增程式電動汽車增程器開/關機時刻的優化

牛繼高，周 蘇，2

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804;2.同濟大學中德學院，上海 200092)

前言

純電動汽車具有零排放、高效率、不依賴石油和運行安靜、平穩等優點。但由于蓄電池的能量密度低和行駛里程短使它尚不能與傳統內燃機車輛相競爭。為了延長電動汽車的續駛里程，將燃油發動機和電機組成的發電機組作為增程器(range extender，RE)，配以合適的油箱，與動力蓄電池一起構成動力源。較小功率的RE按行駛工況提供輔助功率或給蓄電池充電，可以有效增加車輛的總續駛里程［1－4］。增程式電動汽車(extended-range electric vehicle，EREV)可通過充電裝置從電網獲得電能，燃料消耗低，能夠減少大氣污染，降低對石化燃料的依賴和溫室氣體的排放［5－6］。

如何協調動力蓄電池和增程器之間的供能是E-REV開發中必須解決的問題。目前對E-REV的研究主要集中在動力系統參數匹配方面［2－3，7］，EREV多采用串聯式動力系統結構，針對串聯式混合動力汽車(series hybrid electric vehicle，SHEV)的研究主要集中在動力系統參數匹配和能量管理策略方面。研究表明，采用串聯式結構的車輛可將發動機調整在最佳工作點附近穩定運行，并通過直接起停技術取消發動機怠速，從而提高發動機效率，并減少廢氣排放［8－10］。

本文中針對一款E-REV，在研究發動機定點能量管理策略的基礎上，以目標行程為約束條件，結合E-REV典型行駛工況，對增程器的開/關機時刻進行優化，以達到進一步提高車輛燃油經濟性的目的。

1 E-REV結構、參數和工況

1.1 E-REV動力系統結構

圖1為串聯式E-REV動力系統結構，蓄電池作為主動力源，提供一定的續駛里程Sev，并保證車輛的動力性能和再生制動能量的回收［11］。RE給驅動電機提供輔助功率和/或為蓄電池充電，以增加續駛里程。

1.2 用于仿真的E-REV參數

用于仿真的E-REV基本參數和性能要求見表1。車輛動力性和續駛里程要求是E-REV動力系統部件選型的兩個主要指標。根據表1的數據，選定了除RE之外的動力系統部件，主要參數如表2所示［2］。本文中基于這些參數和性能要求，開展EREV能量管理策略的仿真研究，給出確定RE重要參數的參考方法。

表1 E-REV基本參數和動力性要求

表2 動力傳動系統部件主要參數

1.3 仿真工況的選取

本文中研究的E-REV有短途(如在城市內)和長途兩種行駛模式，分別對應于動力系統的純蓄電池供電模式和RE/蓄電池供電模式。在純蓄電池供電模式下，E-REV只用蓄電池儲存的電能驅動車輛，可以滿足日常工況的需要。在RE/蓄電池供電模式下，要求E-REV能在低速或高速工況下具有更長的續駛里程，以滿足長途行駛的需要。因此，為了體現城市和公路兩種典型行駛條件的特征［12］，本文中選用城市工況FTP-72和公路工況HWFET、新歐洲工況NEDC和中國乘用車市區工況CUDC［13］4種典型循環工況進行研究。

2 發動機定點能量管理策略

2.1 發動機恒定功率的計算

E-REV采用定點能量管理策略時，發動機/發電機的運行完全由蓄電池的SOC來控制，即允許RE在蓄電池SOC高于SOC上限SOCHigh之前輸出設定的恒定功率，然后，關閉RE，E-REV零排放純電動行駛。當SOC降到其設定的下限SOCLow時，RE再次起動，輸出恒定功率。由于發動機與路面負荷相脫離和蓄電池的負荷均衡作用，發動機能夠工作在燃油效率較高的恒定工作點［14－16］。

考慮到4種典型循環工況中HWFET工況的平均車速最高，因此參照該工況來確定發動機定點輸出功率Peng。

蓄電池和RE須滿足車輛行駛工況的總能量需求為

式中:Ebatt、ERE和Etotal_req分別為蓄電池輸出能量、RE輸出能量和車輛行駛總能量需求，kJ。

為了求得Etotal_req，可選取E-REV純蓄電池供電模式，在HEFET工況下進行仿真計算。單個HWFET工況下，車輛的總需求能量為

式中:Tcyc為工況時間，s;Pbatt為蓄電池功率，kW;Ebatt_dri、Ebatt_reg和Eacc分別為蓄電池輸出的驅動能量、回饋的再生制動能量和車輛附件消耗的能量，kJ。

根據上述分析，發動機輸出的恒定功率須滿足:

