黃 欣，陳凌珊

(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，上海 201620)

增程式電動(dòng)汽車(Extended－ Range Electric Vehicle，E－REV)可以解決純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程不足的問題，是作為混合動(dòng)力向純電動(dòng)的一種平穩(wěn)過渡［1］。增程器作為E－REV 的核心部件，其啟?？刂茮Q定了汽車運(yùn)行的工作模式。一方面，相比于汽油，電能價(jià)格較低，因此希望E－REV 盡可能的純電行駛。另一方面，若汽車僅運(yùn)行在純電動(dòng)模式，則又違背了給純電動(dòng)汽車“增程”的初衷。本文分別考慮汽車短途和長途兩種行駛模式，通過優(yōu)化控制策略減少增程器啟停次數(shù)和工作時(shí)間，可達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性和滿足汽車行駛里程的雙重目的。

本文以某款E－REV 為研究對象，基于Cruise建立整車模型，與Simulink 建立的控制策略聯(lián)合仿真，在選定工況下，預(yù)設(shè)汽車行駛里程，并控制電池荷電狀態(tài)SOC(State of Change)在合理范圍內(nèi)變化，通過對比優(yōu)化前后增程器啟停次數(shù)和工作時(shí)間，驗(yàn)證控制策略的可行性。

1 E－REV 參數(shù)及控制策略

以某款E－REV 為研究對象，作者已完成了E－REV 動(dòng)力匹配與性能仿真的相關(guān)研究，本文仿真中用到整車參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)部件參數(shù)可見文獻(xiàn)［2］?？紤]車輛的不同行駛模式，仿真中選用的工況為新歐洲行駛工況(New European Driving Cycle，NEDC)，它是一種模式行駛工況，涉及長時(shí)間的恒速行駛，包含四個(gè)重復(fù)市區(qū)循環(huán)和一個(gè)市郊循環(huán)，理論試驗(yàn)距離10.87 km，時(shí)間1 180 s［3］。

增程器輔助動(dòng)力單元(Auxiliary Power，APU)采用恒溫+功率跟隨控制策略［4］，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械上沒有連接，可以脫離路面負(fù)荷，啟動(dòng)后工作在高效區(qū)域，功率不足的部分由動(dòng)力電池提供。

圖1 反映出恒溫+功率跟隨控制策略的方法。

APU 跟隨不同功率值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在不同的等功率曲線上，且曲線上的工況點(diǎn)都工作在發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線中燃油消耗經(jīng)濟(jì)區(qū)域，把每條等功率曲線上的燃油最低工況點(diǎn)連接起來組成燃油消耗最低曲線，在這條曲線上，發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)按照恒溫+功率跟隨工作模式，APU 在跟隨需求功率的同時(shí)也能保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗經(jīng)濟(jì)性。

2 行駛里程計(jì)算

電池SOC 初值設(shè)為1.0，增程器的原有控制策略為電池SOC 值低于0.3 時(shí)增程器啟動(dòng)，電池SOC 值高于0.7 時(shí)增程器關(guān)閉。設(shè)定汽車行駛里程為D，單位km。定義行駛里程容量比概念，公式為:汽車行駛里程/電池SOC 變化量，單位km/%，可反映電池單位SOC 的行駛里程。用參數(shù)λ1、λ2、λ3分別表示電池SOC 從初值下降到0.3、增程器開啟后SOC 從0.3 充電到0.7、純電動(dòng)行駛SOC從0.7 下降到0.3 的里程容量比，其中，汽車到達(dá)目標(biāo)里程的前一段時(shí)間工作在純電動(dòng)模式可由目標(biāo)里程長度決定。

設(shè)整個(gè)行駛過程中增程器啟動(dòng)次數(shù)為n，則行駛里程為D為

式中:SOCt表示汽車到達(dá)目標(biāo)里程停車時(shí)電池SOC 大小。其中，增程器未開啟時(shí)間內(nèi)，E－ REV以純電動(dòng)行駛的距離d為

則在整個(gè)行駛過程中，E－REV 以純電動(dòng)行駛的距離占總目標(biāo)里程比ε 為

相比燃油價(jià)格，電能價(jià)格低廉，且不會(huì)帶來排放問題。因此，在汽車整個(gè)行駛過程中因盡量增加純電動(dòng)里程，即盡量使比例ε 增大?？刂撇呗酝ㄟ^電池SOC 值控制增程器啟停，一方面，為了避免電池深度放電而導(dǎo)致電池壽命降低，設(shè)定的SOC 下限值不能過小;另一方面，若單純縮小電池SOC 的變化范圍，又會(huì)導(dǎo)致增程器啟停頻繁，在發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)排放較多且振動(dòng)較大，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性下降［5］。因此，本文優(yōu)化策略的核心思想是合理控制電池SOC 值的變化范圍，同時(shí)減少增程器的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，以增加全里程內(nèi)純電動(dòng)行駛里程的比例。

