周能輝，趙春明，辛明華，李 磊，夏超英

(1.天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司，天津 300457; 2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300072)

前言

純電動(dòng)汽車在應(yīng)對(duì)石油短缺和環(huán)境污染方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但其存在價(jià)格偏高和續(xù)駛里程較短的缺點(diǎn)。普通意義上的混合動(dòng)力汽車具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)于減小排放和石油消耗的能力有限。為更進(jìn)一步降低人類對(duì)石油能源的依賴并減少車輛在市區(qū)的尾氣排放，研究人員在對(duì)駕駛員日常行駛里程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后［1］，提出了可外接充電混合動(dòng)力汽車，即插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)。PHEV可通過(guò)充電裝置從供電網(wǎng)絡(luò)獲取電能，在較短的行駛距離(市區(qū))內(nèi)主要通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛，充分利用電網(wǎng)充入的低成本電能，同時(shí)大幅度降低車輛在市區(qū)內(nèi)的空氣污染［2-3］。在較長(zhǎng)距離使用混合動(dòng)力模式，解決了續(xù)駛里程短的缺點(diǎn)。因其突出的節(jié)能減排性能，PHEV已逐漸成為研發(fā)熱點(diǎn)，國(guó)外許多汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)不同布置方式的PHEV進(jìn)行了研究和生產(chǎn)［4］。

由于PHEV存在兩種以上的動(dòng)力源和多種工作模式，且它們之間又存在復(fù)雜的耦合模式，所以必須根據(jù)不同的工況對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理的能量分配，以達(dá)到車輛最佳的動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能［5-6］，因此整車控制策略對(duì)于PHEV的性能起到?jīng)Q定性的作用。

1 賽豹PHEV整車構(gòu)成

1.1 賽豹PHEV整車結(jié)構(gòu)

賽豹PHEV以哈爾濱飛機(jī)制造公司的賽豹轎車為基礎(chǔ)車輛平臺(tái)，其技術(shù)改造主要集中在動(dòng)力系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的配置和二者的動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。賽豹PHEV采用單軸雙離合器并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，用以控制轉(zhuǎn)矩的耦合。由于采用單向離合器，動(dòng)力總成系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩只能由發(fā)動(dòng)機(jī)向電機(jī)方向傳遞，這有效避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖工況，在能量回收方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。采用1個(gè)較小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)DA468QA代替原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其電噴系統(tǒng)經(jīng)重新匹配標(biāo)定，與整車控制器通過(guò)CAN總線交互信息和控制指令，傳動(dòng)系統(tǒng)不變，仍然是原車的手動(dòng)5擋變速器。賽豹PHEV主要部件的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 賽豹PHEV主要部件參數(shù)

整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)主要包括:整車控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、鋰離子電池組及其管理系統(tǒng)和單向離合器(位于發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間)等，如圖1所示。

圖1中整車控制器負(fù)責(zé)整車的轉(zhuǎn)矩管理、分配、故障診斷和保護(hù)等，通過(guò)CAN總線采集電池狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和車輛狀態(tài)等參數(shù)信息，經(jīng)過(guò)控制策略運(yùn)算，給電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩和起停指令，同時(shí)對(duì)電池充放電進(jìn)行控制，防止電池充放電過(guò)流、欠壓、過(guò)放和過(guò)充等。電池管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)鋰離子電池的監(jiān)控和電池荷電狀態(tài)(SOC)的檢測(cè)計(jì)算等，為整車控制策略提供精確的輸入?yún)?shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器負(fù)責(zé)接受整車控制器的轉(zhuǎn)矩指令和停止指令，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)矩的控制。電機(jī)控制器作為另一個(gè)轉(zhuǎn)矩執(zhí)行器，它同樣接受整車控制器的指令，完成對(duì)電機(jī)的控制和狀態(tài)的反饋。

1.2 賽豹PHEV整車控制器

整車控制器為控制策略執(zhí)行的載體，其性能和架構(gòu)將直接影響到整車控制策略執(zhí)行的效果，因此，整車控制器的軟件架構(gòu)參考AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2所示。它包括:微處理器抽象層(IO驅(qū)動(dòng)、通信驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)驅(qū)動(dòng))、ECU抽象層(IO硬件抽象、通信硬件抽象、存儲(chǔ)硬件抽象和ECU板上設(shè)備的驅(qū)動(dòng))、服務(wù)層(實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)、函數(shù)庫(kù)、存儲(chǔ)服務(wù)和通信服務(wù))、復(fù)雜驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)和應(yīng)用層。

整車控制策略如圖3所示，它由駕駛員駕駛意圖解釋、車輛模式管理和能量管理算法3部分組成。在駕駛員駕駛意圖解釋模塊中，整車控制策略通過(guò)鑰匙信號(hào)、擋位位置、純電動(dòng)開(kāi)關(guān)、離合器開(kāi)關(guān)、加速踏板位置和制動(dòng)踏板位置等傳感器捕獲駕駛員的操作過(guò)程，從而得到駕駛員的駕駛意圖。在車輛模式管理中，控制器通過(guò)鑰匙信號(hào)、純電動(dòng)開(kāi)關(guān)、離合器開(kāi)關(guān)和擋位位置等確定車輛所處的工作模式。能量管理算法中，在純電動(dòng)模式，整車控制器只分配電機(jī)的功率;在混合動(dòng)力模式下，能量管理算法根據(jù)當(dāng)前的車輛情況進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的能量分配。

