插電式串聯(lián)混合動力汽車的系統(tǒng)匹配與仿真*

吳曉剛，盧蘭光

(1.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080; 2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

在建立整車模型的基礎(chǔ)上，利用能量流圖的方法分析幾種能量分配控制方法，通過比較得到一種能夠提高燃油經(jīng)濟性和零部件效率的能量分配方法。

插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)是指可通過外部充電裝置從電網(wǎng)中獲取電能的混合動力汽車［1］。PHEV能夠在保證整車動力性能的前提下，在電能消耗續(xù)駛里程內(nèi)主要通過電力驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動車輛，從而充分利用電網(wǎng)電能［2］。目前國外許多汽車制造商及研究機構(gòu)針對不同構(gòu)型的PHEV開展了相關(guān)的研究工作［3-5］。

為保證PHEV具有良好的節(jié)能效果，需要在對構(gòu)型分析和系統(tǒng)匹配的基礎(chǔ)上，進行能量分配控制方法的研究。本文中針對一款插電式串聯(lián)混合動力汽車(plug-in series hybrid electric vehicle，PSHEV)

1 PSHEV動力系統(tǒng)構(gòu)型分析

本文中研究的PSHEV是在傳統(tǒng)電動汽車構(gòu)型的基礎(chǔ)上，采用原動機和發(fā)電機構(gòu)成的輔助功率單元(auxiliary power unit，APU)來彌補動力電池存儲能量少而帶來的不足，達到增加電驅(qū)動車輛行駛里程的目的。

PSHEV動力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示，主要由驅(qū)動電機、動力電池和APU 3部分構(gòu)成。

發(fā)電機輸出的電能和動力電池儲存的電能可以分別或混合后為驅(qū)動電機提供能量。系統(tǒng)通過發(fā)電機—電機實現(xiàn)機械能—電能—機械能的轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)汽車機械耦合傳動變成電傳動，發(fā)動機與車輛實現(xiàn)完全機械解耦，其運行工況不受汽車行駛工況的影響，發(fā)動機可以始終控制在最佳的工作區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運行。

2 PSHEV動力系統(tǒng)匹配和部件選型

設(shè)計的PSHEV動力系統(tǒng)匹配和部件選型方案如圖2所示。

動力系統(tǒng)匹配和選型過程中，首先通過分析道路工況和整車的功率需求，決定對整車動力源的功率要求，由于所設(shè)計的PSHEV為電驅(qū)動平臺汽車，即通過整車功率需求可確定牽引電機的功率，通過車輛的加速和爬坡度的計算，可得到牽引電機的最大轉(zhuǎn)矩和變速器(減速器)的速比。按照續(xù)駛里程的要求，可計算得到動力電池的容量參數(shù)。根據(jù)道路工況，確定APU的平均功率后，可通過建立原動機高效區(qū)、發(fā)電機高效區(qū)和電池電壓的參數(shù)關(guān)系，對APU進行匹配和選型。

2.1 道路工況和整車性能參數(shù)分析

車輛性能要求主要取決于運行狀態(tài)，因此設(shè)計時需要考慮循環(huán)工況和道路要求。圖3和圖4分別為我國乘用車的城區(qū)和城郊快速循環(huán)工況圖。由圖可看出，乘用車在城市工況下平均運行速度為20～60km/h，在城郊最高車速可達118.43km/h。

為保持原車的動力性，同時考慮PSHEV主要應(yīng)用于城區(qū)道路的場合，參見文獻［6］中對我國各級公路主要技術(shù)指標、車庫內(nèi)通車道的最大坡度數(shù)據(jù)以及日系乘用車最高車速和爬坡能力的論述，設(shè)計PSHEV的動力性目標如表1所示。

表1 PSHEV動力性設(shè)計目標

根據(jù)本文中所研究的實驗樣車車型，計算中采用車型參數(shù)如表2所示，計算所用參數(shù)如表3所示。

表2 PSHEV車型基本參數(shù)

表3 PSHEV計算參數(shù)表

2.2 驅(qū)動電機的選型

計算過程中認為PSHEV行駛在理想的道路上，即空氣絕對速度為零。

式中:Ft為電機牽引力;Ff為滾動阻力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力;Fj為加速阻力;f為滾動阻力系數(shù);m為汽車質(zhì)量;g為重力加速度，取9.8m/s2;i為坡度;Cd為空氣阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;ρ為空氣密度;ua為車速。

根據(jù)表2和表3的參數(shù)，汽車以滿載質(zhì)量在不同坡度的道路上勻速行駛時，由式(1)和式(7)可以分別計算得到驅(qū)動電機的牽引力如圖5所示，牽引功率需求如圖6所示。

