P0+P3構型插電式混合動力汽車能量管理策略

羅勇,褚清國,隋毅,任琳,張嘉璐,陳國芳

(1.重慶理工大學汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室,重慶 400054;2.重慶科技學院機械與動力工程學院,重慶 401331)

傳統汽車的高排放、高油耗致使全球能源短缺,環境惡化,能源危機迫在眉睫,新能源革命為大勢所趨。采用新能源代替傳統能源的方案層出不窮,在目前的技術、應用條件下,混合動力汽車較電動汽車產業化和市場化前景更高[1]。插電式混合動力系統兼有了純電動汽車的“清潔”能力和燃油車的續航能力,合理解決了燃油車的油耗、排放難題及純電動汽車續航不足的弊端。

混合動力能量管理策略是提升其燃油經濟性和整車性能的有效途徑。目前混合動力汽車的能量管理策略總體上分為優化型和規則型兩種[2-3]。基于規則的能量管理策略,包括邏輯門限值和模糊規則兩類能量管理策略。基于邏輯門限值的能量管理控制策略[4],通過設置門限值來協調控制發動機與驅動電機工作狀態,改善燃油消耗量。基于模糊規則的能量管理策略通過模擬人類思維將控制規則模糊化[5]。優化型控制策略是在基于規則控制的能量管理策略基礎上使用優化算法提升策略性能,保證汽車時刻工作在高效區,從而完成改善燃油消耗率的目的[6-8]。

本研究依據發動機特性曲線規劃P0+P3構型PHEV工作模式,在此基礎上參照邏輯門限思想制定基于規則的CD-CS能量管理策略,保證車輛在不同的工作模式下行駛時整車工作效率較優。在Matlab/Simulink中搭建整車模型,仿真并分析P0+P3構型中雙電機對整車能耗經濟性的影響。

1 P0+P3插電式混合動力系統結構

圖1示出P0+P3雙電機混合動力構型結構簡圖,系統包含電池、發動機、P0電機、P3電機、離合器C1、變速器和主減速器等部件[9]。

圖1 P0+P3構型PHEV系統結構

P0+P3構型PHEV系統動力可由發動機、P0電機以及P3電機提供。P0電機安裝在發動機的前端,通過傳動皮帶和發動機前端相連,可與動力傳動系統解耦,具有發動機怠速起停、發動機制動能量回收和單獨驅動汽車電氣化部件等功能。P3電機位于差速器與變速器之間,通過減速機構直接與變速器輸出軸相連。當離合器C1斷開,變速器擋位處于空擋,車輛行駛動力僅由P3電機單獨供給;當離合器C1結合,變速器在擋,此時P3電機可與發動機協同工作驅動車輛行駛;或者單一由發動機驅動車輛行駛,此時P3驅動電機空轉,不輸出扭矩。還可由發動機帶動P0、P3電機為車輛行駛提供動力,并且為動力電池充電,實現行車充電模式。此外,根據不同工況車輛的行駛扭矩需求和車輛狀態可對發動機、P0電機以及P3電機工作狀態進行協調控制。

以純電模式、行車充電模式、純發動機模式、混動模式、制動能量回收模式(機械制動、電機制動、混合制動)以及停車充電模式6 種工作模式展開研究,兩個動力源及離合器在各種工作模式下的狀態見表1。

表1 各部件在不同工作模式下的狀態

2 基于規則的能量管理策略

能量管理策略作為PHEV的技術要點之一,可以根據電池的SOC變化過程進行制定,電量消耗過程如圖2所示。由圖2可以看出,在行駛過程中電量的變化呈明顯的階段性,即電量消耗較快的CD階段和電量消耗相對平緩的CS階段[10]。

圖2 電池組電量消耗過程

2.1 電量消耗階段(CD)

電量消耗階段,電池SOC較高,為了提升燃油經濟性,要盡量使用電機作為主要動力源。結合本研究中車輛的構型,CD階段車輛的工作模式可分為純電驅動模式、混合驅動模式以及制動能量回收模式。

在CD階段,如果車輛的需求扭矩較小,電池電量又充足,則優先選擇純電模式。如果車輛需求扭矩較大,而整車扭矩需求又不能由P3驅動電機滿足時,則選取混合驅動模式。在制動工況中,由制動能量回收最大原則可知,如果減速度較小,則優先選取P3驅動電機制動;若減速度較大,為了在確保制動安全的同時P3電機又能輸出最大制動力矩,機械制動會彌補剩余的制動力需求,從而最大限度地進行能量回收;如若電池組電量充足,則由機械制動器進行制動,以此保護電池防止過充電。CD階段的車輛工作模式切換邏輯與扭矩分配如表2所示。

表2 CD階段模式切換邏輯與扭矩分配表

續表

表中,Tcb1為發動機最優扭矩與P3電機最大驅動扭矩之和,即

Tcb1=Teng_opt+Tp3_max。

(1)

CD階段工作模式的切換控制邏輯如圖3所示。該切換邏輯可分為三層：①通過整車的需求扭矩判斷是驅動模式還是制動模式;②通過SOC狀態判斷是否需進行能量回收;③通過P3驅動電機的峰值扭矩判斷是進入純電驅動模式還是混合驅動模式,或通過電機最大再生制動扭矩判斷是進行電機制動還是混合制動。

