孫貴斌，曹競(jìng)輝，王　耀，馬騰騰，楊云東

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建省客車與特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361024；3.廈門市福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建 廈門 361024)

2017年，世界氣象組織公布的溫室氣體公報(bào)顯示，當(dāng)年全球二氧化碳的平均濃度達(dá)到了歷史最高的水平?？刂破囄矚馀欧乓呀?jīng)成為了汽車生產(chǎn)廠商以及社會(huì)各界迫在眉睫、亟需解決的一項(xiàng)任務(wù)[1]。新能源汽車成為汽車發(fā)展趨勢(shì)。純電動(dòng)汽車由于電池的技術(shù)瓶頸，其發(fā)展受到了制約。而油耗低、排放少、續(xù)航長(zhǎng)的混合動(dòng)力汽車則成了新能源的最佳過渡車型。目前，混合動(dòng)力汽車的構(gòu)型一般分為串聯(lián)式(series hybrid electric vehicle，SHEV)、并聯(lián)式(parallel hybrid electric vehicle，PHEV)和混聯(lián)式(parallel-series hybrid electric vehicle，PSHEV)3種[2]。由于混合動(dòng)力汽車存在兩個(gè)動(dòng)力源，意味著混合動(dòng)力汽車有多種能量分配方式和工作模式，需要一套較為復(fù)雜的控制策略來協(xié)調(diào)整車能量的分配。

現(xiàn)階段，混合動(dòng)力汽車的整車控制方法主要有2種：一種是基于規(guī)則的方法，如邏輯門限值、模糊控制；另一種是基于優(yōu)化的方法，如：龐特里亞金最小值、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。連靜等[3]使用基于邏輯門限值的方法對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行研究，文章利用Cruise軟件搭建整車模型，利用Matlab/Simulink建立邏輯門限值算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真，并降低了油耗，維持了電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的平衡。杜玖玉等[4]使用基于規(guī)則的邏輯門限值的方法對(duì)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究，把發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖分為3個(gè)區(qū)域，根據(jù)不同的工作點(diǎn)劃分汽車的工作模式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制。LIN Chanchao等[5]采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法能量管理策略，把既定的循環(huán)工況離散為N個(gè)階段，選取電機(jī)轉(zhuǎn)矩和變速器檔位指令作為控制變量，電池荷電狀態(tài)和變速器檔位作為狀態(tài)變量，得出了混合動(dòng)力汽車的最優(yōu)控制變量，但是動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法受到工況的制約，計(jì)算量大，難以應(yīng)用到實(shí)際。本文利用Matlab/Simulink建立混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的整車模型，把混合動(dòng)力汽車工作模式分成4種，基于邏輯門限值的思想建立了能量管理策略，簡(jiǎn)化了現(xiàn)有汽車的仿真模型，縮短了混合動(dòng)力汽車開發(fā)過程的前期階段，并通過在城市道路和市郊道路兩種工況下進(jìn)行仿真，對(duì)汽車性能進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證汽車模型的正確性和控制策略的有效性。

1　混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PSHEV結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)采用了行星齒輪作為動(dòng)力耦合裝置，綜合了串、并聯(lián)的組成比例?；炻?lián)與并聯(lián)相比，增加了一個(gè)發(fā)電機(jī)設(shè)置；與串聯(lián)相比，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)與變速機(jī)構(gòu)的機(jī)械連接，但是混聯(lián)式混合動(dòng)力的動(dòng)力系統(tǒng)質(zhì)量和體積都較小，能夠提供和傳遞優(yōu)于其他方案的驅(qū)動(dòng)功率和系統(tǒng)效率。PSHEV可以擁有更多的驅(qū)動(dòng)模式，能適應(yīng)不同的行駛工況需求，并且在一部分工況下可以實(shí)現(xiàn)“零排放”[6]。本文采用混聯(lián)結(jié)構(gòu)中最具代表性的豐田普銳斯THS-II第二代汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2　混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車整車模型的建立