將行車阻力折算到電機輸出轉(zhuǎn)矩，可以得到如圖7所示數(shù)據(jù)。

以PSHEV平均速度60km/h、在爬坡度為9%的道路上運行，以車輛最高設(shè)計速度在平坦道路上運行作為確定驅(qū)動電機額定功率的重要參考;以PSHEV在9%坡度，車速為80km/h條件運行時所需功率作為確定驅(qū)動電機最高功率的重要參考。與此同時，驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩還需要保證能夠爬上36%的坡度。根據(jù)圖7，可以確定驅(qū)動電機在此條件下運行功率為

P(9%，60km/h)≈25kW

P(9%，80km/h)≈37kW

P(0%，120km/h)≈28kW

在滿足減速比的條件下，最高功率37kW的驅(qū)動電機完全滿足車輛在水平道路上以120km/h高速運行時28kW的功率需求。因此，驅(qū)動電機的最高功率為

Pmax=25～37kW

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系為

式中:ua為車速;n為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速;r為車輪半徑，m;ig為變速器速比;i0為主減速器速比。

若原型車采用驅(qū)動電機直驅(qū)方式，即ig為1，而主減速比 i0按原型車主減速比計算，車輛以120km/h速度行駛時，根據(jù)式(8)可以計算出對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速為4604r/min。因此電機最高轉(zhuǎn)速應(yīng)達到4600r/min以上，最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于350N·m。

2.3 動力電池選型

動力電池電壓要和PSHEV的電壓等級和變化范圍一致，容量要滿足PSHEV在運行過程中對能量的要求，最大充電功率和放電功率要滿足發(fā)電機和驅(qū)動電機的功率要求。考慮到所選驅(qū)動電機外電壓，本文選擇電池端電壓為240V。電池組容量的選擇主要考慮車輛行駛時的最大輸出功率和消耗的能量，以保證PSHEV的動力性和續(xù)駛里程要求。結(jié)合PSHEV純電動續(xù)駛里程指標計算所需動力電池的容量。為避免電池過度放電，參見文獻［7］中的計算，純電動續(xù)駛里程以電池容量的75%來計算。

式中:s為等速運行速度時的續(xù)駛里程;Pm為驅(qū)動電機需求功率;Pbat，out為電池輸出功率;Ubat為電池端電壓;Wbat為電池能量;Qbat為電池容量。

根據(jù)式(9)可以分別計算坡度為0%時，車輛分別以40、60和80km/h等速運行，續(xù)駛里程在100km時所需的電池容量，如表4所示。

表4 不同車速下PSHEV所需電池容量計算結(jié)果

根據(jù)我國頒布的GB/T18386—2001《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》中的要求，并結(jié)合參考文獻［7］中的計算，在設(shè)計續(xù)駛里程100km的情況下，選擇以60km/h等速運行時所需電池容量作為電池容量要求，結(jié)合實際情況，選擇電池容量為60A·h。

2.4 發(fā)電機選型

由于發(fā)電機產(chǎn)生的電能主要用來給驅(qū)動電機提供穩(wěn)態(tài)功率，因此在發(fā)電機選型的功率設(shè)計中主要考慮驅(qū)動電機功率需求和附件設(shè)備消耗功率需求。

2.4.1 驅(qū)動電機需求

乘用車在城區(qū)工況下電機的工作點分布如圖8所示，城郊快速工況下電機工作點分布如圖9所示。

由圖8和圖9可以看出，城區(qū)工況時驅(qū)動電機最大功率不大于38kW，平均功率為3.25～4.33kW。快速工況時驅(qū)動電機最大功率約為45kW，平均功率在9.14～9.79kW之間。綜上所述，驅(qū)動電機輸出功率應(yīng)該在3.25～45kW之間。

2.4.2 附件設(shè)備消耗功率需求

PSHEV附件設(shè)備消耗功率大約占整車驅(qū)動功率的15%左右［6］。若考慮怠速不停機策略，在城區(qū)工況APU輸出功率不應(yīng)小于3.74kW。快速工況時APU輸出功率不應(yīng)小于10.5kW。考慮怠速停機策略，在城區(qū)工況時APU輸出功率應(yīng)不小于5kW。在城市快速工況時APU輸出功率應(yīng)不小于11.3kW。

