串聯(lián)混合動(dòng)力汽車車載供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

孫逸神，程 偉

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司新能源汽車事業(yè)部，上海 201804)

前言

當(dāng)前社會(huì)面臨愈發(fā)嚴(yán)重的常規(guī)能源短缺和環(huán)境持續(xù)污染兩大問題，向新能源方向轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)。各大汽車公司的新能源戰(zhàn)略主要聚焦在電動(dòng)汽車的研發(fā)，包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。各種新能源汽車的主要特點(diǎn)［1］如表1所示，其中混合動(dòng)力汽車可以兼顧續(xù)駛里程與成本問題，是當(dāng)前階段最接近大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的新能源汽車。

串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)工況與路況完全解耦，因此可使發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行于低油耗、低排放區(qū)域。與其它形式的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)相比，串聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。

車載供電系統(tǒng)作為插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部件，直接影響車輛的節(jié)油效果和能量管理。本文中介紹車載供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配，并通過仿真和臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

表1 各種新能源汽車的優(yōu)缺點(diǎn)比較

1 車載供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［2］如圖1所示。車載供電系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。作為車輛的輔助動(dòng)力單元，車載供電系統(tǒng)可在動(dòng)力電池SOC低時(shí)為其充電，也可在整車有大功率需求時(shí)，與動(dòng)力電池共同驅(qū)動(dòng)車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間采用直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致。

車載供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為:①滿足輸出足夠電功率的需求;②運(yùn)行在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線;③可通過發(fā)電機(jī)快速起動(dòng)。

車載供電系統(tǒng)的輸出功率特性需求由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池共同決定，在此基礎(chǔ)上確定發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。其設(shè)計(jì)原則如下。

(1)發(fā)電機(jī)輸出功率即為車載供電系統(tǒng)的輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍應(yīng)略大于發(fā)電機(jī)輸出功率。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域應(yīng)兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性和NVH性能，而發(fā)電機(jī)的高效區(qū)應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。

(3)為滿足快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，發(fā)電機(jī)應(yīng)具備驅(qū)動(dòng)功能且有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在保證起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，可不要求其具有過載功能。

(4)在滿足車載供電系統(tǒng)功率需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求而提高其工作轉(zhuǎn)速，以提高發(fā)電機(jī)的功率密度，減小發(fā)電機(jī)控制器容量。

將某B級(jí)車設(shè)計(jì)為效率優(yōu)化型的中度串聯(lián)混合動(dòng)力汽車，車速與需求功率曲線如圖2所示。為保證車輛在饋電情況下能以120km/h車速運(yùn)行，考慮各附件的需求功率和一定的功率裕量，設(shè)定車載供電系統(tǒng)的最大輸出電功率為35kW。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，可得車載供電系統(tǒng)的選型和主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 車載供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 車載供電系統(tǒng)建模與仿真

為設(shè)計(jì)驗(yàn)證車載供電系統(tǒng)控制策略，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制器等模型。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型

發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型［3-4］不考慮復(fù)雜的燃燒模型和各缸曲軸轉(zhuǎn)角的差異，而著眼于研究發(fā)動(dòng)機(jī)工作的動(dòng)態(tài)特性。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制的研究中常采用此模型。平均值模型由進(jìn)氣動(dòng)力學(xué)、油膜動(dòng)力學(xué)和曲軸動(dòng)力學(xué)3個(gè)子模型組成。

進(jìn)氣動(dòng)力學(xué)子模型主要描述節(jié)氣門與進(jìn)氣道內(nèi)的空氣流量和壓力狀態(tài)。

油膜動(dòng)力學(xué)子模型主要分析燃油形成蒸氣的過程。從噴油嘴噴出的燃油一部分形成燃油蒸氣與空氣混合進(jìn)入氣缸燃燒，另一部分則附著于進(jìn)氣歧管表面形成油膜，油膜再蒸發(fā)后形成蒸氣進(jìn)入氣缸燃燒。

為方便轉(zhuǎn)矩分配、管理和協(xié)調(diào)，曲軸動(dòng)力學(xué)子模型現(xiàn)多采用基于轉(zhuǎn)矩平衡的動(dòng)力輸出模型。

式中:Jice為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度;Tf為摩擦阻力矩;Tp為泵氣阻力矩;Tload為負(fù)載力矩;ηi為指示熱效率;Hu為燃油熱值。

影響指示熱效率的因素很多，其中主要有點(diǎn)火提前角、空燃比、轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力等。泵氣阻力和摩擦阻力主要由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得。