PSHEV的Matlab/Simulink整車頂層模型如圖2所示，其中子模塊包括：drive cycle模塊、driver模塊、control模塊、engine模塊、motor模塊、generator模塊、battery模塊、gear模塊和vehicle模塊。整個(gè)PSHEV系統(tǒng)的信號(hào)流從路面循環(huán)工況開始傳遞。駕駛員根據(jù)道路需求和實(shí)際車速，將踏板命令值傳遞給控制器模塊和車身模塊?？刂颇K根據(jù)整車狀態(tài)，將踏板信號(hào)轉(zhuǎn)化成整車需求轉(zhuǎn)矩合理分配給發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。最后發(fā)動(dòng)機(jī)模塊和電機(jī)模塊經(jīng)過行星齒輪模塊將實(shí)際轉(zhuǎn)矩值輸出到車身模塊。

整車主要參數(shù)如表1所示。

表1　整車主要參數(shù)Table 1　Main parameters of the vehicle

2.1　整車動(dòng)力學(xué)模型

整車動(dòng)力學(xué)模型主要考慮車輛的縱向動(dòng)力學(xué)。與傳統(tǒng)燃油車的整車傳動(dòng)系統(tǒng)基本類似，模型輸入為整車驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)踏板信號(hào)，輸出為車速信號(hào)值。計(jì)算主要依據(jù)輪胎的受力平衡建立汽車行駛方程式，得出實(shí)際車速。

(1)

(2)

式中：Ff為滾動(dòng)阻力；Fi為爬坡阻力；Fj為加速阻力；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；Fw為空氣阻力；Cd為空氣阻力系數(shù)。

2.2　道路循環(huán)工況模型和駕駛員模型

為了模型更貼近真實(shí)，道路模塊采用了具有代表性的城市道路工況FTP75和高速公路工況HWFET，設(shè)置駕駛員模型來模擬實(shí)際行車中駕駛員響應(yīng)。整車模型由循環(huán)工況給出目標(biāo)車速，駕駛員模塊控制實(shí)際車速，對(duì)目標(biāo)車速進(jìn)行跟隨。駕駛員模塊設(shè)置一個(gè)PID控制器，其輸入為需求車速值Vdem和實(shí)際車速值V，通過比較兩者的差值，計(jì)算輸出加速踏板開度信號(hào)值α和制動(dòng)踏板的開度信號(hào)值β，其計(jì)算公式[7]為

(3)

(4)

式中：α為加速踏板開度；β為制動(dòng)踏板開度；Vd為需求車速；V為實(shí)測(cè)車速。

2.3　發(fā)動(dòng)機(jī)模型

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程相當(dāng)復(fù)雜，建模時(shí)許多情況基于假設(shè)，大部分參數(shù)難以測(cè)得，采用理論建模有一定困難，所以現(xiàn)在多通過臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過數(shù)學(xué)模型擬合建立發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性模型，其缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際行駛中多處在不穩(wěn)定工況，臺(tái)架測(cè)試所測(cè)數(shù)據(jù)僅限于發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況[8]。但所得的模型計(jì)算結(jié)果值偏差不明顯，對(duì)本文主要討論的整車經(jīng)濟(jì)性能影響不大。

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，可以得到一系列發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、油耗、功率等數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)制成三維MAP圖，通過式(5)(6)(7)計(jì)算數(shù)據(jù)，建立表格來擬合插值計(jì)算某一工況下的電子節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)矩輸出、燃油消耗率等；式(8)為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗計(jì)算公式。本文所建模型的發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖如圖3所示。

(5)

(6)

be=f(Te,Ne)，

(7)

(8)

式中：Vf為燃油消耗量，單位為L(zhǎng)；ρf燃油密度，單位為g/L；be發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)油耗率，單位為g/kWh；P為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，單位為kW。

2.4　電機(jī)模塊

電機(jī)采用內(nèi)置式永磁式同步電機(jī)。內(nèi)置式永磁式同步電機(jī)體積質(zhì)量小，方便布置，并且效率高，響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩大，有較好的起動(dòng)特性和過載能力。電機(jī)模型也是由電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入建立的。通過實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的關(guān)系，建立電機(jī)的效率關(guān)系，其關(guān)系如式(9)所示。

ηg=f(Ng,Tg)。

(9)

式(9)中：ηg表示同步電機(jī)的效率；Ng表示實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速；Tg表示實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

由電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩查電機(jī)的三維效率圖，求得電機(jī)輸出功率。電機(jī)模塊計(jì)算還包括汽車制動(dòng)時(shí)的發(fā)電轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算公式[9]為

