馬良君，楊觀賜

(貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550003)

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并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電輔助控制策略仿真分析*

馬良君，楊觀賜

(貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550003)

摘要：以并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，分析了ADVISOR軟件中缺省的并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車現(xiàn)有電輔助控制策略存在的問題，然后對(duì)其主要控制參數(shù)進(jìn)行了修改，最后在ADVISOR軟件中進(jìn)行仿真對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明經(jīng)過修改后的控制策略，電機(jī)效率由原來的38%上升到43%，發(fā)動(dòng)機(jī)效率由原來的22%上升到27%，系統(tǒng)整體效率由原來的10.3%上升到12.1%，綜合油耗由原來的5.8 L/100 km下降到4.9 L/100 km,整車的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性都有了一定的提高。

關(guān)鍵詞:ADVISOR混合動(dòng)力汽車電輔助控制策略仿真

0引言

節(jié)能和環(huán)保已成為當(dāng)今世界的兩大主題，混合動(dòng)力汽車由于其同時(shí)裝備兩種或兩種以上的動(dòng)力源，利用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪，既繼承了純電動(dòng)汽車低排放的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揚(yáng)了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車功率大、續(xù)航里程長的特性，能有效地提高燃油效率，成為解決當(dāng)前環(huán)境污染和能源短缺等問題切實(shí)可行的方案[3,5]。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的仿真軟件主要有：愛達(dá)荷州國家工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的SIMPLEV2.0、大氣環(huán)境有限公司開發(fā)的CarSim2.5.4、德克薩斯A&M大學(xué)開發(fā)的V-Elph、美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的ADVISOR、美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的PAST，以及奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司開發(fā)的CRUISE等[1]。ADVISOR由于其免費(fèi)和源代碼完全開放等優(yōu)點(diǎn)，其用戶數(shù)量最多，目前國際上有許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都使用ADVISOR軟件來作為混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真工具，在混合動(dòng)力汽車開發(fā)的過程中，通過借用仿真軟件來開展工作，可以減少實(shí)車的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省研發(fā)成本[2,7]。本文首先分析了ADVISOR軟件中缺省的并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車現(xiàn)有的電輔助控制策略，然后通過修改電輔助控制策略對(duì)應(yīng)的M文件，重新調(diào)整控制策略的參數(shù)設(shè)置，最后使用ADVISOR軟件完成仿真對(duì)比分析。

1并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電輔助控制策略分析

并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電輔助控制策略是在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和各部件的效率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上而提煉出來的，其設(shè)計(jì)思想是，減少傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，避免“大馬拉小車”的現(xiàn)象，將電機(jī)作為靈活變化的被控部件，在混合動(dòng)力汽車的行駛過程中，隨工況需求變化配合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控，電機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)源對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩起到“削峰填谷”的作用，從而使得動(dòng)力總成能量輸出在滿足汽車動(dòng)力學(xué)要求的同時(shí)，確保電池組SOC維持在合理的范圍內(nèi)，最終使整車獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性[9]。電機(jī)在以下情況下使用[10]：

1)當(dāng)整車車速低于某一最小車速時(shí)，電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輪。

2)當(dāng)車輛需求的轉(zhuǎn)矩超過發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度下所能提供的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，由電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

3)如果需求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩使得發(fā)動(dòng)機(jī)處在低效率運(yùn)行區(qū)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，轉(zhuǎn)矩由電動(dòng)機(jī)來提供。

4)當(dāng)電池的SOC較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供一部分轉(zhuǎn)矩用來給電池充電。

5)制動(dòng)時(shí)，回收制動(dòng)能量，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)給電池充電。

并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電輔助控制策略的主要控制參數(shù)如表1。

表1

變量含義原有控制策略參數(shù)默認(rèn)值cs_hi_soc電池SOC最高期望值0.7cs_lo_soc電池SOC最低期望值0.6cs_electric_launch_spd_lo車輛純電動(dòng)車速下限0cs_electric_launch_spd_hi車輛純電動(dòng)車速上限0cs_off_trq_frac發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)0cs_min_trq_frac發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.4cs_charge_trq發(fā)動(dòng)機(jī)充電轉(zhuǎn)矩0.25*min(fc_max_trq)

從表1中我們可以分析出ADVISOR軟件中缺省的并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電輔助控制策略參數(shù)的默認(rèn)值有不盡合理之處：

1)車輛純電動(dòng)車速的上限參數(shù)cs_electric_launch_spd_hi的值為0，這意味著只有當(dāng)整車車速為0時(shí)才能關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在整車速度需求較低的情況下還在運(yùn)轉(zhuǎn)給整車提供轉(zhuǎn)矩，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低效率區(qū)，在整車需求速度較低的時(shí)候可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低效率區(qū)而帶來的燃油效率不高的問題，所以可以適當(dāng)提高變量cs_electric_launch_spd_hi的值。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)cs_off_trq_frac為0，這說明關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)所需的負(fù)荷率閾值較低，應(yīng)該要適當(dāng)提高變量cs_off_trq_frac的值，使得當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率大于設(shè)定的閾值時(shí)，電機(jī)不獨(dú)立工作。

3)當(dāng)電池SOC小于下限時(shí)，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率閾值可以適當(dāng)?shù)亟档?，因而可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩系數(shù)cs_min_trq_frac參數(shù)的值，這樣做可以給電池增加更多的充電機(jī)會(huì)。

2電輔助控制策略參數(shù)的調(diào)整及仿真對(duì)比分析

2.1電輔助控制策略參數(shù)的調(diào)整

ADVISOR中缺省的并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電輔助控制策略模塊對(duì)應(yīng)的M文件為“/ADVISOR2002/data/control”文件夾中的PTC_PAR.m,本文在其已有的控制策略的基礎(chǔ)上修改其控制參數(shù)：

