串聯(lián)混合動力汽車車載供電系統(tǒng)的設(shè)計及驗證*

孫逸神，程 偉

(上海汽車集團股份有限公司新能源汽車事業(yè)部，上海 201804)

前言

當(dāng)前社會面臨愈發(fā)嚴(yán)重的常規(guī)能源短缺和環(huán)境持續(xù)污染兩大問題，向新能源方向轉(zhuǎn)型是必然趨勢。各大汽車公司的新能源戰(zhàn)略主要聚焦在電動汽車的研發(fā)，包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。各種新能源汽車的主要特點［1］如表1所示，其中混合動力汽車可以兼顧續(xù)駛里程與成本問題，是當(dāng)前階段最接近大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的新能源汽車。

串聯(lián)混合動力汽車的發(fā)動機工況與路況完全解耦，因此可使發(fā)動機始終運行于低油耗、低排放區(qū)域。與其它形式的混合動力結(jié)構(gòu)相比，串聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制相對簡單，實現(xiàn)方便。

車載供電系統(tǒng)作為插電式串聯(lián)混合動力汽車的關(guān)鍵部件，直接影響車輛的節(jié)油效果和能量管理。本文中介紹車載供電系統(tǒng)的設(shè)計與匹配，并通過仿真和臺架試驗進行分析和驗證。

表1 各種新能源汽車的優(yōu)缺點比較

1 車載供電系統(tǒng)的設(shè)計

插電式串聯(lián)混合動力汽車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［2］如圖1所示。車載供電系統(tǒng)主要由發(fā)動機和發(fā)電機組成。作為車輛的輔助動力單元，車載供電系統(tǒng)可在動力電池SOC低時為其充電，也可在整車有大功率需求時，與動力電池共同驅(qū)動車輛。發(fā)動機與發(fā)電機之間采用直接的機械連接，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持一致。

車載供電系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)為:①滿足輸出足夠電功率的需求;②運行在最佳燃油經(jīng)濟性曲線;③可通過發(fā)電機快速起動。

車載供電系統(tǒng)的輸出功率特性需求由驅(qū)動電機和動力電池共同決定，在此基礎(chǔ)上確定發(fā)電機和發(fā)動機的設(shè)計參數(shù)。其設(shè)計原則如下。

(1)發(fā)電機輸出功率即為車載供電系統(tǒng)的輸出功率，發(fā)動機功率范圍應(yīng)略大于發(fā)電機輸出功率。

(2)發(fā)動機的工作區(qū)域應(yīng)兼顧燃油經(jīng)濟性和NVH性能，而發(fā)電機的高效區(qū)應(yīng)與發(fā)動機匹配。

(3)為滿足快速起動發(fā)動機的要求，發(fā)電機應(yīng)具備驅(qū)動功能且有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。在保證起動轉(zhuǎn)矩的前提下，可不要求其具有過載功能。

(4)在滿足車載供電系統(tǒng)功率需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能降低發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩需求而提高其工作轉(zhuǎn)速，以提高發(fā)電機的功率密度，減小發(fā)電機控制器容量。

將某B級車設(shè)計為效率優(yōu)化型的中度串聯(lián)混合動力汽車，車速與需求功率曲線如圖2所示。為保證車輛在饋電情況下能以120km/h車速運行，考慮各附件的需求功率和一定的功率裕量，設(shè)定車載供電系統(tǒng)的最大輸出電功率為35kW。

根據(jù)上述設(shè)計原則，可得車載供電系統(tǒng)的選型和主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 車載供電系統(tǒng)設(shè)計方案

2 車載供電系統(tǒng)建模與仿真

為設(shè)計驗證車載供電系統(tǒng)控制策略，建立了發(fā)動機、發(fā)電機和控制器等模型。

2.1 發(fā)動機平均值模型

發(fā)動機平均值模型［3-4］不考慮復(fù)雜的燃燒模型和各缸曲軸轉(zhuǎn)角的差異，而著眼于研究發(fā)動機工作的動態(tài)特性。在發(fā)動機控制的研究中常采用此模型。平均值模型由進氣動力學(xué)、油膜動力學(xué)和曲軸動力學(xué)3個子模型組成。

進氣動力學(xué)子模型主要描述節(jié)氣門與進氣道內(nèi)的空氣流量和壓力狀態(tài)。

油膜動力學(xué)子模型主要分析燃油形成蒸氣的過程。從噴油嘴噴出的燃油一部分形成燃油蒸氣與空氣混合進入氣缸燃燒，另一部分則附著于進氣歧管表面形成油膜，油膜再蒸發(fā)后形成蒸氣進入氣缸燃燒。

為方便轉(zhuǎn)矩分配、管理和協(xié)調(diào)，曲軸動力學(xué)子模型現(xiàn)多采用基于轉(zhuǎn)矩平衡的動力輸出模型。

式中:Jice為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量;ω為發(fā)動機旋轉(zhuǎn)角速度;Tf為摩擦阻力矩;Tp為泵氣阻力矩;Tload為負(fù)載力矩;ηi為指示熱效率;Hu為燃油熱值。