3 控制策略優(yōu)化

3.1 短途模式

原有的控制策略中電池SOC 值的變化范圍為0.3～0.7。本文設(shè)置的短途行駛距離為90 km，在短途模式下，可以通過提前開啟或提前關(guān)閉增程器來減少增程器的運(yùn)行時(shí)間，此種優(yōu)化策略縮小了電池SOC 值的變化范圍，到達(dá)目的地時(shí)電池SOC 值剛好到達(dá)設(shè)定的下限值，保證車輛停止后能及時(shí)利用外接電源充電。如圖2～圖3所示，增程器提前開啟和提前關(guān)閉時(shí)，純電里程都有所增加，根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算，ε 提高了13.3%。

3.2 長途模式

短途模式中的優(yōu)化思想不能簡單應(yīng)用于長途行駛模式，縮小電池SOC 值變化范圍能使增程器的單次工作時(shí)間減少，但會(huì)導(dǎo)致增程器的啟停次數(shù)增多，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間變長，長途行駛時(shí)不能達(dá)到優(yōu)化目的。因?yàn)殡姵豐OC 直接決定了汽車純電動(dòng)續(xù)駛能力，基于上述思想，提出新策略如下:延長E－REV 行車充電時(shí)間，以換取下一次較長的純電行駛里程，雖然增程器單次工作時(shí)間延長，但在整個(gè)行駛過程中累計(jì)運(yùn)行時(shí)間變短，并可以減少增程器啟停次數(shù);在增程器最后一次運(yùn)行時(shí)可提前關(guān)閉，之后汽車以純電動(dòng)行駛到達(dá)目標(biāo)里程，且保證到達(dá)目標(biāo)里程時(shí)SOC 值≥0.3，避免電池深度放電，使車輛停止后能及時(shí)利用外接電源充電。汽車行駛里程、電池SOC 初值、下限值和(1)～(3)式中條件不變，優(yōu)化后設(shè)SOC 上限值為SOC1，增程器最后一次運(yùn)行提前關(guān)閉時(shí)SOC 值為SOC2，有下式

目標(biāo)里程D為已知條件，到達(dá)目標(biāo)里程時(shí)SOC 值等于0.3，SOC1和SOC2滿足關(guān)系式(4)，可通過仿真計(jì)算來調(diào)整它們的大小以滿足行車?yán)锍?。預(yù)設(shè)汽車長途行駛里程為300 km，選定NEDC 工況，在原有的控制策略下，仿真結(jié)果如圖4所示。

在Simulink 中導(dǎo)入新的控制策略，將模型轉(zhuǎn)化成dll 文件與Cruise 進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過計(jì)算調(diào)整SOC 變化范圍值，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示。

通過仿真，在滿足在目標(biāo)里程約束條件下，結(jié)合式(4)計(jì)算并調(diào)整SOC1和SOC2值，最終得到的SOC1和SOC2值分別為0.823 和0.710，參數(shù)λ1、λ2、λ3分別為1.06、0.46、1.04，優(yōu)化前后結(jié)果對比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后對比 (%)

由上表可知，新策略同時(shí)完成了增程器啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化，在行駛過程中增程器啟停次數(shù)減少一次，運(yùn)行時(shí)間減少，純電動(dòng)里程增加。因此，汽車行駛經(jīng)濟(jì)性和排放性能得到了提升。

4 結(jié)束語

以某款E－REV 為研究對象，以目標(biāo)里程和電池SOC 值為約束條件，分別提出了短途和長途行駛模式下增程器啟?？刂频男虏呗?，并通過Cruise/Simulink 聯(lián)合仿真驗(yàn)證了策略的可行性，達(dá)到了優(yōu)化目的。但是，本文提出的新控制策略受目標(biāo)里程和行駛工況的影響較大，目標(biāo)里程和行駛工況改變時(shí)可能達(dá)不到優(yōu)化效果，但本文為汽車常用路徑和工況行駛下［6］的控制策略提供了理論研究基礎(chǔ)。

［1］TATE E D，MICHAEL O H，PETER J S.The electrification of the automobile:from conventional hybrid，to plug－in hybrids，to extended－range electric vehicles［C］//SAE，2008(58):1－4.

［2］黃欣，陳凌珊.基于Cruise 的增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力匹配與性能仿真［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，(5):56－60.

［3］李孟良，朱西產(chǎn)，張建偉，等.典型城市車輛行駛工況構(gòu)成的研究［J］.汽車工程，2005(5):557－560.

［4］陳長紅.增程式電動(dòng)汽車控制策略的研究［D］.錦州:遼寧工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］張博彥，雷艷，周大森.混合電動(dòng)車輔助動(dòng)力系統(tǒng)噪聲控制［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2005(6):64－66.

［6］于瀛霄，張煒航，王天利.常用路徑及工況下增程式電動(dòng)汽車能量控制策略研究［J］.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(4):104－107.