1)將電池SOC的最高期望值cs_hi_soc由原來的0.7修改成為0.8，當(dāng)車輛在高速行駛的時(shí)候，適當(dāng)提高cs_hi_soc的值可以降低車輛的燃油消耗率[4]。

2)將車輛純電動(dòng)車速上限由原來的0 m/s修改成為3 m/s，當(dāng)車速低于3 m/s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將關(guān)閉，由電機(jī)單獨(dú)給車輪提供轉(zhuǎn)矩。

3)將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)cs_off_trq_frac由原來的0修改成0.3，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率大于0.3時(shí)，電機(jī)不獨(dú)立工作。

4)將發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩系數(shù)cs_min_trq_frac由原來的0.4調(diào)整為0.2，以增加給電池充電的機(jī)會(huì)。

2.2仿真結(jié)果對(duì)比分析

本文重點(diǎn)分析電輔助控制策略的參數(shù)調(diào)整后對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和系統(tǒng)的總體效率以及綜合油耗的影響，進(jìn)行仿真分析的車型為ADVISOR中缺省的并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車PARALLEL_defaults_in，仿真所采用的工況為UDDS市區(qū)循環(huán)工況，仿真結(jié)果如圖1、圖2。

如圖1和圖2所示，在控制策略參數(shù)調(diào)整前電機(jī)的工作效率主要分布在[0,0.7]區(qū)間內(nèi)，而在控制策略參數(shù)調(diào)整之后電機(jī)的工作效率主要分布在[0.1,0.8]之間，電機(jī)的工作效率相比之前有了一定的提高。

如圖3和圖4所示，在控制策略參數(shù)調(diào)整前發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工作點(diǎn)分布在低效率區(qū)，而控制策略參數(shù)調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)有相當(dāng)一部分工作點(diǎn)分布在高效率區(qū)，這表明控制策略的參數(shù)經(jīng)過調(diào)整后，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)更加的理想。

如圖5和圖6，在控制策略參數(shù)調(diào)整前發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率分布在[0,0.35]區(qū)間內(nèi)，而控制策略參數(shù)調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率主要分布在[0.15,0.35]區(qū)間內(nèi)，這表明控制策略的參數(shù)經(jīng)過調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油轉(zhuǎn)化效率有了提高，有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

如圖7和圖8，在控制策略參數(shù)調(diào)整前整車綜合油耗Fuel Consumption 為5.8 L/100 km,而控制策略參數(shù)調(diào)整后整車綜合油耗下降至4.9 L/100 km，這表明發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率有了提高，有利于節(jié)能減排。

如圖9和圖10，控制策略修改前電機(jī)的效率Motor/Controller為38%、發(fā)動(dòng)機(jī)的效率Fuel Converter為22%、系統(tǒng)整體的效率Overall System Efficiency為10.3%，而控制策略修改后電機(jī)的效率為43%、發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為27%、系統(tǒng)整體的效率為12.1%，可見并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電輔助控制策略的參數(shù)經(jīng)過調(diào)整后，其電機(jī)效率、發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及系統(tǒng)整體的效率都有了一定的提高，表明并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的各子系統(tǒng)相比之前都有了更好的匹配，整車的性能有了提高。

圖9　參數(shù)調(diào)整前的系統(tǒng)運(yùn)行效率統(tǒng)計(jì)圖

圖10　參數(shù)調(diào)整后的系統(tǒng)運(yùn)行效率統(tǒng)計(jì)圖

3結(jié)論

本文首先分析了ADVISOR軟件中缺省的并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電輔助控制策略，并指出了軟件中默認(rèn)的電輔助控制策略參數(shù)設(shè)置的缺陷和不足，然后通過ADVISOR軟件對(duì)修改后的電力輔助控制策略進(jìn)行仿真分析并和修改前進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明經(jīng)過修改后的電輔助控制策略，其電機(jī)效率和發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及系統(tǒng)整體的效率都有了一定的提高，整車的綜合油耗下降，為今后對(duì)電輔助控制策略的進(jìn)一步研究提供參考。

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Simulation analysis of electric auxiliary control strategy for parallel hybrid electric vehicle

MA Liangjun，YANG Guanci

Abstract:Taking parallel hybrid electric vehicle as study object, we analyzed the existing problems of the electric auxiliary control strategy of the default parallel hybrid electric vehicle in ADVISOR, modified its main control parameters, and carried out simulation comparative analysis in ADVISOR. The results showed that, after the modification, the motor efficiency increased from 38% to 43%, engine efficiency increased from 22% to 27%, overall efficiency of the system increased from 10.3% to 12.1%, fuel consumption decreased from 5.8L/100km to 4.9L/100km, and the performance and fuel economy of the vehicle was improved.

Keywords:ADVISOR; hybrid electric vehicle; electric auxiliary control strategy; simulation

收稿日期：2015-09-01

通訊作者：楊觀賜(1983-)，男，博士，副教授，主要研究方向：智能系統(tǒng)。

作者簡(jiǎn)介：馬良君，男，湖南湘鄉(xiāng)人，漢族，貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。

基金項(xiàng)目：貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對(duì)象專項(xiàng)資金項(xiàng)目(黔科合人字(2015)13號(hào))，貴州省科技計(jì)劃(黔科合JZ字[2014]2004號(hào)、黔科合高G字〔2014〕4001，黔科合重大專項(xiàng)字(2013)6020)。

中圖分類號(hào)：U469

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0005-04