基于串聯式增程汽車多種工況的優化控制策略

李 琳，劉大亮，韋健林，林元則，胡紅星

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江 杭州 0311200）

眾所周知，純電動汽車存在著充電時間長、續駛里程短、成本高等缺陷，為了彌補此類缺陷，各類型的混動技術相繼發展。其中串聯式混動技術，采用增程式技術，其由增程器為電池擴容解決續駛里程短的問題。

1 增程式電動汽車組成

增程式電動汽車主要由整車控制器、電機驅動系統、電源系統、增程器系統等組成，如圖1所示。相比于純電動汽車，增加了增程器系統，利用增程器給電池擴容的方式解決了電池驅動的續駛能力問題。

圖1 增程式電動車動力系統組成

1.1 電機驅動系統

電機驅動系統是由驅動電機和電機控制器 （MCU）組成，但增程式汽車的驅動電機能量來源分別是電池和增程器，發電機將發動機發出的機械能轉化為電能，根據車輛工況將電能分配到驅動電機，多余的能量儲存于動力電池中。

1.2 電源系統

電源系統主要是由動力電池、電源管理系統 （BMS）等組成，動力電池是整車驅動的主要能量源，是儲存能量的裝置，具有良好的充放電性能用以保證車輛的動力性和能量回收的能力。增程式汽車純電動模式的里程較短，動力電池容量要求比純電動車低，其充放電功率應能夠滿足整車驅動及電器負載的功率要求。

1.3 增程器系統

發電機、發動機、發電機控制器 （GCU）、發動機控制器 （EMS）及增程器控制器 （PFCU）組成了增程器系統，增程器系統是增程式電動汽車動力系統的關鍵系統，增程器只提供電能，電能用來驅動電機或者為動力電池充電，增加電動汽車的續駛里程，電能直接用于驅動車輛，不經過動力電池的充放電過程，降低了從增程器到動力電池的能量傳遞損失。

1.4 整車控制器

整車控制器 （VCU）是增程式電動汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統的核心部件。整車控制器采集踏板等信號及CAN總線上電機電池發的數據，以獲取整車信息，判斷當前整車狀態及駕駛員意圖，可以實時計算整車需求功率進行增程器的啟停控制及增程器功率點的控制。

2 串聯增程式電動汽車原理

串聯增程式電動汽車，由發動機帶動發電機所產生的電能和動力電池輸出的電能，共同輸出到驅動電機來驅動汽車行駛，電力驅動是唯一的驅動模式。當動力電池的荷電狀態SOC值低于預定值，發動機開始對動力電池進行充電，來延長續駛里程。另外動力電池系統還可以單獨向驅動電機提供電能來驅動電動汽車，環保、無污染。另外，發動機與驅動系統并沒有機械地連接在一起，這種方式可以很大程度地減少發動機受到車輛瞬態響應，使得發動機進行最優的噴油和點火控制，使其在最佳工況點附近工作。

基于增程式電動汽車的特殊運行模式，正常模式下由增程器為驅動電機提供驅動電能，多余的電量為電池充電，因此，增程模式下能量管理控制策略直接影響整車的動力性和經濟性。現階段，主要控制策略有：恒功率控制策略、功率跟隨控制策略、定點跟隨控制策略。

2.1 恒功率控制策略

恒功率控制策略又稱增程器功率單點輸出控制策略，選取增程器較為高效的功率點作為唯一的工作點，發動機在設定的工作點恒功率輸出，該工作點一般為最佳功率點或者最低油耗點，優勢在于控制易于實現，增程器工況單一，油耗易于控制；且工作在低油耗或高效區可以提高經濟性。劣勢在于增程器輸出功率無法根據整車工況調節，造成動力電池放電電流頻繁變化，使得電池經常處于深度充放電循環狀態，影響電池壽命。

2.2 功率跟隨控制策略

增程器功率跟隨控制，即增程器在輸出功率范圍內可以連續地改變增程器工作的功率值，根據整車工況與動力電池狀態，靈活輸出，避免對動力電池持續的充、放電過程，盡量避免能量轉換損失。其優勢在于降低了能源間的二級轉化，經電池釋放的能量少，相對能量轉換效率高，且避免持續大電流的充放電過程，減緩電池的衰減速度。此控制方式劣勢在于，需要增程器輸出功率范圍大，且對增程器響應速度有較高要求，增程器工況變化頻繁，將影響部分油耗表現；發動機工作多區間變大，怠速時候發動機能量利用率較低。

