎn)能量管理策略有以下優(yōu)點(diǎn):(1)減少發(fā)動機(jī)的運(yùn)行時間，節(jié)省燃油，減少排放;(2)充分利用蓄電池中儲存的電能，節(jié)約出行成本;(3)便于下一次蓄電池外接充電，充分利用電網(wǎng)電能。

3.2 開/關(guān)機(jī)時刻公式推導(dǎo)

在發(fā)動機(jī)恒定功率確定的情況下，目標(biāo)行程終點(diǎn)處的蓄電池SOC值與初始SOC、循環(huán)工況、目標(biāo)行程長短和充放電區(qū)間等因素有關(guān)。因此，須結(jié)合不同的循環(huán)工況來確定發(fā)動機(jī)的開/關(guān)機(jī)時刻。

用參數(shù)a表示蓄電池SOC從初始值下降到0.3過程中單位SOC的行駛里程;參數(shù)b表示SOC從0.3充電到0.7的行車充電過程中單位SOC的行駛里程;參數(shù)c表示SOC從0.7下降到0.3的純電動行駛過程中單位SOC的行駛里程。FTP-72、NEDC和CUDC 3種工況下，參數(shù) a、b、c的仿真結(jié)果見表4。

表4 不同工況下單位SOC的行駛里程

采用純電動行駛過程中發(fā)動機(jī)提前起動的方法，結(jié)合圖5，則E-REV的目標(biāo)行程為

式中:D為目標(biāo)行程，km;SOC0為蓄電池 SOC初值，%;SOCeng_on為發(fā)動機(jī)提前起動時所對應(yīng)的蓄電池荷電狀態(tài)，%。

根據(jù)式(7)，化簡得到發(fā)動機(jī)提前起動時的SOCeng_on為

采用行車充電過程中發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)的方法，結(jié)合圖6，E-REV的目標(biāo)行程為

D=a(SOC0－30)+(b+c)(SOCeng_off－30)(9)

根據(jù)式(9)，化簡得到行車充電過程中發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)時的SOCeng_off為

式(8)和式(10)僅適用于目標(biāo)行程介于(Sev0，Sev0+Schar+Sev1］的情況。其中，Schar為蓄電池 SOC由0.3充電到0.7時的行車充電行程;Sev1為SOC由0.7降到0.3時的純電動行程。根據(jù)表4中的參數(shù)和蓄電池SOC初值，可以計(jì)算不同循環(huán)工況下的Sev0、Schar和 Sev1。

當(dāng)目標(biāo)行程D大于(Sev0+Schar+Sev1)時，可采用行車充電過程中發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)的方法，對發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時的SOC值進(jìn)行修正。設(shè)發(fā)動機(jī)累積起動次數(shù)為n，則目標(biāo)行程滿足:

根據(jù)式(11)和式(12)，化簡得到發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)時的SOCeng_off為

3.3 優(yōu)化前后仿真結(jié)果的比較

將原有的發(fā)動機(jī)定點(diǎn)能量管理策略和優(yōu)化后的策略都導(dǎo)入在 AVL-Cruise/Simulink中建立的EREV整車前向仿真模型中，進(jìn)行仿真計(jì)算。選取FTP-72循環(huán)工況，蓄電池初值SOC0取0.9，目標(biāo)行程為100km。

根據(jù)表4中FTP-72工況下的 a、b、c數(shù)值，Sev0、Schar和Sev1的計(jì)算結(jié)果分別為63、27.2和37.7km。因此100km的目標(biāo)行程滿足(63，127.9］的條件，可利用式(8)和式(10)對發(fā)動機(jī)開關(guān)機(jī)時的SOC控制參數(shù)進(jìn)行修正。圖7為FTP-72工況下的仿真結(jié)果。

表5為FTP-72工況下，定點(diǎn)能量管理策略優(yōu)化前后，SOC控制參數(shù)的變化情況和發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間的比較。目標(biāo)行程為100km時，由式(8)和式(10)得出發(fā)動機(jī)提前開機(jī)和關(guān)機(jī)時的SOC控制參數(shù)為0.462和0.528，與優(yōu)化前的策略相比，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間分別減少了43.3%和42.4%。通過對NEDC和CUDC工況的仿真分析，也能得到類似的結(jié)果。

表5 FTP-72工況下優(yōu)化前后結(jié)果比較

為了驗(yàn)證發(fā)動機(jī)多次起動的優(yōu)化效果，選取CUDC為仿真工況，蓄電池SOC0取1.0，目標(biāo)行程為220km，仿真結(jié)果見圖8。

由圖可見:整個過程中發(fā)動機(jī)起動3次，在第3次起動后對蓄電池SOC值進(jìn)行修正;當(dāng)SOC上升到0.465時關(guān)閉發(fā)動機(jī)，利用RE給蓄電池充入的電能正好能夠完成后面的里程。與優(yōu)化前的策略相比，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間減少21.4%。

從以上仿真結(jié)果可以看出，在純電動和行車充電過程中，通過控制發(fā)動機(jī)的開/關(guān)機(jī)時刻，可較大程度地減少發(fā)動機(jī)的運(yùn)行時間，因此燃油消耗量和由于蓄電池充放電損失的能量也會大幅度減少。

4 結(jié)論

本文中針對E-REV開發(fā)中的能量管理策略問題，分析了常用的定點(diǎn)能量管理策略，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合E-REV的行駛模式和動力系統(tǒng)特點(diǎn)，以目標(biāo)行程為約束條件，對RE的開關(guān)機(jī)時刻進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種適合E-REV的定點(diǎn)能量管理策略。在選定的循環(huán)工況下，利用AVL-Cruise/Simulink軟件平臺進(jìn)行了仿真。根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)利用串聯(lián)型動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中發(fā)動機(jī)與路面負(fù)荷相脫離的特點(diǎn)，控制發(fā)動機(jī)工作在燃油消耗率低的中高負(fù)荷區(qū)，有利于E-REV盡可能獲得好的燃油經(jīng)濟(jì)性和低的排放。

(2)優(yōu)化后的控制策略，可以根據(jù)不同的循環(huán)工況和目標(biāo)行程對發(fā)動機(jī)的開/關(guān)機(jī)時刻進(jìn)行精確控制，能夠有效減少發(fā)動機(jī)行車充電時間，有利于降低燃油消耗和廢氣排放，同時也便于下一次蓄電池外接充電，充分利用電網(wǎng)電能。

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