插電式混合動力整車能量管理控制策略*

李貴炎， 魯植雄

(1. 南京林業大學 汽車與交通工程學院， 南京 210037； 2. 南京交通職業技術學院 教務處， 南京 211188； 3. 南京農業大學 工學院， 南京 210031)

整車能量管理控制策略主要目標為依照每個構件的效率特征，在發動機及電機之間把能量完成適當的分配，從而使系統能夠獲得最佳的效率[1].管理控制策略能夠在很大程度上對插電式混合動力汽車的整車經濟性產生影響，因為插電式混合動力汽車能夠運用外部電網完成充電，為了最大程度獲得相對小成本的能量，能量管理控制策略中最基本的就是以電為主[2].然而車輛在實際行駛中，工況等因素對整車燃油經濟性產生非常大的擾動，這也使得對其能量管理控制策略的要求越來越高.

目前，大部分控制策略都是依照極小值原理及動態規劃等方式來獲取全局最優[3]，如基于瞬時優化的能量管理策略，其實際上是把電機的能量損耗轉化成相對一致的燃油消耗，加上發動機油耗稱作名義油耗，同時以各時刻的極小值當做控制目標完成扭矩分配.該方法雖然可完成實時最優控制，然而其并不等同于全局最優，并且運算量以及成本都非常高.全局最優化在整個運行范圍中搜索相對更優勢的方式，同時利用最優化方法及控制理論完成各時刻的扭矩分配，然而該方式務必要提前知道車輛實際行駛路況以及交通信息，這在很大程度上提升了其實現難度.本文以插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)作為研究對象，對其整車能量管理控制策略進行了研究分析.

1　整車能量管理策略方案

運用規則控制對整車能量管理控制策略進行研究分析，其總體方案結構如圖1所示.

圖1　整車能量管理控制策略Fig.1　Vehicle energy management control strategy

圖1中APS及BPS分別為加速及制動踏板信號，v為此時此刻汽車的行駛速度，Treq為整車所需要的扭矩，Pm及PT分別為模式控制及扭矩分配參數.管理控制工作流程如下：

1) 依照加速及制動踏板信號，同時參照此時運行速度獲得其所需要的扭矩Treq；

2) 根據已知的里程以及行駛工況信息確定Pm及PT；

3) 根據當前車輛信息、Treq及Pm明確整車的工作主、子模式；

4) 根據PT明確傳遞給發動機、驅動及混合動力電機扭矩命令.

一般情況下，依照發動機外特性明確驅動力和運行速度的關系(如圖2所示)，連接每個擋位驅動力曲線的外包絡線即可得到理想情況下的整車驅動力曲線.根據日平均行駛里程自適應方式獲得已知里程信息，利用混合動力控制單元完成日行駛里程的記錄，同時計算其平均值.

2　控制策略

依照行駛里程以及工況信息完成能量管理控制策略的優化，能夠在很大程度上展現插電式混合動力汽車雙動力源的長處，從而獲得相對更加優良的燃油經濟性.全局優化根據行駛里程以及工況信息選擇更加合適的電網充入電能分配方案，進而使電池荷電狀態(state of charge，SOC)在達至終點時恰好能夠減小至極小值.然而隨著行駛里程的進一步升高，僅僅依賴把從電網充入的電能相對比較均勻地分發至全程無法實現相對更加優良的經濟性，因此，務必搜索相對更加完善的控制策略.本文使用的插電式混合動力汽車參數如表1所示，采用行駛里程擇取能量管理的主策略，隨后再依照工況完成優化，其控制策略如圖3所示.

依照汽車的行駛里程，將主策略分成電驅動、平均分配電能[4]、先電能消耗[5](charging of depleting，CD)后電能維持[6](charging of sustaining，CS)等3個策略.將電機能夠最大程度的驅動汽車CD階段續駛的里程稱為CDR[7](charge depleting range).經過慢慢縮減純電動范圍，同時最大程度地制約電機最高輸出扭矩，進而控制電池SOC的下降速度，使其能夠最大程度地增加CD階段的里程.不同純電動區間下的油耗對比如圖4所示.

