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0 前言

多年以來，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室一直致力于研究車輛性能和不同類型車輛的控制行為，例如傳統(tǒng)車輛、混合動(dòng)力車輛、插電式混合動(dòng)力車輛和電池動(dòng)力車輛[1-4]。不僅對(duì)正常環(huán)境溫度(22 ℃)和熱機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了分析，而且也對(duì)不同環(huán)境溫度(-7～35 ℃)和冷機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了分析。利用美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)動(dòng)力總成研究裝置(APRF)，用1臺(tái)置于環(huán)境艙中的四輪驅(qū)動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)，在不同熱工況條件下獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。APRF能夠復(fù)制-7～35 ℃范圍內(nèi)的熱狀態(tài)，并且具有日照模擬功能?；诓煌瑹釥顟B(tài)下獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，利用Autonomie開發(fā)并實(shí)現(xiàn)車輛仿真模型。Autonomie是一款具有高可信度、直觀的車輛仿真工具，能夠預(yù)估不同類型的車輛性能，尤其是燃油經(jīng)濟(jì)性。本文從試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，分析了2014款BMW i3增程器(REX)，開發(fā)了包含熱因素的車輛仿真模型。

BMW i3-REX是一種帶有增程發(fā)動(dòng)機(jī)的串聯(lián)插電式混合動(dòng)力(圖1)。其包括1臺(tái)0.65 L直列2缸增程發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)26.6 kW功率的發(fā)電機(jī)、1臺(tái)用于牽引的125 kW功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)以及1個(gè)18.8 kW·h電能的鋰離子電池。由于是增程器車輛(或插電式混合動(dòng)力車輛(PHEV))，在車輛起動(dòng)時(shí)是以電動(dòng)車輛(EV)模式運(yùn)行，當(dāng)荷電狀態(tài)(SOC)降低到設(shè)定狀態(tài)，車輛變?yōu)榛旌蟿?dòng)力車輛(HEV)模式。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)標(biāo)定全電動(dòng)續(xù)航里程為116 km，總行駛里程可達(dá)241 km。

圖1 BMW i3-REX結(jié)構(gòu)

1 部件性能分析

汽車上的零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和車輪的性能均受到多種條件影響，其中包括溫度條件造成的性能變化。部件性能通常是指最大輸出功率、扭矩以及效率。首先將分析這些部件性能以建立車輛的各部分模型。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)部件模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩MAP圖和油耗率MAP圖。油耗率MAP圖受溫度影響。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)，比如冷起動(dòng)時(shí)，油耗率遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高時(shí)的工況(圖2)。油耗率MAP圖包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗率。模型中，通過給定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩可確定發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率。為了根據(jù)溫度應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)特性，在計(jì)算油耗率時(shí)增加發(fā)動(dòng)機(jī)溫度參數(shù)。模型中，用發(fā)動(dòng)機(jī)溫度系數(shù)乘以根據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率[9-10]，并可基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。

圖2 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度獲得發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率

1.2 電池模型

圖3 根據(jù)電池SOC和組件溫度獲得電池內(nèi)電阻

串聯(lián)式PHEV的主要功率源是電池。電池電阻直接與效率相關(guān)，同時(shí)也受溫度影響。電池模型主要與SOC和溫度相關(guān)。圖3顯示了基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)SOC和溫度獲得的電池內(nèi)電阻應(yīng)用圖。其中電池模型的一些變量，如內(nèi)電阻、開路電壓或極化效應(yīng)，均由試驗(yàn)數(shù)據(jù)推出。

1.3 車輪模型

車輪或輪胎模型是另一個(gè)生成準(zhǔn)確仿真結(jié)果的關(guān)鍵模型。這一系統(tǒng)損失極易受溫度影響。因此，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了輪胎阻力系數(shù)變化并將其應(yīng)用于仿真模型。

2 正常工況下的控制分析

首先對(duì)正常溫度工況下的車輛控制進(jìn)行分析。采用的車輛參數(shù)為暖機(jī)狀態(tài)起動(dòng)下，環(huán)境溫度為22 ℃，不使用采暖通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)。