2.2 發(fā)電機(jī)模型

發(fā)電機(jī)選用永磁同步電機(jī)，數(shù)學(xué)模型［5］為

式中:id、iq為 d、q 軸電流;Lq、Ld為 d、q 軸電感;ud、uq為d、q軸電壓;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;λ為感應(yīng)磁通量幅值;r為定子繞組電阻值;p為極對(duì)數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;F為定子與負(fù)載的摩擦因數(shù);Jgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

發(fā)電機(jī)模型采用矢量控制，其主要模塊如圖3所示，包括dq-abc變換模塊、基于bang-bang控制的電流調(diào)節(jié)器、角度變換模塊和開關(guān)控制模塊。

2.3 控制器模型

車載供電系統(tǒng)由一獨(dú)立的控制器控制，該控制器根據(jù)整車的功率需求指令，協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和發(fā)電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與功率的解耦控制，可快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地輸出電功率，并使系統(tǒng)工作于最佳油耗區(qū)域。

為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)并減少油耗，車載供電系統(tǒng)起動(dòng)后高怠速運(yùn)行一段時(shí)間，直至發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到一定閾值后，再輸出需求功率。在關(guān)閉前，系統(tǒng)在低速低負(fù)荷狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

使用Matlab/Simulink軟件對(duì)車載供電系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。基于Simulink/Stateflow設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制策略，控制器模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。可見在該控制策略下，轉(zhuǎn)速始終跟隨目標(biāo)值，車載供電系統(tǒng)在起動(dòng)和關(guān)機(jī)時(shí)均在低負(fù)荷下運(yùn)行一段時(shí)間，而在正常工作時(shí)能夠及時(shí)穩(wěn)定地輸出需求電功率。

2.4 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析

以某B級(jí)車為平臺(tái)開發(fā)插電串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)表2中參數(shù)，采用Advisor軟件進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真。以連續(xù)9個(gè)NEDC循環(huán)工況為路面負(fù)荷條件，初始SOC值為0.9，采用恒溫器與功率跟隨相結(jié)合的策略，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，使SOC保持在0.4～0.6之間。9個(gè)NEDC循環(huán)工況、SOC值和車載供電系統(tǒng)的輸出電功率如圖7所示。

將消耗的電量折合成油耗后，整個(gè)工況車載供電系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性為100km油耗8.0L。

3 車載供電系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證控制策略的功能和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真的可靠性，進(jìn)行車載供電系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架由車載供電系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電子負(fù)載和控制器組成。

試驗(yàn)結(jié)果如圖8～圖10所示。圖8為車載供電系統(tǒng)輸出功率與目標(biāo)值的對(duì)比曲線，圖9為轉(zhuǎn)速與目標(biāo)值的對(duì)比曲線。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速始終跟隨目標(biāo)值。在暖機(jī)后和卸載前的正常工作狀態(tài)下，車載供電系統(tǒng)輸出功率跟隨目標(biāo)值，超調(diào)量小于3kW，穩(wěn)態(tài)誤差小于1kW。

圖10為車載供電系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行9個(gè)NEDC循環(huán)工況需求輸出功率與實(shí)際輸出功率的曲線對(duì)比。車載供電系統(tǒng)從冷機(jī)狀態(tài)開始持續(xù)運(yùn)行，實(shí)測(cè)燃油經(jīng)濟(jì)性為100km油耗8.1L，與仿真計(jì)算值基本一致。與原車100km油耗10.5L的燃油經(jīng)濟(jì)性相比，應(yīng)用車載供電系統(tǒng)的串聯(lián)混合動(dòng)力汽車可節(jié)油22.9%。

4 結(jié)論

(1)車載供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)既定的各項(xiàng)功能:發(fā)電機(jī)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);實(shí)現(xiàn)工作模式切換;快速準(zhǔn)確地輸出需求電功率;具備一定的故障診斷和處理能力。

(2)應(yīng)用此車載供電系統(tǒng)的串聯(lián)混合動(dòng)力汽車，在NEDC循環(huán)工況下整車燃油經(jīng)濟(jì)性可比原車提高22%以上。

［1］自動(dòng)車マーケティンググループ.2010年版燃料電池自動(dòng)車の現(xiàn)狀と將來性［R］.総合技研株式會(huì)社，2010.

［2］程偉，稅方，路華鵬.插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究［J］.上海汽車，2009(12):8-11.

［3］Elbert Hendricks，Spencer C Sorenson.Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines［C］.SAE Paper 900616.

［4］嚴(yán)明.汽油機(jī)平均值模型的建立及試驗(yàn)研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2009.

［5］Permanent Magnet Synchronous Machine，Matlab Help［G］.1984-2006 The MathWorks，Inc.