插電式混合動力汽車控制策略與建模

宮喚春

（燕京理工學院，北京 065201）

1 引言

插電式混合動力汽車（Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV）是基于傳統混合動力汽車衍生出的一種車輛，該類型汽車可以直接接入電網進行充電，純電動模式下續駛里程更遠，同時統發動機更省油等優點，已經成為電動汽車領域重點研發的產品之一[1-2]。插電式混合動力汽車對動力傳動系統的設計及能量管理系統控制等要求較高從而使得其工作模式與傳動混合動力汽車相比更為復雜。因此，合理設計動力系統并進行參數匹配對插電式混合動力汽車的動力性、經濟性以及排放性有著重要的影響，雖然國內外學者對此進行了廣泛研究并獲得了一些成果，但是依然還沒有找到最佳的能量管理策略和動力系統參數匹配方法[3]。基于實驗數據利用MATLAB/SIMULINK 軟件，建立了某插電式混合動力汽車仿真模型，根據該車動力傳動系統結構參數類型開發與之相匹配的能量管理控制策略。

2 插電式混合動力汽車結構與建模

插電式混合動力汽車結構，如圖1 所示。

圖1 插電式混合動力汽車結構Fig.1 Plug-in Hybrid Vehicle Structure

從圖1 可知插電式混合動力汽車系統由發動機、濕式多片離合器、ISG 電機、無級變速器、主減速器、電動機控制器和動力電池組成。通常ISG 電機、無級變速器和主減速器及濕式多片離合器集成一體，結構小巧便于發動機前置前驅動。濕式多片離合器無壓力供給狀態下處于分離狀態，ISG 電機單獨驅動車輛行駛的純電動模式；車輛制動時ISG 電機實現制動能量回收為動力電池組充電模式；濕式多片離合器供給壓力時，發動機與ISG 電機機械相連，實現ISG 電機起動發動機，可以發動機單獨驅動運行、ISG電機和發動機共同驅動運行以及行車充電等三種運行方式[4]。

選取的插電式混合動力汽車主要裝置參數如下：1.5LVVT直列四缸電噴發動機，最大功率為90kW，ISG 電機為永磁同步電機最大功率45kW，無級變速器傳動比范圍為（0.451～2.389），主減速器傳動比為5.162，車載電源由110 個磷酸鐵鋰電池串聯組成，總電壓380V。插電式混合動力汽車的發動機、ISG 電機以及電池組等系統結構復雜，難以建立準確的數學模型，采用理論模型及實驗數據相結合的方法進行建模，利用MATLAB/SIMULINK軟件建立插電式混合動力汽車發動機、ISG 電機、無極變速器以及動力電池組仿真模型，為后續整車控制策略制定與分析奠定基礎。通過實驗建模法建立發動機模型，該方法是通過發動機實驗室數據進行擬合建立仿真模型，發動機不同工況下的特性參數是通過查詢數值表格[5]的方式計算得出，其準確性高且應用性強而普遍應用。發動機特性參數模型，如圖2 所示。

圖2 發動機特性參數模型Fig.2 Engine Characteristic Parameter Model

發動機轉矩特性曲線圖，如圖2（a）所示。對這里的1.5LVVT發動機進行臺架測試獲取實驗數據并通過三次樣條插值[6]擬合得出發動機轉矩與轉速及節氣門開度三者之間的關系，發動機油耗變化關系模型，如圖2（b）所示。通過將發動機節氣門開度與轉速相對應的比油耗實驗數據轉換成發動機轉矩和轉速輸入的比油耗數值曲線圖，再利用插值法計算出發動機在不同工況下的燃油消耗率。ISG 電機模型是將電機及其控制器視為一個整體進行建模，根據采用的永磁無刷電機實驗數據利用插值法計算出電機效率與轉矩和電機轉速的特性關系曲線，如圖3 所示。無級變速器模型主要集中于無級變速器傳動效率模型，無級變速器傳動效率影響因素眾多，且理論建模復雜難以精確體現無級變速器的實際運行過程，通過實驗法對無級變速器進行動力測試重點關注其整體傳動效率，利用實驗數據擬合出無級變速器傳動效率與變速器傳動比和轉矩的特性曲線，如圖4 所示。

圖3 ISG 電機模型Fig.3 ISG Motor Model

圖4 無級變速器傳動效率模型Fig.4 CVT Efficiency Model

圖5 動力電池組模型Fig.5 Power Battery Model

磷酸鐵鋰電池模型，如圖5 所示。內阻模型通過理論與實驗相結合的方法建模，如圖5（a）所示。動力電池組電動勢特性模型，如圖5（b）所示。利用實驗數據擬合出動力電池電動勢與電池溫度和電池荷電狀態（SOC）的變化特性，由圖中可以看出動電池SOC 的變化會顯著引起電池電動勢的改變，而電池溫度變化對電池電動勢的影響較小。動力電池充電內阻和放電內阻與電池溫度及SOC 的變化特性圖，如圖5（c）、圖5（d）所示。需要在插電式混合動力汽車運行過程中實時監控電池組的SOC 及溫度變化。