表1　汽車參數Tab.1　Vehicle parameters

圖3　控制策略Fig.3　Control strategy

圖4　不同純電動區間下油耗分析Fig.4　　　　Fuel consumption analysis in different pure electric ranges

根據圖4可知，當里程相對較短時，原純電動范圍下的經濟性相對來說最佳；隨著里程的逐漸升高，運用相對更低純電動范圍能夠得到相對更佳的燃油經濟性；相對最優的純電動范圍隨著里程的逐漸升高而慢慢變小.

使用縮減純電動范圍的方法得到的最佳燃油經濟性的成效隨著汽車里程的逐步升高而慢慢減弱，直到與原策略[8](在不同的工況及行駛里程下，均以CD階段以電為主、CS階段電量維持的控制策略)的油耗基本一致.另外，如果純電動范圍相對很小，那么將導致無法最大程度地發揮電機在低速范圍的驅動優勢，將此時臨界純電動范圍相應的CD階段續駛里程稱為CDR′[9]，其具體劃分如圖5所示.

策略1最大電能驅動(S

圖5　控制策略分類Fig.5　Control strategy classification

策略2電能平均分配(CDR

策略3CS模式(S>CDR′).如果行駛里程超過CDR′后，繼續縮減純電動范圍反而不會提升燃油經濟性.行駛里程低于CDR′時以消耗電能為主，純電動區間與策略2中達到CDR′時的臨界純電動區間相同，純電動范圍低至CDR′臨界限時，SOC減至極小值，高于CDR′后整車進至CS階段，以維持SOC為主.

3　實驗結果分析

運用Matlab/Simulink構建控制策略實驗平臺，設計了有代表性的城市上下班、近途及遠途[10-11]3種行駛方式對該控制策略效果進行檢驗.運用表1的汽車參數在CD階段以最大電能驅動車輛，CS階段關鍵運用發動機，然后輔用電機維持SOC基本穩定不變.

1) 城市上下班工況.該工況平均車速及總里程分別是15.21 km/h及27.78 km，依照策略劃分擇取主策略1，原策略與現策略對比仿真實驗結果如圖6所示.

圖6　城市短途工況對比Fig.6　　　　Comparison under city short-term operating conditions

根據圖6可知，該工況下原策略與現策略相比其油耗及SOC改變基本一致；該工況下有時會出現扭矩相對較大的狀況，這時就要使用發動機，同時于第一次運轉后會完成一段時間的熱機，其消耗燃油0.14 L左右.

2) 近途工況.該工況是在城區的擁擠路況與快速路工況交錯復合的狀況下構成的，在這種路況下，平均的行駛速度以及總里程分別是20.56 km/h及75.58 km，因此需要選擇策略2，其實驗結果對比如圖7所示.

圖7　近途工況對比Fig.7　Comparison under suburban operating conditions

根據圖7可知，該控制策略能夠使得SOC在行駛至里程終點時剛好減至最小值，從而確保汽車全部運行在CD階段；與原策略的油耗值相比，該控制策略的全程75.58 km總油耗在很大程度上小于原策略，其由3.0 L縮小至2.5 L.在中等長度的行駛條件下，該控制策略能夠相對更好地節省總里程油耗.

3) 長途工況.其是由城市擁擠、城郊快速路及高速公路工況復合構成，其平均行駛速度及總里程分別是35.16 km/h及174.04 km.依照策略劃分使用主策略3，汽車起始以相對低的純電動區間運行，若電池的SOC值縮小至其下限值則開啟CS階段電能維持模式，其實驗結果對比如圖8所示.

根據圖8可知，原策略在初始階段，為了更大限度地運用電能，SOC相對縮減速度很快，從而相對更快進至CS階段，而該控制策略相對來說行駛至更遠的里程進至CS階段；該控制策略行駛全程174.04 km的總油耗在很大程度上小于原策略，其由8.0 L縮小至7.5 L，節油率達到了6.25%.

圖8　長途工況對比Fig.8　　　　Comparison under city long-term operating conditions

4　結　論

本文針對插電式混合動力汽車，根據已知里程及工況信息完成能量管理策略設計，并提出了基于行駛工況自適應的3種控制策略.通過構建的Matlab實驗平臺完成了對整車能量管理控制策略的分析，結果表明：控制策略能夠在很大程度上依照道路及車輛信息擇取當前最佳的工作模式；控制策略可以依照不同的行駛距離及工況擇取相對更佳的控制方案，從而相對更加合理完成電能分配，進而提升整車的燃油經濟性.