插電式混合動力車基于最佳燃油效率的能量管理策略及仿真分析

周瑋

（河北工業大學機械工程學院，天津 300130）

前言：插電式混合動力汽車可以利用夜間的市電低谷進行充電，平時在市區行駛時可以以純電動方式工作，完全不消耗燃油，有效降低使用成本和污染。而當行駛距離較長或需高速行駛時，又可以像普通混合動力汽車一樣，通過發動機來提供主要動力輸出。文中介紹了一種以最佳燃油效率為基礎的PHEV能量管理策略，并在Cruise所建立的車輛模型環境中對策略進行了仿真，最后與傳統車輛的仿真結果進行了比較分析。

1 PHEV工作模式介紹

本文中的驅動控制策略包括以下三種驅動模式：

1.1 純電動模式：插電式混合動力汽車由于可以外接充電，所以其可用純電動模式行駛。在電量充足且電機功率滿足需求的條件下，該車均工作于純電動模式。

1.2 傳統模式：在某些情況下，需要發動機單獨驅動車輛行駛。比如在較高車速下，發動機工作在高效負荷區，而此時電池電量又比較充足無需進行充電，為了保持整個系統的高效，僅需發動機單獨工作。另外，當電驅動系統出現故障時，為了保證車輛能夠繼續行駛，也要求發動機單獨驅動車輛。

1.3 混合模式：當電池電量較低或車輛需求功率較大時，車輛工作于混合模式中，根據需求轉矩與發動機工作于高效區時發出的轉矩進行比較，混合模式又可以分成以下幾種子模式：

1.3.1 電動助力模式：為了使發動機的工作區域穩定在高效區，需要電機對功率不足的部分進行補償。隨著車速的升高，電動機達到最大輸出功率后，則發動機不再保持在高效區域工作，而是提高輸出功率，此時控制策略優先保證滿足車輛的功率需求。

1.3.2 混合發電模式：在此模式中，驅動控制策略根據駕駛員的油門踏板信號來計算驅動車輛所需的功率，然后計算當前轉速下發動機的最佳效率工作點，當需求功率小于發動機最佳工作效率點處所發出的功率時，驅動控制策略計算此時發動機最佳效率點處的功率與需求功率的差值，并根據現在的電池與電機狀態計算此差值經過一輪充放電循環后，可以保留的有效功，進而計算這種情況下的單位燃油效率，其結果與發動機僅產生當前需求功率時的燃油效率進行比較，如果電機進行多余能量回收時燃油效率高，則令發動機工作在最佳效率點處，電動機對多余能量進行回收，否則令發動機單獨驅動車輛，電動機不進行能量回收。

2 使用Cruise進行仿真

圖1 （Cruise中建立的整車模型）

Cruise是由AVL公司發布的一款整車性能仿真分析軟件，其自帶多種車輛標準零部件模塊，通過拖放的方法可以迅速建立車輛的整車模型，并對其進行動力性和經濟性仿真。并可與Simulink軟件進行通信，方便使用Simulink建立控制策略模型。圖1是本文使用Cruise3.0建立的PHEV整車模型。該車具有發動機和電機兩套動力裝置，采用并聯式結構，發動機和電機可以分別或同時驅動車輛。發動機通過超越離合器與電機機械連接。由于超越離合器只能單向傳遞扭矩（從發動機向電動機）所以當由電機單獨驅動車輛時，電機無需反拖發動機，減少了無謂的能量消耗及機械磨損。模型中發動機參數為1.1L、額定功率48kW，電機最大功率25kW，電池組容量330V/22Ah。

本文中為了表現車輛在行駛時，各個部件的工作情況，特地選取了代表車輛的中高速行駛的EUDC工況，可以反映PHEV在混合工作模式下的表現；以及代表市區內行駛的UDC工況，可以反映PHEV在城市內以純電動模式行駛時的表現。

PHEV與對照的傳統車輛在EUDC工況下的發動機工作點分布見圖2。

圖2 發動機工作點分布

從圖中我們可以看出，在動力電池電量充足的條件下，插電式混合動力汽車發動機的工作點主要分布在高效區，范圍集中，工作轉速范圍在2000～3500轉之間。低速時，發動機不工作。在EUDC循環工況中，發動機僅有28.39%的時間工作。在怠速和低速工況時，控制策略能夠成功關閉發動機。而傳統車輛的發動機工作點分布較為分散，工作轉速范圍較寬。車輛有12.96%的時間處于怠速狀態，且有43.3%的時間工作在低負荷區域，這對發動機的燃油經濟性有很大的影響。從仿真結果來看，在EUDC工況下，PHEV與同排量的傳統車相比，燃油消耗降低21.05%。

而在UDC工況中，最高車速為50km/h，可以用來測試插電式混合動力汽車平時的主要工作模式--純電動模式。從仿真結果來看，當PHEV工作在純電動模式下時，與傳統汽車相比可以顯著降低油耗，等效百公里油耗僅有1.59L，降低了78.24%。體現出了巨大的節能優勢。按照現在的93號汽油6.56元/升的價格來計算，傳統車每百公里燃油成本為50元；PHEV在純電動模式下行駛時百公里耗電14.586度，按當前0.49元每度的電價計算，考慮充放電損失，成本約在10元/百公里左右。

表1 循環工況油耗對照表

總結。根據仿真結果可以看出，本控制模型可以有效降低車輛的油耗。但尚存在一些不足：當車速波動時，可能造成發動機頻繁啟動；控制策略對發動機等的實驗數據要求較高，并且無法及時反應參數的變化，導致控制效果降低；本策略計算量較大，需要使用成本較高的芯片。

因此本策略尚有改進空間：加入發動機起動頻率的控制，減少發動機短時間內起動的次數；加入道路預判斷功能，優化發動機的工作時間；加入參數自動校正功能。

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