圖3 電量消耗階段控制策略流程

2.2 電量維持階段(CS)

當車輛電池SOC較低時,車輛轉入電量維持階段。此階段發動機作為主要動力源驅動車輛[11],P0電機與P3驅動電機可作為驅動電機或發電機使用。發動機的工作區域如圖4所示。

圖4 發動機工作區域劃分

因CS階段主要依靠發動機驅動,所以與CD階段相比,車輛工作模式增加了發動機驅動和行車充電模式。制動模式與CD階段相同。該階段不同工作模式間的邊界條件和扭矩分配如表3所示。

表3 CS階段模式切換邏輯與扭矩分配表

續表

表中,Tcb2為當前轉速下發動機最優驅動扭矩與車輛需求扭矩之差,即

Tcb2=Teng_opt-Treq。

(2)

通過以上分析可得到電量維持階段的控制策略工作流程,如圖5所示。

圖5 電量維持階段控制策略流程

CD-CS控制策略中各動力源扭矩值均換算為傳遞至輪端的扭矩,控制策略中的門限參數如表4所示。

表4 CS控制策略中各參數物理意義

3 建模與仿真分析

為驗證CD-CS能量管理策略的有效性,在Simulink中搭建控制策略和車輛動力系統關鍵模型進行仿真驗證,模型架構如圖6所示。

圖6 P0+P3構型能量管理仿真模型框架

3.1 發動機特性模型

采用臺架試驗數值建模法建立發動機數值模型,通過發動機的轉速與扭矩二維插值計算燃油消耗率[12]。燃油消耗率模型如圖7所示。

圖7 發動機燃油消耗率模型

燃油消耗率、發動機最大扭矩和每階段發動機燃油消耗量可由式(3)～式(5)計算得出。

be=f(neng,Teng),

(3)

Teng_max=f(neng),

(4)

(5)

式中：be為燃油消耗率;neng為發動機轉速;Teng為發動機扭矩;Qeng為每階段發動機燃油消耗量;Pe為發動機功率;ρ為汽油密度;g為重力加速度。對于汽油,ρg一般為6.96～7.15 N/L。

發動機特性模型搭建如圖8所示,以發動機扭矩請求指令TrqCmd、發動機轉速EngSpd為輸入,輸出為包含發動機最大輸出扭矩、燃油消耗率等參數的總線信號和發動機扭矩信號EngTrq。

圖8 發動機模型

3.2 驅動電機特性模型

與發動機模型類似,只考慮電機的外特性以及電機的工作效率,采用電機臺架試驗數據建立電機數值模型,P0和P3電機特性如圖9所示。

圖9 驅動電機效率MAP圖

電機的最大扭矩及功率計算公式如下：

Tmot_max=f(nmot),

(6)

(7)

電機功率可表示為

(8)

電機效率：

ηmot=f(nmot,Tmot)。

(9)

以電機扭矩請求MotTrqCmd、電機轉速MotSpd以及電池端電壓BattVolt為輸入,以電機扭矩MotTrq、電機電流MotCurr和電機最大轉矩MotTrqMax為輸出,建立的電機控制模型如圖10所示。

圖10 電機模型

3.3 動力電池組模型

忽略溫度對動力電池的影響,將動力電池簡化為理想等效電路模型[13]。等效電路圖見圖11。

圖11 動力電池等效電路圖

圖11中,Cs,Cl是電池極化內阻的極化電容,表征電池充放電電容的滯回反應[14]。

電池端電壓可由式(10)計算得到,

U=Uoc-Us-Ul-IRe。

(10)

式中：U為電池端電壓;Uoc為電池開路電壓;Us為Rs兩端電壓;Ul為Rl兩端電壓;I為電池電流;Re為電池內阻。

回路電流計算公式：

(11)

式中：Rbat為電池組總內阻;Pbat為電池組總功率。

在建立動力電池模型時,其中應該包含可以反映動力電池剩余容量的SOC計算模塊,其計算方式可利用按時積分法：

(12)

式中：SOC0為電池充放電起始時刻SOC;SOCt為t時刻SOC;C為電池額定容量。

圖12所示為電池組模型,輸入信號為電機電流MotCrnt、當前時刻SOC值,輸出信號為電流BattCrnt、電池SOC以及端電壓BattVol。

圖12 電池組模型

3.4 整車動力學模型

本研究將轉彎、換道等橫向動力學問題排除在外,主要研究汽車行駛時的動力性與經濟性,因此,將車輪滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力考慮在內[15]。整車動力學模型計算表達式如下：

(13)

式中：m為整車載荷;g為重力加速度;f為滾動阻力系數;θ為爬坡度;r為車輪半徑;A為迎風面積;v為車速;ηt為變速器效率;CD為風阻系數。

圖13示出建立的車輛動力學控制模型。模型輸入為車速VehSpd和道路坡度RoadGrad信號,輸出為行駛阻力矩DragTreq。

圖13 整車動力學模型

提出的P0+P3結構的整車基本參數(部分)如表5所示。

表5 研究對象部分基本參數

3.5 仿真結果分析

分別對單電機構型P3、雙電機構型P0+P3以及傳統燃油車進行仿真。為更加有效地仿真PHEV的模式切換全過程,將3組WLTC循環工況進行組合作為目標工況進行仿真,設定初始SOC0為0.9,門限值SOCmax為0.9,SOCobj為0.35,SOCmin為0.3。