2.1 電量消耗/保持模式控制

處于標(biāo)準(zhǔn)溫度的增程電動(dòng)車輛，首先以電動(dòng)車輛模式驅(qū)動(dòng)，這是所謂的電量消耗(CD)模式。電池SOC降低到設(shè)定值后，車輛轉(zhuǎn)換為電量保持(CS)模式，在該模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行以保持電池SOC處于某一適當(dāng)狀態(tài)。為了檢測(cè)車輛駕駛模式何時(shí)從CD模式轉(zhuǎn)換到CS模式，根據(jù)電池SOC分析車輪輸出功率(圖4)。當(dāng)電池SOC降至16%以下，發(fā)動(dòng)機(jī)無法運(yùn)行。根據(jù)這一結(jié)果確定了電池SOC為16%時(shí)，需要從CD模式轉(zhuǎn)換到CS模式。

圖4 根據(jù)電池SOC獲得車輪輸出功率

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)開/關(guān)控制

在CD模式下，由于車輛作為純電動(dòng)車輛(BEV)運(yùn)行，只有電池提供所需的驅(qū)動(dòng)功率，因此在CD模式無需分析其他運(yùn)行特性。然而，在CS模式下，需要更加復(fù)雜的車輛控制模型以實(shí)現(xiàn)實(shí)際車輛試驗(yàn)結(jié)果。首先需要確認(rèn)的是起動(dòng)和停止發(fā)動(dòng)機(jī)的條件。如圖5所示，當(dāng)電池SOC低于16%時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。此時(shí)存在一個(gè)變化范圍為15.5%～16.0%的電池SOC遲滯區(qū)間。當(dāng)SOC在15.5%以下時(shí)，當(dāng)車速超過20.1 km/h時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。圖6中能夠看出使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的條件。當(dāng)車速降至10.5 km/h以下，使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或停機(jī)是由SOC和車速?zèng)Q定的。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，根據(jù)電池SOC獲得車速

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，根據(jù)電池SOC獲得車速

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，首先需要確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩。由于串聯(lián)HEV中發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛驅(qū)動(dòng)輪解耦，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩可在無限制條件下得以確定。圖7和圖8分別顯示通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分為3個(gè)范圍，包括高速、中速和低速(圖7)。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩分為高扭矩和低扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況由電池SOC、車輛初始起動(dòng)和熱狀態(tài)決定(圖8)。

圖7 根據(jù)車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖8 根據(jù)車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩

2.3.1高SOC模式

CS模式下，當(dāng)SOC高于15.5%，電池?zé)o需充電。由于高SOC模式下電池需要放電，發(fā)動(dòng)機(jī)在中速、低扭矩工況下運(yùn)行(圖9和圖10)。

圖9 根據(jù)高SOC模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

2.3.2中SOC模式

SOC在13.5%～15.5%的中間范圍時(shí)，電池需要保持SOC狀態(tài)。圖11和圖12示出的是中SOC模式下發(fā)動(dòng)機(jī)在中速、高扭矩工況下的運(yùn)行。

圖10 根據(jù)高SOC模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩

圖11 根據(jù)中SOC模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖12 根據(jù)中SOC模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩

2.3.3低SOC模式

當(dāng)SOC低于13.5%時(shí)，電池需要充電以保持SOC處于適當(dāng)狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供較高的功率給電池充電，電池利用發(fā)電機(jī)生成的剩余能量驅(qū)動(dòng)車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速和高扭矩工況下運(yùn)行(圖13和圖14)，處于低SOC模式。

圖13 根據(jù)低SOC模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖14 根據(jù)低SOC模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩

2.3.4初始起動(dòng)運(yùn)行模式

當(dāng)車輛以CS模式起動(dòng)時(shí)，采用的是一種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式。在車輛起動(dòng)后的300 s內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速、低扭矩工況下運(yùn)行(圖15和圖16)。然而，當(dāng)電池SOC低于13.5%，如低SOC模式，發(fā)動(dòng)機(jī)高速和高扭矩的工況則符合低SOC模式規(guī)定。

圖15 根據(jù)初始起動(dòng)運(yùn)行模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖16 根據(jù)初始起動(dòng)運(yùn)行模式下的車速獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩

3 熱狀態(tài)對(duì)控制的影響

熱狀態(tài)如環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度和HVAC運(yùn)行不僅影響到各部件效率，而且影響車輛控制。當(dāng)初始發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低(冷起動(dòng))或使用加熱器運(yùn)行時(shí)，需采用不同控制邏輯以改善燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性或其他性能。

3.1 冷起動(dòng)