Tm=(T+(Tmmax-T)×Kbrake)×Kbatt。

(10)

式(10)中：Tm為電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)矩；T為滑行發(fā)電轉(zhuǎn)矩；Tmmax為電機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下可產(chǎn)生的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Kbrake為制動(dòng)踏板信號(hào)強(qiáng)度(百分比)；Kbatt為電池電量對(duì)發(fā)電的影響系數(shù)。

2.5　電池模型

電池模型采用鎳氫電池。PSHEV對(duì)電池總?cè)萘康囊笾饕獊碜杂诔掷m(xù)的加速/爬坡工況和續(xù)航里程(純電動(dòng)模式)[10]，電池容量過小會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)為其充電。電池模型實(shí)質(zhì)上是簡(jiǎn)化的理想電池等效電路，電池荷電狀態(tài)SOC計(jì)算公式如式(11)。

(11)

式(11)中：Q表示最大的電池容量，i表示充放電電流。

2.6　行星齒輪機(jī)構(gòu)

行星齒輪結(jié)構(gòu)是混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力的關(guān)鍵傳遞裝置，其結(jié)構(gòu)包括太陽輪、行星輪、外齒圈、行星架。PSHEV的發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，發(fā)電機(jī)與太陽輪相連，電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)軸與外齒圈相連[11]。PSHEV將會(huì)有多種不同的功率流向。發(fā)動(dòng)機(jī)通過行星架將動(dòng)力傳遞給外圈和太陽輪，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩可用來驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車，一小部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向電池組充電。發(fā)電機(jī)可以直接用于給電池組充電，也可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，增加驅(qū)動(dòng)力。行星齒輪采用Simscape預(yù)置模塊搭建。

2.7　控制器模型

控制器模型的精確度直接關(guān)系到了車輛的性能?？刂破髂K接收到駕駛員的踏板信號(hào)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池等各個(gè)部件的狀態(tài)反饋，經(jīng)由整車控制策略的優(yōu)化分配，得到各個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)車輛使其運(yùn)行在高效區(qū)，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)排放目的。結(jié)合電池荷電狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線模式，PSHEV采用規(guī)則的邏輯門限值控制策略，確定PSHEV運(yùn)行模式的切換以及驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊需求轉(zhuǎn)矩值的大小。

PSHEV中，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要?jiǎng)恿υ碵12]，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷的形式提供動(dòng)力。設(shè)計(jì)中應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量減少在低效率區(qū)工作，取消其怠速工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作沿著其最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性曲線。當(dāng)車速達(dá)到30 km/h時(shí)，發(fā)電機(jī)才會(huì)作為起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。另一方面，PSHEV受到一定電池性能方面的制約。電池不允許過充電和過放電，為了提高電池壽命和能量轉(zhuǎn)換效率，確保電池SOC在一定適宜范圍內(nèi)[13]，電池工作在充放電內(nèi)阻較低的區(qū)域，設(shè)置為0.3～0.8，即SOC低于0.3開啟充電模式，SOC大于0.8禁止向電池充電。

基于上述策略設(shè)定，根據(jù)整車運(yùn)行需要，把PSHEV的運(yùn)行模式分為以下4種。

1)純電動(dòng)模式。當(dāng)車速小于30 km/h，且電池SOC>0.3，此時(shí)可由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車，汽車進(jìn)入純電動(dòng)模式。

2)加速/爬坡模式。當(dāng)汽車的需求功率或者負(fù)荷較大時(shí)，汽車進(jìn)入加速/爬坡模式，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作區(qū)間，和電動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)汽車。

3)巡航模式。當(dāng)車輛的需求功率滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)功率區(qū)間時(shí)，電動(dòng)機(jī)不工作，汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

4)制動(dòng)模式。當(dāng)駕駛員進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，汽車進(jìn)入制動(dòng)模式，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)回收制動(dòng)能量。為了消除制動(dòng)踏板小開口的干擾，模型設(shè)置制動(dòng)踏板信號(hào)β>0.05時(shí)，車輛才會(huì)進(jìn)入制動(dòng)模式。