2.3 多定點跟隨控制策略

增程器定功率點跟隨控制，即選取有限的幾個高效功率點，作為增程器輸出功率點，根據工況與動力電池狀態，輸出不同的功率。其優勢在于，增程器工況相對穩定，油耗易于控制；輸出功率可根據整車工況與電池狀態調整，可以保證能量轉換效率；可有效減少持續大電流充、放電，減緩電池衰減，有效避免了電池過放電，提高了動力電池的壽命和使用穩定性。缺點在于行駛過程中，難以準確地識別駕駛工況，難以預估較為準確的整車需求功率。

3 增程式電動汽車控制策略

為緩解純電動行駛的續航里程焦慮，并滿足車輛的動力需求，整車控制器適時控制增程器的工作，通過判斷加速踏板信號和電池SOC值來判斷整車工況，從而將增程器開啟策略分為因經濟性需求自動啟停策略、因動力性需求自動啟停策略。

3.1 增程器因經濟性需求自動啟停策略

因經濟性的需求開啟及關閉增程器的策略：預設多個增程器高效功率點，根據當電池的計算荷電狀態判斷電池是否需要補充電能，并根據不同的實際荷電狀態確定不同的增程器工作點。示意圖見圖2，其中P0＞P1＞P2＞P3＞P4。

圖2 純電與增程模式切換示意圖

由于考慮到電池的老化狀態，所以在進行評估電池的計算荷電狀態時要考慮電池的健康值狀態。其計算公式如下：

SOE=SOC×（SOH-0．8）／（1-0．8）

式中：SOE——計算荷電狀態；SOC——電池荷電狀態；SOH——電池健康值。

根據計算荷電狀態的計算值，設定不同閾值具體SOE與目標功率的選擇關系 （表1）得出的功率點。

表1 不同閾值具體SOE與目標功率的選擇關系

其中S0＞S1＞S2＞S3＞S4。

對于首次上電，增程器開啟點：SOE＜S0%；關閉后開啟點：SOE＜S1%。

每個工作點，進入后必須工作60s以上才可切換到另一個工作點。同時考慮到電池可承受的能力，將通過上述獲得的功率點與BMS允許回饋功率和增程器允許最大放電功率的絕對值比較，取小值。增程器允許最大放電功率即

式中：Pmaxlimit——允許回饋功率限值；IBMS_chg——電池允許回饋電流；UBMS_Batt——電池當前電壓值。

3.2 因動力性需求開啟增程器

因動力性的需求開啟及關閉增程器的策略：根據油門踏板等信息判斷駕駛意圖，判斷整車的需求功率是否有快速增加的趨勢，并決定是否會因動力性的需求開啟增程器。

對于動力性需求開啟增程器判斷的規則如下。

1）整車在正常模式下，當油門踏板以5%／500ms（TBD）的速率超過80% （TBD）的BMS的最大功率限值，或連續3s穩定在超過BMS的最大功率限值的需求功率點。

2）整車在經濟模式下，當油門踏板以8%／500ms（TBD）的速率超過90% （TBD）的BMS的最大功率限值，或連續4s穩定在超過BMS的最大功率限值的需求功率點。

3）當出現如上工況時，整車控制器先從轉速及油門踏板開度等查表得到需求扭矩，再通過如下公式計算出因動力性增加的功率需求。

式中：T——扭矩，Nm；P——功率，kW；n——轉速，r／min。

4）同時，計算出的目標功率與前一刻的目標功率做比較，若增大，則連續1s（TBD）滿足條件才允許將目標功率加大，否則保持不變；若減小，則連續10s（TBD）滿足條件才允許將目標功率減小，否則保持不變。

5）如上兩種需求開啟增程器及對應功率點的設置，整車控制器會實時監測電池荷電狀態及踏板開度，實時對兩部分需求下增程器功率進行相加，即

式中：Pre——增程器計算需求功率；Peco——因經濟性開啟增程器功率點；Pauto——因動力性開啟增程器功率點。

6）最后，整車控制器選取當前計算得到增程器計算需求功率與增程器預設的高效功率點中最大值即P0kW中較小值作為最終控制增程器工作的功率點。

4 結語與展望

本文針對串聯式增程汽車在不同工況下對增程器啟停及工作點控制策略。整車控制器判斷整車狀態，區分整車需求開啟增程器是因動力性需求還是經濟性需求開啟，并且結合多定點跟隨控制策略，使得在行駛過程中，更加準確地識別駕駛工況和較為準確的整車需求功率，使得增程器工況相對穩定，油耗易于控制；輸出功率可根據整車工況與電池狀態調整，可以保證能量轉換效率；可有效減少持續大電流充、放電，減緩電池衰減，有效避免了電池過放電，提高了動力電池的壽命和使用穩定性。