并聯式PHEV自適應能量管理策略研究

摘 要：以一款并聯插電式混合動力汽車為研究對象，為提高其燃油經濟性，基于等效油耗最低策略，提出一種自適應能量管理策略。仿真結果表明，與CD-CS策略相比，所提出自適應能量管理策略能夠提高燃油經濟性。

關鍵詞：插電式混合動力汽車；能量管理策略；自適應；等效油耗最低策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.043

0 引言

目前純電動汽車的使用受充電基礎設施不足，電池能量密度較低等條件限制，還沒法大規模應用。插電式混合動力對基礎設施依賴程度沒有那么高，是短期能夠大規模應用，甚至全面取代傳統內燃機汽車的技術方案[1]。

能量管理策略是插電式混合動力汽車的關鍵技術之一。目前，能量管理策略主要分為規則控制策略、全局優化策略和局部優化策略[2]。規則控制策略，比如電量消耗-電量保持策略（CD-CS）規則策略比較簡單、實時性高，是工業應用最多的策略[3-4]。全局優化策略，比如動態規劃算法（DP），能夠在給定工況下取得最優的控制效果，但實際工況難以提前準確獲取，因此動態規劃算法無法在實車中應用[5-7]。瞬時優化策略是全局優化策略的改進。比如本文采用的等效油耗最低策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS），該算法不需要提前知道工況信息，實時計算最優的扭矩分配。本文將ECMS策略用于插電式混合動力汽車的能量管理，提出一種自適應能量管理策略。

1 整車布局與參數

本文的研究對象為一款同軸并聯式混合動力汽車，其結構示意圖如圖1所示。整車主要參數如表1所示。

2 自適應能量管理策略

2.1 等效油耗最低策略

整車瞬時等效油耗等于發動機實際燃油消耗與消耗電能的等效油耗之和，可由下式表示：

（1）

式中：為發動機燃油消耗，為發動機扭矩和轉速的函數；為電能等效油耗，當電池功率為正時（放電），電能等效油耗為正；當電池功率為負時（充電），電能等效油耗為負；s為等效因子，為燃油低熱值，為電池輸出功率。

電機和發動機輸出扭矩滿足駕駛員需求扭矩：

（2）

另外，系統需滿足如下約束條件：

（3）

選擇發動機扭矩為控制變量，發動機和電機的最優解可表示為：

（4）

等效因子對控制策略影響很大，在實際使用過程中，為了避免電池實際SOC在規定范圍內，根據電池SOC的變化，需要對等效因子進行修正。當電池SOC過高時，降低等效因子，使控制策略更傾向使用電能；當電池SOC過低，增大等效因子，使控制策略更傾向使用發動機。

等效因子的懲罰函數可由下式表示：

（5）

式中，為比例修正項；為積分修正項； 為電池當前SOC值；為期望的SOC值；為電池SOC允許變化的范圍，等于SOC上限與下限之差；n是比例項的形狀修正系數，本文n取2； 為算法采樣時間。

2.2 電池電量使用規劃

目前，最常采用的電量使用策略是電量消耗-電量保持（CD-CS）策略。該策略的優點是能夠保證電能優先使用，但是當出行里程遠遠大于純電續駛里程時，整車燃油經濟性隨里程增加而變差。研究表明，當出行里程大于純電續駛里程時，電量混合消耗模式（Charge-Blended）的燃油經濟性高于CD-CS策略。電量混合消耗模式指，電池電量在整車出行里程中處于下降階段。電量CD-CS模式和電量混合消耗模式電池SOC下降軌跡示意圖如圖2所示。

為了使用自適應等效油耗最低策略，需要得到參考SOC軌跡。為了充分利用電池電量，避免CD-CS策略的缺點，提出隨里程線性下降SOC參考軌跡，任意時刻的參考值可以用下式表示：

（6）

式中，為電池初始SOC值，L為總出行里程，電量保持階段的參考SOC值，取為0.3，為已行駛里程，上式只適用于當出行里程L大于純電續駛里程，為下一時刻的參考SOC值。

3 仿真分析

在Simulink中建立整車仿真模型，如圖3所示。采用多個NEDC循環疊加的方式實現所需里程，對所提出的自適應策略進行仿真分析，并與傳統的CD-CS策略進行對比。循環工況由9個NEDC循環組成，總里程為98.4公里。

圖3為電池SOC軌跡曲線對比。可以看出，自適應策略能夠較好的跟隨參考SOC軌跡，SOC在整個行程中逐漸下降，沒有出現電量保持，直至行程結束時，SOC接近最低值。而對于CD-CS策略，電池SOC在8000秒之前下降較快。CD-CS策略中，其全程的平均油耗為1.22 L/100km，電量保持階段平均油耗為4.52L/100km，電量保持階段的油耗明顯高于全程平均油耗。而自適應策略在全程處于電量下降階段，全程平均油耗為1.15L/100km，相比CD-CS策略，降低了5.74%。

圖4、圖5分別為發動機和電機工作點分布情況對比。由圖4可以看出，CD-CS策略和自適應策略下，發動機大部分工作點處于高效率區。但是可以明顯看出，自適應策略的工作點更加集中在高效率區。而CD-CS策略下的發動機平均效率較低。圖5中，可以看出自適應策略下電機發電扭矩更大。這是因為在這個轉速區間，發動機在中高扭矩的效率比較高，避免了電機在效率較低的低轉矩區工作，使整車的動力傳遞效率更高。

4 結論

本文針對傳統CD-CS策略無法充分發揮插電式混合動力汽車的節能潛力的缺點，將自適應等效油耗最低策略用于插電式混合動力汽車的能量管理。仿真結果表明，在9個NEDC循環下，所提出的自適應能量管理策略在保證充分利用電能的同時，相比傳統CD-CS策略，整車燃油經濟性提高了5.74%。

參考文獻：

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作者簡介：胡正凱（1989-），男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向：插電式混合動力汽車能量管理策略。