式中ηgen為發電機效率。

根據式(1)～式(5)，化簡得到發動機定點輸出功率 Peng，即

根據表1和表2的數據，FTP-72和HWFET工況下的數值仿真結果如表3所示。

表3 市區和公路工況下的發動機定點輸出功率

采用上述方法，FTP-72、HWFET、NEDC 和CUDC 4種典型工況下所需的發動機恒定功率仿真結果分別為6.9、15.5、7.6和5.3kW。從仿真結果可以看出，市區工況下的發動機恒定功率需求遠小于公路工況，為了同時滿足市區和公路工況下的功率需求，應根據HWFET工況來確定發動機的定點輸出功率。

2.2 發動機工作點的選擇

圖2為發動機等燃油消耗率曲線。E-REV采用串聯式動力系統結構，利用發動機與路面負荷相脫離的特點，控制發動機工作在燃油消耗率低的中高負荷區。通過直接起停技術取消發動機怠速，使發動機起動后即工作在恒轉速恒轉矩工況點(A點)，其轉速和轉矩分別為3 000r/min和50N·m，發動機輸出恒定功率為15.7kW，能夠滿足HWFET工況下15.5kW的平均功率需求。

2.3 發動機定點能量管理策略

發動機定點能量管理策略從優化發動機工作點出發，兼顧蓄電池SOC的平衡，是比較直接和常用的SHEV能量管理策略。

圖3為20個CUDC工況下，蓄電池SOC和發動機功率隨行駛距離的變化關系。其中，發動機恒定功率取15.7kW，蓄電池SOC初值為1.0，為了確保蓄電池性能并延長其使用壽命，増程模式下SOC的充放電區間取0.3～0.7［17］。從圖3的仿真結果可以看出，當蓄電池SOC下降到0.3時，RE起動，發動機在預定的高效工況點工作，其中一部分功率用于驅動車輛行駛，剩余部分給蓄電池充電，使蓄電池SOC值持續升高。當蓄電池SOC升高到0.7時，發動機停機，E-REV純電動行駛。如此反復，直至耗盡油箱內的燃油。

3 增程器開/關機時刻的優化

E-REV 在FTP-72、NEDC、CUDC和HWFET 4種典型工況下，純電動續駛里程的仿真結果分別為73.5、61.8、75.6 和 71.9km，能夠滿足不小于 60km的設計要求。當E-REV的目標行程D大于Sev0時(Sev0表示由蓄電池SOC初值確定的E-REV純電動續駛里程，該值不大于Sev)，目標行程的長短將會影響發動機的運行時間和開關機次數，進而影響車輛的燃油經濟性。為了充分利用來自電網的蓄電池能量，要求E-REV行駛過程中盡量減少發動機開關機次數和行車充電時間。因此E-REV長途行駛時，應考慮對RE的開關機時刻進行優化。

3.1 兩種優化方法的比較

圖4為中國乘用車市區工況下，目標行程為90km時，原定點能量管理策略的仿真結果。

從仿真結果可以看出，蓄電池SOC下降到0.3(M點)時起動發動機，SOC到達0.637(N點)時完成90km的目標行程。在整個目標行程范圍內，包含了純電動運行和行車充電兩個過程，發動機行車充電時間(MN段)為2 244s。

為了盡量縮短發動機的行車充電時間，可采用兩種方法對原控制策略進行優化。

(1)純電動行駛過程中提前起動發動機

圖5為控制策略優化后，發動機提前開機的仿真結果。由圖可見:在純電動行駛階段，當蓄電池SOC下降到0.599(A點)時即起動發動機，在完成目標行程的同時，能使蓄電池SOC恰好降到0.3附近(C點)。在此過程中，發動機行車充電時間為664s，與優化前的控制策略相比，發動機運行時間減少了70.4%。

(2)行車充電過程中提前關閉發動機

圖6為控制策略優化后，發動機提前關機的仿真結果。由圖可見:在行車充電過程中，當蓄電池SOC上升到0.396(F點)時，發動機提前關機，發動機運行時間為605s，同優化前相比減少了73%;在隨后的FG段，E-REV純電動行駛，G點的SOC值為0.300 2。

兩種優化控制策略均以E-REV的目標行程為約束條件，通過優化發動機的開/關機時刻，使發動機給蓄電池充入的電能剛好能在下一次外接充電之前用完。該定點能量管理策略有以下優點:(1)減少發動機的運行時間，節省燃油，減少排放;(2)充分利用蓄電池中儲存的電能，節約出行成本;(3)便于下一次蓄電池外接充電，充分利用電網電能。

