雙電機串聯驅動PHEV能量管理策略研究

金士偉，馬超，閆德超，高潔

（山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255000）

前言

隨著全球能源短缺，環境污染問題愈加嚴重，新能源汽車的普及與推廣便顯得更為重要。插電式混合動力汽車作為由傳統燃油車到純電動汽車的過渡方案[1]，在電池技術瓶頸尚未突破之前，相對純電動汽車有著長續駛里程的優勢；同時其與燃油車相比，節能效果又顯著提高。因此，插電式混合動力汽車有著較好的研究意義。為了使插電式混合動力汽車充分發揮其特點和優勢，其動力系統的構型[2-4]與能量管理策略[5-7]的研究便顯得極為重要。本文提出一款以行星齒輪動力耦合機構為基礎的雙電機PHEV構型，該結構實現多種工作模式，避免了功率冗余現象，經濟性提升顯著。

1 整車構型與動力學特性分析

1.1 整車構型

本文所提插電式混合動力汽車構型，如圖1所示。其構型主要由電機1、電機2、發動機以及行星齒輪機構組成。其中，電機1與行星齒輪機構太陽輪相連，電機2與齒圈相連。以電量消耗優先原則，在蓄電池電量充足時，實現了電機 1驅動，電機2驅動和雙電機轉速耦合驅動三種純電動模式；在電量不足時，離合器處于分離狀態，發動機帶動ISG電機（啟動發電一體機）實現行車發電，為車輛的行駛提供所需能量。

圖1 整車構型圖

1.2 動力學分析

利用杠桿分析法，系統各工作模式動力學特性分析如下。

純電動模式：電機1單獨驅動時，齒圈鎖止，動力由太陽輪輸入，行星架輸出，式（1）-（2）所示；電機2單獨驅動時，太陽輪鎖止，動力由齒圈輸入，行星架輸出，式（3）-（4）所示；雙電機轉速耦合驅動時，電機 1，電機 2同時工作，電機1作用于太陽輪，電機2作用于齒圈，動力經耦合后，再由行星架輸出，其動力學關系如式（5）-（6）。

式中：T為扭矩；ω為轉速；c為行星架；zr，zs分別為行星齒輪齒圈與太陽輪齒數；i1為電機2到齒圈的減速比。

混動模式（串聯模式）：當動力電池電量不足時，驅動車輛動力仍由電機1與電機2提供，其動力學關系如上式（1）-（6），此時 ISG電機啟動發動機，發動機帶動 ISG電機發電，給蓄電池補充能量，實現串聯驅動。與純電動模式類似，串聯驅動模式同樣有電機1與發動機組合，電機2與發動機組合驅動，雙電機轉速耦合下的串聯驅動三種模式，其中發動機與ISG電機轉速轉矩關系如下。

式中：isg為 ISG電機；eng為發動機；iisg為發動機到ISG電機的減速比。

再生制動模式：制動時，以上電機根據對應工作模式，分別工作于發電狀態，將減速過程中的能量儲存在蓄電池當中；當需求制動力較高時，采用機械制動與再生制動相結合的聯合制動方式。

2 控制策略搭建

2.1 整車參數選取

本文著重于動力學特性以及控制策略的分析，鑒于參數匹配方面已有較多詳細的研究，不再贅述。根據整車動力性經濟性指標選取整車參數如表1所示。

表1 整車參數表

2.2 整車控制策略

基于雙電機串聯驅動構型的多種工作模式：純電動模式（電機1，電機2，以及雙電機轉速耦合），串聯驅動（電機1，電機2，以及雙電機轉速耦合）以及再生制動等工作模式。建立基于規則的邏輯門限值能量管理策略如下。

圖2 整車控制策略流程圖

如上圖2所示，當車輛不處于驅動狀況下，檢測需求制動力Freq_b是否小于電機制動力Fm_b，當電機制動力能滿足需求制動力時，采用再生制定模式；否則，采用聯合制動模式。SOCmin為電池電量最低值，當低于0.3時，此時該車輛由純電動模式轉變為串聯驅動模式，v1，v2為兩個速度切換閾值。

3 仿真結果與分析

在整車參數與控制策略確定后，基于MATLABSimulinkStateflow平臺搭建整車模型與控制策略，將選取數據輸入模型，運行模型。

圖3 車速跟隨與電池SOC狀況圖

設置電池初始SOC為0.8，此時電量較高為純電動驅動，在NEDC工況下，其仿真車速與電池SOC狀態如圖3，電機扭矩狀態如圖4。

在圖3中，車速跟隨狀態較好，電池SOC總體呈下降趨勢。工況車速減速時，電池SOC略有上升，制動能量回收有效；車速較高時，車輛需求功率變大，電量損耗較多，電池SOC下降較快。如圖4所示，電機扭矩隨車速變化呈交替作用，當車速較高時，雙電機同時工作，為車輛提供所需動力，間接證明了模型與能量管理策略的正確性。

圖4 電機轉矩圖

4 結論

該構型避免了傳統單電機混合動力汽車模式單一，效率低下問題。提出雙電機構型，并且采用大小不同兩個電機，使該構型車輛在面對不同工況下，盡可能高效運行，減少了功率冗余。基于 MATLABSimulink建立基于規則的能量管理策略，實現了合理的模式轉換，能有效提升整車經濟性，具有較好的研究意義。