根據(jù)以上分析，可選取永磁同步發(fā)電機額定功率為12kW。此時可滿足整車在80km/h勻速時所需功率。同時，所選取60A·h容量的電池在1C放電下能提供14.4kW的功率，加上永磁同步發(fā)電機輸出功率，基本能夠滿足最高車速120km/h的功率需求。為此，選擇某公司生產(chǎn)的高速永磁發(fā)電機，其效率曲線如圖10所示。由圖10可知，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速在3000～3500r/min，轉(zhuǎn)矩在50N·m左右時，效率最高可達90.5%。

2.5 發(fā)動機選型及其工作點的確定

在選擇發(fā)動機時，須考慮發(fā)電機和附件設(shè)備消耗功率，并與發(fā)電機匹配共同工作在最佳油耗區(qū)域。

由于已選擇發(fā)電機額定功率為12kW，考慮發(fā)電機的平均效率(按87%計算)，則發(fā)動機需要選擇的額定功率應(yīng)大于13.79kW。為此選用某公司生產(chǎn)的3缸四沖程0.8L發(fā)動機，其實測燃油經(jīng)濟工作曲線如圖11所示。

由圖11可知，發(fā)動機在2400～3200r/min，轉(zhuǎn)矩為50～65N·m區(qū)間時，燃油消耗量最低，與發(fā)電機的高效區(qū)實現(xiàn)了匹配。

3 整車性能仿真

為驗證PSHEV匹配選型的合理性，在Matlab/Simulink中建立了整車模型，在此基礎(chǔ)上進行了整車動力性能仿真，結(jié)果如表5所示。由表5可見，所設(shè)計的PSHEV可以滿足整車動力性能指標。

表5 PSHEV整車動力性能仿真結(jié)果

為分析所設(shè)計PSHEV的經(jīng)濟性，選擇我國城市道路工況作為循環(huán)工況，采用ON-OFF、負載跟隨以及ON-OFF與負載跟隨相結(jié)合的3種不同控制方法，進行了整車仿真分析。

仿真分析主要在插電式混合動力汽車應(yīng)用模式和電量維持模式兩種情況下進行。其中插電式混合動力汽車應(yīng)用模式為初始SOC=0.9，純電動至SOC較低時開啟APU，使之處于電量維持模式。電量維持模式指循環(huán)工況下維持SOC在0.2～0.4之間。

3.1 ON-OFF控制方法仿真

電量維持模式下，采用ON-OFF控制方法，APU開啟后一直在輸出功率為15kW的工作區(qū)。此時動力電池電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、APU輸出電流和SOC隨工況循環(huán)波動的曲線如圖12所示。

由圖12可知，在SOC達到0.2以下時，APU開啟工作，此時APU輸出功率為15kW，當SOC達到0.4以上時，APU停止工作。

圖13為ON-OFF控制方法下發(fā)動機的工作區(qū)域。由圖13可見，采用ON-OFF控制方法，發(fā)動機處于負荷較高的工作區(qū)，即工作在燃油經(jīng)濟性較好的區(qū)域，因此APU系統(tǒng)具有較好的燃油經(jīng)濟性。

圖14為采用ON-OFF控制方法的能流圖。

由圖14可見，采用ON-OFF控制方法時，由于汽油發(fā)動機的負荷較高，因此發(fā)動機效率可達27.14%，但電池存在較頻繁的充放電情況，因此電池損耗較高，電池的充放電效率為95.43%。APU中發(fā)電機及整流橋的綜合效率在89.44%，發(fā)電機基本工作在高效區(qū)，當附件設(shè)備消耗功率為0.6kW時，附件消耗的能量達到燃料等價能量的4.79%，因此可從減小附件設(shè)備消耗功率著手減小能耗損失。

插電式混合動力汽車應(yīng)用模式下，采用ON-OFF控制方法，電池SOC達到0.2時開啟APU工作，當SOC達到0.4時停止APU工作。此時電池SOC、直流母線電壓、電池電流和APU輸出功率變化曲線如圖15所示。

3.2 負載跟隨控制方法仿真

采用輔助功率單元負載跟隨控制方法，電池SOC維持在0.2～0.4之間，采用由道路工況決定的整車負載作為目標，功率輔助單元進行功率跟隨輸出。動力電池電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化、APU輸出電流和SOC隨工況波動的曲線如圖16所示。

圖17為采用負載跟隨控制方法發(fā)動機的工作區(qū)域。由圖17可以看出，采用負載跟隨控制方法，發(fā)動機工作于較窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由于負載跟隨功率從0開始，因此發(fā)動機既工作于負荷較高的高效工作區(qū)，又工作于怠速等燃油經(jīng)濟性較差的區(qū)域。因此APU系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性較差。

