串聯混合動力汽車車載供電系統的設計及驗證*

孫逸神，程 偉

(上海汽車集團股份有限公司新能源汽車事業部，上海 201804)

前言

當前社會面臨愈發嚴重的常規能源短缺和環境持續污染兩大問題，向新能源方向轉型是必然趨勢。各大汽車公司的新能源戰略主要聚焦在電動汽車的研發，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駛里程與成本問題，是當前階段最接近大規模產業化的新能源汽車。

串聯混合動力汽車的發動機工況與路況完全解耦，因此可使發動機始終運行于低油耗、低排放區域。與其它形式的混合動力結構相比，串聯系統的結構和控制相對簡單，實現方便。

車載供電系統作為插電式串聯混合動力汽車的關鍵部件，直接影響車輛的節油效果和能量管理。本文中介紹車載供電系統的設計與匹配，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缺點比較

1 車載供電系統的設計

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

車載供電系統的設計目標為:①滿足輸出足夠電功率的需求;②運行在最佳燃油經濟性曲線;③可通過發電機快速起動。

車載供電系統的輸出功率特性需求由驅動電機和動力電池共同決定，在此基礎上確定發電機和發動機的設計參數。其設計原則如下。

(1)發電機輸出功率即為車載供電系統的輸出功率，發動機功率范圍應略大于發電機輸出功率。

(2)發動機的工作區域應兼顧燃油經濟性和NVH性能，而發電機的高效區應與發動機匹配。

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

(4)在滿足車載供電系統功率需求的基礎上，應盡可能降低發電機的轉矩需求而提高其工作轉速，以提高發電機的功率密度，減小發電機控制器容量。

將某B級車設計為效率優化型的中度串聯混合動力汽車，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，設定車載供電系統的最大輸出電功率為35kW。

根據上述設計原則，可得車載供電系統的選型和主要設計參數如表2所示。

表2 車載供電系統設計方案

2 車載供電系統建模與仿真

為設計驗證車載供電系統控制策略，建立了發動機、發電機和控制器等模型。

2.1 發動機平均值模型

發動機平均值模型［3-4］不考慮復雜的燃燒模型和各缸曲軸轉角的差異，而著眼于研究發動機工作的動態特性。在發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、油膜動力學和曲軸動力學3個子模型組成。

進氣動力學子模型主要描述節氣門與進氣道內的空氣流量和壓力狀態。

油膜動力學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，油膜再蒸發后形成蒸氣進入氣缸燃燒。

為方便轉矩分配、管理和協調，曲軸動力學子模型現多采用基于轉矩平衡的動力輸出模型。

式中:Jice為發動機轉動慣量;ω為發動機旋轉角速度;Tf為摩擦阻力矩;Tp為泵氣阻力矩;Tload為負載力矩;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、轉速和進氣壓力等。泵氣阻力和摩擦阻力主要由試驗數據擬合而得。

2.2 發電機模型

發電機選用永磁同步電機，數學模型［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為轉子角速度;λ為感應磁通量幅值;r為定子繞組電阻值;p為極對數;Te為電磁轉矩;Tm為機械轉矩;F為定子與負載的摩擦因數;Jgen為發電機轉動慣量。

發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控制的電流調節器、角度變換模塊和開關控制模塊。

2.3 控制器模型

車載供電系統由一獨立的控制器控制，該控制器根據整車的功率需求指令，協調發動機控制器和發電機控制器，實現轉速與功率的解耦控制，可快速、穩定、準確地輸出電功率，并使系統工作于最佳油耗區域。

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

使用Matlab/Simulink軟件對車載供電系統進行建模和仿真。基于Simulink/Stateflow設計系統的控制策略，控制器模型結構如圖4所示。

仿真結果如圖5和圖6所示。可見在該控制策略下，轉速始終跟隨目標值，車載供電系統在起動和關機時均在低負荷下運行一段時間，而在正常工作時能夠及時穩定地輸出需求電功率。

2.4 燃油經濟性仿真分析

以某B級車為平臺開發插電串聯式油電混合動力系統。根據表2中參數，采用Advisor軟件進行燃油經濟性仿真。以連續9個NEDC循環工況為路面負荷條件，初始SOC值為0.9，采用恒溫器與功率跟隨相結合的策略，在系統運行過程中，使SOC保持在0.4～0.6之間。9個NEDC循環工況、SOC值和車載供電系統的輸出電功率如圖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的燃油經濟性為100km油耗8.0L。

3 車載供電系統臺架試驗

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

試驗結果如圖8～圖10所示。圖8為車載供電系統輸出功率與目標值的對比曲線，圖9為轉速與目標值的對比曲線。從圖中可以看出，轉速始終跟隨目標值。在暖機后和卸載前的正常工作狀態下，車載供電系統輸出功率跟隨目標值，超調量小于3kW，穩態誤差小于1kW。

圖10為車載供電系統連續運行9個NEDC循環工況需求輸出功率與實際輸出功率的曲線對比。車載供電系統從冷機狀態開始持續運行，實測燃油經濟性為100km油耗8.1L，與仿真計算值基本一致。與原車100km油耗10.5L的燃油經濟性相比，應用車載供電系統的串聯混合動力汽車可節油22.9%。

4 結論

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

(2)應用此車載供電系統的串聯混合動力汽車，在NEDC循環工況下整車燃油經濟性可比原車提高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.插電式串聯混合動力汽車系統設計及仿真研究［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］嚴明.汽油機平均值模型的建立及試驗研究［D］.鎮江:江蘇大學，2009.

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