影響指示熱效率的因素很多，其中主要有點火提前角、空燃比、轉(zhuǎn)速和進氣壓力等。泵氣阻力和摩擦阻力主要由試驗數(shù)據(jù)擬合而得。

2.2 發(fā)電機模型

發(fā)電機選用永磁同步電機，數(shù)學(xué)模型［5］為

式中:id、iq為 d、q 軸電流;Lq、Ld為 d、q 軸電感;ud、uq為d、q軸電壓;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;λ為感應(yīng)磁通量幅值;r為定子繞組電阻值;p為極對數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Tm為機械轉(zhuǎn)矩;F為定子與負(fù)載的摩擦因數(shù);Jgen為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量。

發(fā)電機模型采用矢量控制，其主要模塊如圖3所示，包括dq-abc變換模塊、基于bang-bang控制的電流調(diào)節(jié)器、角度變換模塊和開關(guān)控制模塊。

2.3 控制器模型

車載供電系統(tǒng)由一獨立的控制器控制，該控制器根據(jù)整車的功率需求指令，協(xié)調(diào)發(fā)動機控制器和發(fā)電機控制器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與功率的解耦控制，可快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地輸出電功率，并使系統(tǒng)工作于最佳油耗區(qū)域。

為保護發(fā)動機并減少油耗，車載供電系統(tǒng)起動后高怠速運行一段時間，直至發(fā)動機水溫達到一定閾值后，再輸出需求功率。在關(guān)閉前，系統(tǒng)在低速低負(fù)荷狀態(tài)下穩(wěn)定運行一段時間，以延長發(fā)動機的使用壽命。

使用Matlab/Simulink軟件對車載供電系統(tǒng)進行建模和仿真。基于Simulink/Stateflow設(shè)計系統(tǒng)的控制策略，控制器模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。可見在該控制策略下，轉(zhuǎn)速始終跟隨目標(biāo)值，車載供電系統(tǒng)在起動和關(guān)機時均在低負(fù)荷下運行一段時間，而在正常工作時能夠及時穩(wěn)定地輸出需求電功率。

2.4 燃油經(jīng)濟性仿真分析

以某B級車為平臺開發(fā)插電串聯(lián)式油電混合動力系統(tǒng)。根據(jù)表2中參數(shù)，采用Advisor軟件進行燃油經(jīng)濟性仿真。以連續(xù)9個NEDC循環(huán)工況為路面負(fù)荷條件，初始SOC值為0.9，采用恒溫器與功率跟隨相結(jié)合的策略，在系統(tǒng)運行過程中，使SOC保持在0.4～0.6之間。9個NEDC循環(huán)工況、SOC值和車載供電系統(tǒng)的輸出電功率如圖7所示。

將消耗的電量折合成油耗后，整個工況車載供電系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性為100km油耗8.0L。

3 車載供電系統(tǒng)臺架試驗

為驗證控制策略的功能和燃油經(jīng)濟性仿真的可靠性，進行車載供電系統(tǒng)臺架試驗。整個試驗臺架由車載供電系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電子負(fù)載和控制器組成。

試驗結(jié)果如圖8～圖10所示。圖8為車載供電系統(tǒng)輸出功率與目標(biāo)值的對比曲線，圖9為轉(zhuǎn)速與目標(biāo)值的對比曲線。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速始終跟隨目標(biāo)值。在暖機后和卸載前的正常工作狀態(tài)下，車載供電系統(tǒng)輸出功率跟隨目標(biāo)值，超調(diào)量小于3kW，穩(wěn)態(tài)誤差小于1kW。

圖10為車載供電系統(tǒng)連續(xù)運行9個NEDC循環(huán)工況需求輸出功率與實際輸出功率的曲線對比。車載供電系統(tǒng)從冷機狀態(tài)開始持續(xù)運行，實測燃油經(jīng)濟性為100km油耗8.1L，與仿真計算值基本一致。與原車100km油耗10.5L的燃油經(jīng)濟性相比，應(yīng)用車載供電系統(tǒng)的串聯(lián)混合動力汽車可節(jié)油22.9%。

4 結(jié)論

(1)車載供電系統(tǒng)可以實現(xiàn)既定的各項功能:發(fā)電機快速起動發(fā)動機;實現(xiàn)工作模式切換;快速準(zhǔn)確地輸出需求電功率;具備一定的故障診斷和處理能力。

(2)應(yīng)用此車載供電系統(tǒng)的串聯(lián)混合動力汽車，在NEDC循環(huán)工況下整車燃油經(jīng)濟性可比原車提高22%以上。

［1］自動車マーケティンググループ.2010年版燃料電池自動車の現(xiàn)狀と將來性［R］.総合技研株式會社，2010.

［2］程偉，稅方，路華鵬.插電式串聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究［J］.上海汽車，2009(12):8-11.

［3］Elbert Hendricks，Spencer C Sorenson.Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines［C］.SAE Paper 900616.

［4］嚴(yán)明.汽油機平均值模型的建立及試驗研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2009.

［5］Permanent Magnet Synchronous Machine，Matlab Help［G］.1984-2006 The MathWorks，Inc.