當(dāng)車輛進(jìn)入CS模式(SOC低于16%)并且初始發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)保持在工作狀態(tài)直到發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高至85 ℃以上(圖17)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的各環(huán)境溫度工況下均采用這種邏輯控制方法。然而，在進(jìn)行特殊試驗(yàn)確定運(yùn)行工況之前，很難得到精確的發(fā)動(dòng)機(jī)初始溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高至超過85 ℃以后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在CS模式下反復(fù)運(yùn)行，其溫度不會(huì)降低80 ℃以下。

圖17 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行直到發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高至超過85 ℃

3.2 加熱器運(yùn)行

運(yùn)行加熱器時(shí)采用另一個(gè)控制邏輯。由于該車輛只采用電動(dòng)熱敏電阻(PTC)加熱器進(jìn)行機(jī)艙加熱，而加熱器則會(huì)消耗大量電能。因此，電池SOC應(yīng)保持在適當(dāng)范圍。如圖18所示，當(dāng)SOC低于13.5%，發(fā)動(dòng)機(jī)保持低負(fù)荷狀態(tài)，并且加熱器處于運(yùn)行狀態(tài)中。

圖18 加熱器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，當(dāng)電池SOC低于13.5%發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行

運(yùn)行加熱器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不同。環(huán)境溫度低且使用加熱器運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率高于其他環(huán)境溫度工況(如圖19所示)。此外，電動(dòng)加熱器會(huì)消耗大量功率，因而發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)應(yīng)該比在其他工況下提供更大功率。

圖19 在低環(huán)境溫度工況下運(yùn)行加熱器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率高于其他環(huán)境溫度工況

4 模型開發(fā)和驗(yàn)證

基于分析，利用Autonomie建立了車輛模型，包括設(shè)備和控制器。其中發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、牽引電動(dòng)機(jī)、車輪和底盤均建立了熱模型。

4.1 控制模型

根據(jù)對(duì)BW i3-REX控制分析(圖20)開發(fā)了車輛級(jí)控制器。首先，確定驅(qū)動(dòng)模式(CD或CS)。如果在CS模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停機(jī)由車速和電池SOC決定。最后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩由SOC確定。然而，如果發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過低或在低SOC工況下運(yùn)行加熱器，將采用熱控制。

圖20 BMW i3-REX控制分析總結(jié)

4.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

利用Autonomie開發(fā)了BMW i3-REX正向仿真模型，包括部件模型和管理控制器模型(圖21)。為了驗(yàn)證車輛仿真模型，在不同工況下進(jìn)行模擬，詳細(xì)說明見表1和表2。大多數(shù)實(shí)例中，試驗(yàn)和仿真之間的差異小于5%。同時(shí)，電池SOC、油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，以及溫度的試驗(yàn)和仿真結(jié)果一致(圖22)。

表1 城市測(cè)功機(jī)測(cè)試(UDDS)循環(huán)下油耗和最終SOC的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比

表2 高速公路燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試(HWFET)循環(huán)下油耗和最終SOC的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比

圖21 2014款BMW i3-REX車輛結(jié)構(gòu)

圖22 CS模式，溫度22 ℃，UDDS循環(huán)下試驗(yàn)和仿真對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于APRF試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Autonomie開發(fā)了BMW i3-REX車輛仿真模型。首先，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autonomie。其次，在不同熱工況下，利用導(dǎo)入的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各分部件性能。此外，在正常溫度、高溫度和低溫度工況下分析車輛級(jí)控制?；诜治?，開發(fā)了包含熱因素的車輛級(jí)控制器。車輛級(jí)控制器主要包括兩部分：

(1)模式控制：CD/CS模式和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停機(jī)。根據(jù)電池SOC，車輛模型從CD模式轉(zhuǎn)換為CS模式。當(dāng)車輛在CS模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停機(jī)狀態(tài)或EV/HEV模式由車速和熱工況決定。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行目標(biāo)，由于車輛為串聯(lián)HEV，只能決定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行目標(biāo)，即轉(zhuǎn)速和扭矩。根據(jù)電池SOC狀態(tài)和熱狀態(tài)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行目標(biāo)。

最終結(jié)合部件和車輛級(jí)控制器模型，建立了包含熱狀態(tài)影響的車輛仿真模型。結(jié)果是車輛仿真模型能夠預(yù)估車輛運(yùn)行、油耗和電池SOC，與試驗(yàn)之間的差異在大多數(shù)實(shí)例中小于5%，處于多次試驗(yàn)差異范圍內(nèi)。開發(fā)的車輛仿真模型不僅能夠評(píng)價(jià)車輛性能，而且能夠評(píng)價(jià)熱狀態(tài)的影響。