2 整車控制策略

混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，除受到車輛自身各部件的配置影響外，制定和優(yōu)化其控制策略也是保證其良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的關(guān)鍵所在。根據(jù)車輛的功能需求，針對(duì)各部件的特性和汽車的運(yùn)行工況，控制策略應(yīng)能實(shí)現(xiàn)駕駛需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間合理而有效的分配，以及在不同工況下的電池充放電管理，使整車動(dòng)力系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)，從而獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)異的排放狀況和舒適平穩(wěn)的駕駛性能。因此，混合動(dòng)力汽車整車控制策略的開(kāi)發(fā)在整個(gè)車輛開(kāi)發(fā)流程中處于核心地位。

賽豹PHEV根據(jù)純電動(dòng)開(kāi)關(guān)的設(shè)置主要分為兩種運(yùn)行模式:純電動(dòng)模式和混合動(dòng)力模式。當(dāng)電池的電量小于設(shè)定值或出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到混合動(dòng)力模式。

2.1 賽豹PHEV純電動(dòng)模式控制策略

在車輛強(qiáng)制進(jìn)入純電動(dòng)模式下，整車純電動(dòng)模式下控制策略框圖如圖4所示。當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，整車控制器根據(jù)加速踏板的行程計(jì)算出駕駛員所需求的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，結(jié)合計(jì)算出的電機(jī)所允許的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，就能算出初步的整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)電池的狀態(tài)進(jìn)行修正后，就可得出整車純電動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2.2 賽豹PHEV混合模式控制策略

為使車輛的排放狀況與燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳的綜合優(yōu)勢(shì)，整車控制策略根據(jù)電池SOC狀態(tài)來(lái)進(jìn)行整車的功率分配，采用多階段多目標(biāo)的控制策略，來(lái)達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能。根據(jù)不同的功率需求，把整車的功率分配策略劃分為多個(gè)階段，同時(shí)根據(jù)SOC的不同，把整車能量消耗分為SOC消耗型和SOC保持型兩種控制策略。

整車在特定的SOC下的控制策略示意圖如圖5所示。

從圖5可看出，當(dāng)踏板行程小于A1時(shí)，整車進(jìn)入滑行能量回饋狀態(tài)，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，給動(dòng)力蓄電池充電。當(dāng)踏板行程在A1～A2區(qū)間時(shí)，整車的功率需求量較小，如果電池的SOC允許的話，主要使用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，當(dāng)電池的SOC較高時(shí)，其電機(jī)和電池配置完全滿足正常的城市工況，這樣可避免發(fā)動(dòng)機(jī)在較小的功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，此時(shí)完全由動(dòng)力電池提供能源來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。當(dāng)電池電量消耗到SOC較低時(shí)，駕駛員也可利用PHEV的特性，使用外界電源給蓄電池組補(bǔ)償電量，從而充分發(fā)揮PHEV轎車的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)踏板行程在A2～A3區(qū)間時(shí)，整車的需求功率已經(jīng)超過(guò)電機(jī)或電池所能提供的純電動(dòng)功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作，但此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率還未處于最佳的經(jīng)濟(jì)區(qū)域，因而綜合發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的效率，設(shè)定了一個(gè)電機(jī)的發(fā)電區(qū)域，在此區(qū)域，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，讓其盡量處于經(jīng)濟(jì)區(qū)域，超過(guò)整車需求的那部分功率用來(lái)使電機(jī)發(fā)電回饋能量。

當(dāng)踏板行程在A3～A4區(qū)間時(shí)，整車的需求功率正好處于發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)域中，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能都較好，因而只使用發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)整車的能量全部來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)踏板行程在A4～A5區(qū)間時(shí)，整車的需求功率超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)域，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率保存在最大的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域上限，超出的功率部分使用電機(jī)來(lái)彌補(bǔ)，此時(shí)電機(jī)處于助推模式下。

當(dāng)踏板行程超過(guò)A5時(shí)，整車需求功率超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)域上限和電機(jī)的最大助推功率，此時(shí)為保證整車動(dòng)力性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，使整車到達(dá)最大的動(dòng)力性能。

在不同的SOC下，整車的能量控制目標(biāo)又有所不同，踏板行程A1～A6將根據(jù)SOC的值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在SOC比較高的情況下，整車的目標(biāo)為SOC消耗型，純電動(dòng)的功率將增大，踏板行程A2將往后移，整車的充電功率也將減小。在SOC比較低的情況下，為保證整車的動(dòng)力性，并防止電池在低電量下的過(guò)度放電，此時(shí)整車采用SOC保持的控制策略，以發(fā)動(dòng)機(jī)為主導(dǎo)進(jìn)行控制，確保SOC不至于過(guò)低，以保證整車的動(dòng)力性能。

