增程式混合動力車輛能量控制策略研究

袁凱，孟蓉歌，史強(qiáng)，陳國棟，魏特特

增程式混合動力車輛能量控制策略研究

袁凱，孟蓉歌，史強(qiáng)，陳國棟，魏特特

（陜西汽車集團(tuán)技術(shù)中心，陜西 西安 710021）

基于CRUISE/Simulink軟件對某款增程式混合動力車輛進(jìn)行建模仿真，對三種可行的増程器能量控制策略進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：單點控制策略具有最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，兩點控制策略的等效燃油消耗量與功率跟隨控制持平，較單點跟隨控制策略高1%。功率跟隨控制策略保證最低的能量轉(zhuǎn)換損耗，兩點控制策略能合理分配動力電池和増程器的能量，綜合考慮整車能量利用率和動力電池使用壽命，最大程度發(fā)揮增程式混動系統(tǒng)的優(yōu)勢。

增程式混合動力；能量控制；仿真分析

1 前言

增程式混合動力車輛是指由兩個電能源向單個電動力裝置供電，推進(jìn)車輛的驅(qū)動系統(tǒng)[1]。當(dāng)動力電池電量可用時以純電動形式運(yùn)行，電量較低時既可以從電網(wǎng)中補(bǔ)充能量，也可以啟動増程器補(bǔ)充能量，保證車輛的行駛需求，同時維持電池電量平衡[2]。較純電動及傳統(tǒng)燃油車輛，增程式混合動力車輛既克服了純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點，也避免了傳統(tǒng)燃油車輛的高油耗高排放。在動力電池技術(shù)領(lǐng)域沒有革命性突破時，增程式混合動力系統(tǒng)可作為新能源商用車應(yīng)用的重要驅(qū)動形式。

增程式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過多能量源及能量分配控制實現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的較大改善。本文基于整車性能仿真軟件AVL CRUISE及MATLAB對一款增程式混合動力車輛進(jìn)行整車建模，結(jié)合不同的増程器控制邏輯，在MATLAB/Simulink/Stateflow中制定基于門限邏輯的單點、兩點和功率跟隨控制策略，在整車模型環(huán)境下仿真對比不同控制策略對増程器、動力電池工作狀態(tài)和整車經(jīng)濟(jì)性的影響，為整車開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

2 整車結(jié)構(gòu)、參數(shù)及模式

增程式混合動力車輛具備兩種能量源（發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成増程器、動力電池）整車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 增程式混合動力車輛動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 整車參數(shù)

本文研究對象增程式車輛的動力傳動系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 車輛動力傳動系統(tǒng)主要參數(shù)

2.2 工作模式

車輛工作過程包含電量消耗階段(Charge Depleting)和電量維持階段(Charge Sustaining)兩部分[3-4]，如圖2。根據(jù)兩種能量源不同的能量分配方式，車輛的基本運(yùn)行模式有：純電動模式、混合動力模式、行車充電模式、制動能量回收模式等。

圖2 增程式混合動力車工作狀態(tài)示意圖

3 増程器控制策略

増程器控制策略不僅影響到整車的經(jīng)濟(jì)性，而且對動力電池充放電特性也有較大影響。有效的増程器控制策略可以合理分配動力電池和増程器能量，在發(fā)揮兩大系統(tǒng)的各自的性能優(yōu)勢的同時，最大限度的提升整車能量利用率，并保護(hù)動力電池[5]。

從車輛實際開發(fā)應(yīng)用角度考慮，基于規(guī)則的能量控制策略有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[6-7]，結(jié)合前期仿真驗證及工程經(jīng)驗，可以作為増程器的能量控制策略，本文提出三種基于規(guī)則的單點、兩點和功率跟隨能量控制策略。

圖3 單點控制策略工作模式

單點控制策略：電池SOC單獨決定増程器啟停，當(dāng)SOC達(dá)到設(shè)定的門限值SOCmin時，増程器啟動并定點工作，提供恒定輸出功率。當(dāng)SOC上升到設(shè)定的SOCmax時，増程器關(guān)閉，實現(xiàn)電量維持。