3 能量管理控制策略

插電式混合動力汽車主要有5 種工作模式：（1）頻繁的起動和低速運行工況，以ISG 電機純電動驅動；（2）加速及高速工況，發動機與ISG 電機聯合驅動；（3）減速或制動工況，ISG 回收能量給車載電池組充電；（4）巡航工況發動機單獨驅動；（5）停車充電工況，若電池組SOC 較低接入電網為車載電池組充電。目前從動力電池組的能量管理角度可以把插電式混合動力汽車的能量管理控制策略分為基于純電動行駛里程的控制策略和混合控制策略，基于純電動行駛里程的控制策略對于ISG 電機驅動功率參數要求更高，車輛動力傳動系統更適用于混合控制策略，從控制算法的角度，能量管理控制策略又分為基于規則的能量管理控制和基于優化算法的能量管理控制兩種方法。基于規則的能量管理控制策略方法簡單便于使用，基于優化算法的能量管理控制策略過于復雜雖然車輛經濟性控制效果較好但是應用上限制較多。因此，插電式混合動力汽車采用基于規則的混合控制策略。插電式混合動力控制模式[7]主要有三種分別是：停車模式、行車模式和倒車模式。通過循環工況法對插電式混合動力汽車能量管理策略進行分析，主要對行車模式進行重點關注和分析。行車模式下根據插電式混合動力汽車電池SOC 的變化狀況[8]可以分成電量消耗模式（Charge Depleting，CD）和電量保持模式（Charge Sustaining，CS）。因此，重點對上述兩種模式控制策略進行分析。

3.1 CD 模式

CD 模式是將純電動模式和混合驅動模式綜合使用，主要以發揮動力電池組的電能為目標。當車輛低速及中速行駛時以消耗動力電池電能的純電動模式為主，當車載轉矩超出純電動模式工作范圍時，喚醒發動機采用聯合驅動模式。CD 模式工作情況劃分，如圖6 所示。

圖6 CD 工作模式劃分圖Fig.6 CD Working Mode Division Diagram

由圖6 可知，CD 工作模式是以車載輸出轉矩為依據進行劃分的，圖6 中，T_CD_ISGmax 表示純電動模式下最大輸出轉矩，計算方法，如式（1）所示。

式中：K_CD_m—純電動模式下控制系數；T_ISGmax—純電動模式下輸出的最大轉矩（N·m）

3.2 CS 模式

CS 模式主要以發動機驅動為主，ISG 電機驅動為輔，與CD模式不同。CS 模式主要目標是ISG 電機輔助驅動下能夠將純電動模式、行車充電模式、發動機單獨驅動模式以及聯合驅動模式合理使用，并改善發動機燃油經濟性降低廢氣排放確保發動機處于高效區域運行。CS 模式工作情況，如圖7 所示。

圖7 CS 工作模式劃分圖Fig.7 CS Working Mode Division Diagram

當車速較低時車輛以純電動模式運行，如圖7 所示。當車速超過某個限定車速時則以整車經濟性為目標選取工作模式。圖7中T_CS_ISGmax 表示CS 工作模式下純電動模式的最大輸出轉矩，T_CS_ecmax 為CS 工作模式下行車充電模式的最大輸出轉矩，T_CS_emax 為CS 工作模式下發動機單獨驅動模式的最大輸出轉矩，計算方法如下所示為：

式中：K_CS_m—CS 工作模式下純電動模式的控制系數；

K_CS_ec—CS 工作模式下行車充電模式的控制系數；

K_CS_e—CS 工作模式下發動機單獨驅動模式的控制系數；

T_ecmax—行車充電模式下的最大輸出轉矩；

T_emax—發動機單獨驅動的最大輸出轉矩。

4 仿真分析

第二部分基于實驗數據建立了插電式混合動力汽車仿真模型，第三部分建立了基于規則的插電式混合動力汽車能量管理控制策略，利用上述模型和相關能量管理控制策略對插電式混合動力汽車進行計算仿真，分析整車動力性和經濟性，并驗證能量管理控制策略是否有效。新歐洲行駛循環工況（NEDC）仿真計算結果，如圖8 所示。由圖8 中可知車輛實際運行車速與NEDC 工況[9]目標車速較為一致，隨動較好，證明建立的插電式混合動力汽車仿真模型較為可靠。

圖8 NEDC 行駛工況計算仿真分析Fig.8 Simulation Analysis of NEDC Driving Condition Calculation

對7 個NEDC 工況連續循環計算仿真下動力電池SOC 參數、發動機輸出轉矩及車速變化曲線，如圖9 所示。

圖9 NEDC 工況計算仿真分析Fig.9 Simulation Analysis of NEDC Working Condition Calculation

由圖9 可以得知，插電式混合動力汽車處于CD 工作模式是NEDC 工況為前5 個的時候，此時ISG 電機驅動為主，發動機為輔，且發動機僅在高速或高負荷下才被喚醒運行。同時可以看出CD 工作模式時，除去較少的能量回收以外，動力電池組主要是放電模式，電池組SOC 參數持續降低。當SOC 下降到某個限值時，車輛轉入CS 工作模式，此時發動機驅動為主，動力電池組SOC參數保持在一個平穩的范圍，如圖10 所示。由此可以得知建立的能量管理控制策略的規則是合理的。圖10 可以看出NEDC 循環工況下發動機工況點絕大部分位于效率為23%之上的區域，可以得知這里的能量管理控制策略能夠確保發動機處于高效區域運行。發動機燃油消耗計算仿真結果為4.6L/100km，與原車裝配1.5L 排量的發動機油耗6.21L/100km 相比較，降低了25.9%，燃油經濟性得到顯著改善，再次說明建立的仿真模型和能量管理策略是可靠的。

圖10 NEDC 工況下發動機工況點分布圖Fig.10 Engine Operating Point Distribution Map Under NEDC Condition

5 結論

以某插電式混合動力汽車為例基于實驗數據利用MATLAB/SIMULINK 軟件建立了插電式混合動力汽車仿真模型，并根據該車的工作模式建立了基于規則的能量管理控制策略。通過計算仿真分析結果顯示建立的仿真模型和能量管理控制策略能夠確保發動機處于高效區域運行，顯著改善了燃油經濟性，所建立的能量管理策略合理有效控制效果較好。