2.3 賽豹PHEV制動(dòng)能量回饋策略

整車控制策略中的制動(dòng)能量回饋策略框圖如圖6所示。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，整車控制器根據(jù)制動(dòng)踏板行程計(jì)算出駕駛員所需求的制動(dòng)強(qiáng)度，結(jié)合計(jì)算出的電機(jī)所允許的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，就能算出初步的整車制動(dòng)回饋轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)電池的狀態(tài)進(jìn)行修正后得出整車最后的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證整車的控制策略，在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的策略標(biāo)定、優(yōu)化和驗(yàn)證。根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在電量較高和電量較低的情況下，以及不同的電量下整車的控制分別執(zhí)行SOC消耗型和SOC保持型兩種不同策略的試驗(yàn)。

3.1 SOC消耗型策略下的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

當(dāng)電量較高時(shí)，執(zhí)行SOC消耗型策略，其ECE工況試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖12所示。

從圖7可看出，整車控制較好地執(zhí)行了這一策略，能充分發(fā)揮PHEV的優(yōu)勢(shì)。

圖8顯示了在SOC較高時(shí)，由于電量足，可滿足在ECE循環(huán)中城市工況下的功率需求，因而在城市工況以純電動(dòng)模式運(yùn)行，它能較好地解決低速情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)排放和經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題。

從圖9可見(jiàn)，在最后的郊區(qū)工況中，由于整車的功率需求較大，當(dāng)車速一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后參與工作，當(dāng)車輛處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，整車的需求功率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)行，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。

從圖10可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)都處于高效運(yùn)行區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)絕大部分集中在燃油消耗率小于290g/(km·h)的范圍內(nèi)，控制策略完成了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率分配。從而使整車的100km油耗為2.4L，此時(shí)電池的 SOC從65%降低到52%，100km耗電8.65kW·h。

圖11顯示了整車在郊區(qū)循環(huán)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的排放數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)排放較高的點(diǎn)都集中在換擋期間，即發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡工況。因而在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了兩種試驗(yàn)的對(duì)比，圖12中A為發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化率為5kW/s時(shí)的試驗(yàn)情況(圖7～圖11表明的試驗(yàn)過(guò)程)，B為發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化率為2kW/s時(shí)的試驗(yàn)情況，數(shù)據(jù)表明了減小發(fā)動(dòng)機(jī)工況的過(guò)渡能明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。同時(shí)B工況實(shí)現(xiàn)了整車的100km油耗為1.5L，此時(shí)電池的SOC從69%降低到56%，100km耗電8.65kW·h，在降低排放的同時(shí)，明顯提高了整車的經(jīng)濟(jì)性能。

3.2 SOC保持型策略下的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

當(dāng)電量較低時(shí)，執(zhí)行SOC保持型策略，其ECE工況試驗(yàn)結(jié)果如圖13～圖16所示。在整個(gè)ECE循環(huán)中，控制發(fā)動(dòng)機(jī)不停機(jī)。

從圖13可看出，整車的SOC基本保持不變(38.2% ～39%)，較好地實(shí)現(xiàn)了這一策略。

圖14顯示了在SOC保持策略下ECE城市循環(huán)中的控制策略執(zhí)行情況。當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時(shí)，整車需求的轉(zhuǎn)矩較小，采用純電驅(qū)動(dòng)模式;當(dāng)整車的功率需求增大，純電動(dòng)功率已較難滿足車輛運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始參與工作(圖中650s)，此時(shí)控制策略提供發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，剩余的功率用于給電池充電，來(lái)維持整車的SOC不至于繼續(xù)降低。

從圖15可看出，由于整車的SOC較低，車輛的動(dòng)力性受到一定的影響，車輛的加速踏板達(dá)到了最大行程。

從圖16可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分工況點(diǎn)處于燃油經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域中，整車100km油耗約為6.0L，相對(duì)于原車的7.9L，油耗大大降低。

為驗(yàn)證怠速停機(jī)對(duì)于整車油耗的貢獻(xiàn)，整車標(biāo)定為車輛停止3s后發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，經(jīng)ECE循環(huán)測(cè)試后得出整車的100km油耗降低到5.8L，此時(shí)SOC從36.6%增加到38.3%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，怠速停機(jī)能達(dá)到3%以上的節(jié)油效果。

在整車能耗分析中取汽油熱值為4.6×107J/kg，密度為 0.73kg/L，電能為 1kW·h=3.6×106J，賽豹PHEV純電動(dòng)續(xù)駛里程為60km，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT19753—2005［7］，按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)把兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均后，整車的100km等效油耗為3.4L，節(jié)能56.7%。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)賽豹PHEV的特點(diǎn)，依照整車的電量和功率需求，提出了一種多階段多目標(biāo)的控制策略，滿足了其控制需求，在不同工況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的合理分配。

(2)當(dāng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化速率后，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排放能得到明顯改善。

(3)采用怠速停機(jī)能降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗大約3%以上。

(4)ECE工況測(cè)試結(jié)果表明，賽豹PHEV整車能量消耗測(cè)試結(jié)果100km等效油耗為3.4L，比原汽油車節(jié)能56.7%。

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