兩點控制策略：設(shè)定基準(zhǔn)區(qū)間(SOCmin,SOCmax)為CS階段動力電池工作區(qū)間，同時各設(shè)定5%的閾值區(qū)間，進(jìn)行車輛行駛模式判定。根據(jù)整車輪邊需求功率，選取増程器的工作功率為30kW和50kW，并根據(jù)SOC區(qū)間范圍來調(diào)整増程器的工作狀態(tài)，進(jìn)行模式切換。當(dāng)SOC達(dá)到SOCmin時，増程器開啟并以30kW的功率工作；若SOC持續(xù)降低，為保證SOC平衡，増程器輸出功率變?yōu)?0kW，直至SOC達(dá)到設(shè)定上限SOCmax，然后増程器停止工作，車輛進(jìn)入純電模式。

功率跟隨控制策略：將發(fā)動機(jī)的萬有特性MAP和ISG電機(jī)的效率MAP數(shù)據(jù)合成，得到增程器系統(tǒng)的工作效率MAP和最優(yōu)能耗曲線。功率跟隨區(qū)間定義為30kW-50kW內(nèi)的最佳油耗曲線。

圖4 功率跟隨控制策略工作模式

當(dāng)SOCSOCmax，増程器停止工作；在[SOCmin，SOCmax]之間，需要根據(jù)整車功率需求及前一時刻發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷：

①若前一時刻發(fā)動機(jī)沒有工作，則繼續(xù)保持，直至SOC低于SOCmin；

②若前一時刻發(fā)動機(jī)處于工作狀態(tài)，根據(jù)整車需求功率進(jìn)行判斷：若需求功率<30kW，車輛進(jìn)入低功率工作模式，以30kW功率點進(jìn)行輸出；若30kW≤需求功率≤50kW，車輛進(jìn)入功率跟隨模式；若需求功率＞50kW，車輛進(jìn)入高功率工作模式，以50kW功率點進(jìn)行輸出。

4 結(jié)果分析

采用2次重復(fù)的C-WTVC循環(huán)作為試驗循環(huán)，記錄連續(xù)6次仿真過程的△SOC和油耗，并計算等效燃油消耗量。

根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：單點控制策略可以保證増程器系統(tǒng)的最優(yōu)的工作效率，有利于整車的經(jīng)濟(jì)性，兩點控制策略的等效燃油消耗量與功率跟隨控制持平，較單點跟隨控制策略高1%，但可以降低發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)及動力電池電流波動。

表2 不同控制策略電量維持階段的等效燃油消耗量

5 結(jié)論

本文針對增程式混合動力車輛提出了三種可行的能量控制策略方案。并基于CRUISE和Simulink軟件搭建了增程式混合動力車輛的聯(lián)合仿真模型，提出了等效燃油消耗量的整車經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)，對三種控制方案進(jìn)行了對比分析。

増程器單點控制策略能保證發(fā)動機(jī)始終工作在效率較高的工作點，但由于動力電池的電流波動較大，導(dǎo)致電池能量損耗高，影響電池組的使用壽命。

兩點控制策略的等效燃油消耗量略高于單點控制，與功率跟隨控制持平，較單點跟隨控制策略高1%，一定程度減少了電池的電流波動和發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)，有助于改善車輛的整體性能。

功率跟隨控制策略能夠保證増程器隨整車工況變化不斷調(diào)整輸出功率，有效減少電池的電流波動，提高能量利用率，但同時對増程器動態(tài)響應(yīng)特性及控制策略提出了較高的要求。

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Research on Range-Extended Hybrid Electric Vehicle Energy Control Strategy

Yuan Kai, Meng Rongge, Shi Qiang, Chen Guodong, Wei Tete

( Shaanxi Automobile Group Technology Center, Shaanxi Xi’an 710021 )

In this paper, modeling and simulation of a range-extended hybrid electric vehicleis implemented with AVL-CRUISE and MATLAB/Simulink,three feasible energy control strategies of APU(Auxiliary Power Unit) are compared and analyzed. The simulation results illustrate that:the single-point control strategy has the best fuel economy; the optimal operation line control strategy ensures the lowest energy conversion loss. The two-point control strategy can allocate the battery energy andAPU energy reasonably,which can comprehensively consider the energy utilization rate and battery cycle life, takes the full advantage of series range-extended hybrid system.

Range-extended hybrid;Energy control;Simulation analysis

U469.7

A

1671-7988(2019)18-45-03

U469.7

A

1671-7988(2019)18-45-03

袁凱，工學(xué)碩士，工程師，就職于陜西汽車集團(tuán)技術(shù)中心，主要從事新能源汽車領(lǐng)域整車控制策略開發(fā)與應(yīng)用研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.016