圖18為采用負載跟隨控制方法時系統(tǒng)的能流圖。由圖18可以看出，采用負載跟隨控制方法時由于汽油發(fā)動機的輸出功率跟隨路況決定需求功率，因此發(fā)動機工作點不全在高效區(qū)，效率只達到18.89%，但電池不存在較頻繁的充放電情況，因此電池損耗較低，電池的充放電效率為98.14%，電池的充電能量主要由制動能量回饋提供。由于發(fā)電機不只工作在高效區(qū)，因此APU中發(fā)電機及整流橋的綜合效率為73.74%。當附件消耗功率為0.6kW時，附件消耗的能量達到燃料等價能量的2.58%。

插電式混合動力汽車應(yīng)用模式下，采用負載跟隨控制方法，電池SOC達到0.3時開啟APU工作，進行電量維持控制。電池SOC、直流母線電壓、電池電流和APU輸出功率變化曲線如圖19所示。

3.3 ON-OFF與負載跟隨結(jié)合的控制方法仿真

采用ON-OFF與負載跟隨結(jié)合的控制方法，指電池SOC維持在0.2～0.4之間時，輔助功率單元輸出功率范圍為10～20kW，即APU最小開啟功率為10kW。此時動力電池電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、APU輸出電流和SOC隨工況循環(huán)波動的曲線見圖20。

由圖20可以看出，在 SOC達到0.2以下時，APU開啟工作，此時APU輸出功率由負載功率決定，而跟隨的范圍為10～20kW。

圖21為ON-OFF與負載跟隨控制下發(fā)動機的工作區(qū)域。由圖21可見，采用ON-OFF與負載跟隨相結(jié)合的控制方法時，發(fā)動機工作在相對較好的燃油經(jīng)濟性區(qū)域，APU系統(tǒng)具有較好的燃油經(jīng)濟性。

圖22為采用ON-OFF與負載跟隨結(jié)合控制方法下的能流圖。由圖22可見，采用ON-OFF與負載跟隨相結(jié)合控制方法時，由于汽油發(fā)動機的輸出功率跟隨路況決定需求功率，且最小輸出功率為10kW，因此發(fā)動機工作點在經(jīng)濟性較高區(qū)域，效率達到24.62%，在APU輸出功率較大時，由于實現(xiàn)了負載跟隨，因此電池充放電效率好于ON-OFF控制方法。APU中發(fā)電機及整流橋的綜合效率為88.13%。當附件設(shè)備消耗功率為0.6kW時，附件消耗的能量達到燃料等價能量的4.6%。

3種不同控制方法在電量維持條件下，燃油經(jīng)濟性的仿真結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，采用ON-OFF控制方法，由于發(fā)動機無怠速狀況，且工作點均處于燃油經(jīng)濟性較好的高效工作區(qū)，因此燃油經(jīng)濟性較好。但由于ON-OFF存在頻繁的電池充放電狀況，因此電池的損耗較大，達到了4.57%。采用負載跟隨控制方法，發(fā)動機存在怠速運行狀況，且工作點分布在轉(zhuǎn)速范圍較窄的工作區(qū)域，因此燃油經(jīng)濟性較差，但是由于APU的輸出功率是以負載的要求作為目標，因此電池充放電的狀況較少，電池損耗較小，為1.86%。為此，采用ON-OFF與負載跟隨相結(jié)合的控制方法，既可解決ON-OFF控制時電池損耗較高的問題，又能避免負載跟隨控制時發(fā)動機處于低效區(qū)的情況。

插電式混合動力汽車應(yīng)用模式下，采用ON-OFF與負載跟隨結(jié)合的控制方法，電池SOC、直流母線電壓、電池電流和APU輸出功率變化曲線見圖23。

表6 3種控制方法經(jīng)濟性仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)在分析PSHEV構(gòu)型和道路工況功率需求的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計參數(shù)匹配和選型方案，建立了驅(qū)動電機功率、動力電池容量、汽油發(fā)動機和永磁同步發(fā)電機高效工作區(qū)等參數(shù)的關(guān)系，實現(xiàn)了PSHEV各部件的參數(shù)匹配與選型。

(2)在建立系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，分別對ONOFF、負載跟隨以及ON-OFF與負載跟隨相結(jié)合的3種控制方法進行了仿真，并通過能流圖進行了系統(tǒng)能效分析。仿真結(jié)果表明，采用ON-OFF與負載跟隨相結(jié)合的控制方法可以在改善燃油經(jīng)濟性的同時，實現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)部件效率的提高。

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