3.2 開/關機時刻公式推導

在發動機恒定功率確定的情況下，目標行程終點處的蓄電池SOC值與初始SOC、循環工況、目標行程長短和充放電區間等因素有關。因此，須結合不同的循環工況來確定發動機的開/關機時刻。

用參數a表示蓄電池SOC從初始值下降到0.3過程中單位SOC的行駛里程;參數b表示SOC從0.3充電到0.7的行車充電過程中單位SOC的行駛里程;參數c表示SOC從0.7下降到0.3的純電動行駛過程中單位SOC的行駛里程。FTP-72、NEDC和CUDC 3種工況下，參數 a、b、c的仿真結果見表4。

表4 不同工況下單位SOC的行駛里程

采用純電動行駛過程中發動機提前起動的方法，結合圖5，則E-REV的目標行程為

式中:D為目標行程，km;SOC0為蓄電池 SOC初值，%;SOCeng_on為發動機提前起動時所對應的蓄電池荷電狀態，%。

根據式(7)，化簡得到發動機提前起動時的SOCeng_on為

采用行車充電過程中發動機提前關機的方法，結合圖6，E-REV的目標行程為

D=a(SOC0－30)+(b+c)(SOCeng_off－30)(9)

根據式(9)，化簡得到行車充電過程中發動機提前關機時的SOCeng_off為

式(8)和式(10)僅適用于目標行程介于(Sev0，Sev0+Schar+Sev1］的情況。其中，Schar為蓄電池 SOC由0.3充電到0.7時的行車充電行程;Sev1為SOC由0.7降到0.3時的純電動行程。根據表4中的參數和蓄電池SOC初值，可以計算不同循環工況下的Sev0、Schar和 Sev1。

當目標行程D大于(Sev0+Schar+Sev1)時，可采用行車充電過程中發動機提前關機的方法，對發動機關機時的SOC值進行修正。設發動機累積起動次數為n，則目標行程滿足:

根據式(11)和式(12)，化簡得到發動機提前關機時的SOCeng_off為

3.3 優化前后仿真結果的比較

將原有的發動機定點能量管理策略和優化后的策略都導入在 AVL-Cruise/Simulink中建立的EREV整車前向仿真模型中，進行仿真計算。選取FTP-72循環工況，蓄電池初值SOC0取0.9，目標行程為100km。

根據表4中FTP-72工況下的 a、b、c數值，Sev0、Schar和Sev1的計算結果分別為63、27.2和37.7km。因此100km的目標行程滿足(63，127.9］的條件，可利用式(8)和式(10)對發動機開關機時的SOC控制參數進行修正。圖7為FTP-72工況下的仿真結果。

表5為FTP-72工況下，定點能量管理策略優化前后，SOC控制參數的變化情況和發動機運行時間的比較。目標行程為100km時，由式(8)和式(10)得出發動機提前開機和關機時的SOC控制參數為0.462和0.528，與優化前的策略相比，發動機運行時間分別減少了43.3%和42.4%。通過對NEDC和CUDC工況的仿真分析，也能得到類似的結果。

表5 FTP-72工況下優化前后結果比較

為了驗證發動機多次起動的優化效果，選取CUDC為仿真工況，蓄電池SOC0取1.0，目標行程為220km，仿真結果見圖8。

由圖可見:整個過程中發動機起動3次，在第3次起動后對蓄電池SOC值進行修正;當SOC上升到0.465時關閉發動機，利用RE給蓄電池充入的電能正好能夠完成后面的里程。與優化前的策略相比，發動機運行時間減少21.4%。

從以上仿真結果可以看出，在純電動和行車充電過程中，通過控制發動機的開/關機時刻，可較大程度地減少發動機的運行時間，因此燃油消耗量和由于蓄電池充放電損失的能量也會大幅度減少。

4 結論

本文中針對E-REV開發中的能量管理策略問題，分析了常用的定點能量管理策略，并在此基礎上，結合E-REV的行駛模式和動力系統特點，以目標行程為約束條件，對RE的開關機時刻進行優化，提出了一種適合E-REV的定點能量管理策略。在選定的循環工況下，利用AVL-Cruise/Simulink軟件平臺進行了仿真。根據仿真結果得出以下結論。

(1)利用串聯型動力系統結構中發動機與路面負荷相脫離的特點，控制發動機工作在燃油消耗率低的中高負荷區，有利于E-REV盡可能獲得好的燃油經濟性和低的排放。

(2)優化后的控制策略，可以根據不同的循環工況和目標行程對發動機的開/關機時刻進行精確控制，能夠有效減少發動機行車充電時間，有利于降低燃油消耗和廢氣排放，同時也便于下一次蓄電池外接充電，充分利用電網電能。

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