車速跟隨效果如圖14所示。可以看出,實際車速軌跡能很好地跟隨WLTC循環工況,表明搭建的整車模型正確,制定的控制策略具有一定的穩定性。

圖14 實際車速與目標車速對比

圖15示出傳統燃油車、P3單電機構型和P0+P3雙電機構型的發動機輸出扭矩對比。傳統燃油車發動機的輸出扭矩隨著行駛車速變化而變化,雙電機構型下發動機輸出扭矩較為穩定,單電機構型下發動機輸出扭矩隨著工作模式的切換而改變。傳統燃油車的扭矩波動較大,最大輸出扭矩為150 N·m;雙電機構型下發動機輸出扭矩均在100 N·m左右;單電機構型下發動機的輸出扭矩隨著工作階段的不同呈現出兩種狀態,CD階段發動機輸出扭矩較小,約50 N·m,而CS階段發動機的輸出扭矩較大,約130 N·m。同時,CD階段工作頻率很大程度上大于CS階段。為了保持CS階段電池SOC穩定,整車以發動機驅動為主,由于CD階段內電池SOC略高,則以電機為主要驅動源。

圖15 發動機輸出扭矩對比

圖16示出三種車型的發動機工作點分布情況。傳統燃油車的發動機工作點分布較為離散,多數分布于低效區間。單電機構型中發動機工況分布點大多處于最優區域內,但仍然存在部分工作點分布于高效區間外。雙電機構型中,發動機工作點均分布在最佳經濟扭矩曲線上。仿真結果表明雙電機構型較單電機構型在對發動機工作點調節方面更具優勢,可以保證發動機在最優區域內運行,減少車輛的燃油消耗量;相比于傳統燃油車,引入電機后可明顯改善發動機的工作狀況。

圖16 發動機工作點分布情況

圖17示出P0電機輸出扭矩。由圖可知,在CD階段電池電量充足,P0電機很少介入工作;在CS階段發動機P0電機頻繁介入,工作在行車充電模式,為動力電池充電。

圖17 P0電機輸出扭矩

圖18示出P0、P0+P3兩種構型下P3電機的扭矩對比。可以看出,在CD階段,主要由P3電機驅動車輛行駛,在P3驅動電機扭矩不滿足車輛需求扭矩時,轉入混合驅動模式,P3驅動電機與發動機同時驅動車輛行駛。在CS階段,發動機作為主要動力源驅動車輛行駛,當發動機輸出扭矩不滿足車輛扭矩需求時,P3電機作為輔助動力源與發動機共同驅動車輛行駛。通過對比可知,CS階段雙電機構型相比于單電機構型P3電機輸出的驅動扭矩峰值較小。各動力源扭矩變化與CD-CS控制策略所制定扭矩分配規則一致。

圖18 電機輸出扭矩

根據發動機、電機輸出扭矩圖可以看出：本研究提出的CD-CS控制策略可合理分配不同車輛需求扭矩下的發動機、電機扭矩,從而滿足各種模式下駕駛性能需求,這表明制定的控制策略效果較優。

圖19示出電池SOC曲線。在車輛駕駛初期,電池工作在電量消耗區間內,電池SOC會隨著時間的推移持續下降,當趨近于CS階段時SOC下降趨勢變慢。在SOCobj=0.35時,轉入CS階段并將SOC穩定在SOCobj附近。可以看出,電池SOC在0.3至0.9之間波動,很大程度上降低了電池損傷程度,同時延長電池壽命。

圖19 動力電池SOC變化曲線

圖20示出燃油消耗量變化曲線。可以看出,PHEV在工作初期主要以電機驅動,此階段燃油消耗量明顯較少且消耗速率相對平緩。隨著時間增加,電池電量開始降低,發動機開始逐步參與驅動,到達CS階段時發動機為主要驅動源,燃油消耗量不斷增加的同時燃油消耗速率也明顯變快。由表6可知,相較于燃油車,P3構型的PHEV節油率為55.2%,P0+P3構型的PHEV節油率為66.3%,引入電機后明顯改善了車輛的燃油經濟性。

圖20 燃油消耗量變化

表6 燃油對比

4 結束語

以P0+P3構型插電式混合動力汽車為研究對象,在整車建模基礎上,設計一種基于規則的CD-CS控制策略。并在Simulink/Stateflow中建立整車控制策略,以3組WLTC循環工況組合工況進行仿真驗證,得到車速跟隨曲線、扭矩分配曲線、發動機工作點分布情況、SOC消耗曲線以及燃油消耗量變化曲線,結果表明,制定的控制策略可以合理協調不同駕駛模式的需求扭矩,和燃油車相比,P3構型和P0+P3構型的插電式混合動力汽車燃油經濟性有明顯改善。