3　混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的仿真與分析

FTP75和HWFET工況可以很好地模擬城市和市郊道路情況。FTP75城市循環(huán)工況適應(yīng)城市道路，包括車輛的駐車、起動(dòng)、加減速等常見工況,相比FTP72多包括了一個(gè)停車10 min后的發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)階段。模型的行駛里程為17.77 km，平均車速為34.1 km/h,持續(xù)時(shí)間為2 478 s。高速公路循環(huán)測(cè)試工況(HWFET工況)行駛里程為16.45 km，平均車速為77.7 km/h，持續(xù)時(shí)間為765 s。FTP75和HWFET工況仿真車速和需求車速對(duì)比圖如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，兩種工況下仿真車速和需求車速基本一致，仿真模型的車速跟隨性較好，表明所建的整車模型是可行的。

3.1　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出

起步和小負(fù)荷工況下，PSHEV工作在純電動(dòng)模式。當(dāng)車速達(dá)到30 km/h時(shí)，發(fā)電機(jī)可以起到燃油車起動(dòng)機(jī)的作用，大轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。由圖6和圖7可知，行車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)多處在高效區(qū)域，油耗較低，使用率較高。在循環(huán)工況的駐車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，避免怠速引起的高油耗。在減速或者制動(dòng)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了-27 N·m左右較小的負(fù)值轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

3.2　電池SOC

SOC變化結(jié)果如圖8、圖9所示，電池SOC在循環(huán)階段保持了平衡，始終工作在允許范圍內(nèi)。由圖8可知：在城市道路行駛時(shí)，由于頻繁的加減速，發(fā)動(dòng)機(jī)多處在關(guān)閉或工作在大負(fù)荷狀態(tài)下，SOC波動(dòng)較大，變化頻繁。由圖9可知：在高速公路行駛起步時(shí)，電池有明顯放電現(xiàn)象，為PSHEV提供足夠的動(dòng)力；進(jìn)入巡航階段后，發(fā)動(dòng)機(jī)的一小部分功率用于給電池充電，SOC在小范圍內(nèi)跳動(dòng)；在工況減速制動(dòng)階段時(shí)，進(jìn)行了制動(dòng)能量回收，電池SOC有明顯上升。

3.3　油耗分析

PSHEV在城市道路和高速公路下進(jìn)行燃油消耗計(jì)算，得出數(shù)據(jù)如表2所示。城市道路下PSHEV百公里燃油消耗為4.876 L,總耗油量為0.536 L，行駛里程17.77 km；高速公路下百公里燃油消耗為1.596 L，總耗油量為0.163 7 L，行駛里程16.45 km。PSHEV與動(dòng)力性相近的燃油車的對(duì)比可知：在城市工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟?？刂撇呗院痛罅康闹苿?dòng)能量回收使得PSHEV的節(jié)油率達(dá)到了37.4%；在高速工況下，PSHEV的發(fā)動(dòng)機(jī)多處在最優(yōu)工作曲線模式下，節(jié)油率達(dá)到了70%。

表2　燃油消耗對(duì)比Table 2　Comparison of fuel consumption

4　結(jié)語

通過對(duì)多種混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式的比較，選擇混聯(lián)式進(jìn)行研究分析。利用Matlab/Simulink的建模工具，建立了混合動(dòng)力汽車的整車模型，子模塊包括：循環(huán)工況模塊、駕駛員模塊、控制器模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、發(fā)電機(jī)模塊、電池模塊、行星齒輪模塊和整車動(dòng)力學(xué)模塊?；谶壿嬮T限制的控制方法提出整車控制策略，依據(jù)設(shè)定規(guī)則和門限值選擇整車運(yùn)行模式并進(jìn)行動(dòng)力分配，把整車運(yùn)行模式劃分為純電動(dòng)模式、加速/爬坡模式、巡航模式和制動(dòng)模式。在城市循環(huán)道路工況FTP75和高速公路工況HWFET下，分別對(duì)整車模型進(jìn)行了整車經(jīng)濟(jì)性能仿真，結(jié)果顯示，所建模型實(shí)現(xiàn)了整車需求轉(zhuǎn)矩的有效分配，百公里燃油消耗在城市工況下比燃油車降低了37.4%，在高速工況下降低了71%，經(jīng)濟(jì)性能得到了很大的改善，驗(yàn)證了所建模型和控制策略的正確性和有效性。

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