插電式混合動力轎車整車控制策略的研究*

周能輝，趙春明，辛明華，李 磊，夏超英

(1.天津清源電動車輛有限責任公司，天津 300457; 2.天津大學電氣與自動化學院，天津 300072)

前言

純電動汽車在應對石油短缺和環境污染方面具有較大的優勢，但其存在價格偏高和續駛里程較短的缺點。普通意義上的混合動力汽車具有諸多優點，但其對于減小排放和石油消耗的能力有限。為更進一步降低人類對石油能源的依賴并減少車輛在市區的尾氣排放，研究人員在對駕駛員日常行駛里程進行統計分析后［1］，提出了可外接充電混合動力汽車，即插電式混合動力汽車(PHEV)。PHEV可通過充電裝置從供電網絡獲取電能，在較短的行駛距離(市區)內主要通過電力驅動系統驅動車輛，充分利用電網充入的低成本電能，同時大幅度降低車輛在市區內的空氣污染［2-3］。在較長距離使用混合動力模式，解決了續駛里程短的缺點。因其突出的節能減排性能，PHEV已逐漸成為研發熱點，國外許多汽車制造商和研究機構針對不同布置方式的PHEV進行了研究和生產［4］。

由于PHEV存在兩種以上的動力源和多種工作模式，且它們之間又存在復雜的耦合模式，所以必須根據不同的工況對電機和發動機進行合理的能量分配，以達到車輛最佳的動力性能、燃油經濟性和排放性能［5-6］，因此整車控制策略對于PHEV的性能起到決定性的作用。

1 賽豹PHEV整車構成

1.1 賽豹PHEV整車結構

賽豹PHEV以哈爾濱飛機制造公司的賽豹轎車為基礎車輛平臺，其技術改造主要集中在動力系統，包括發動機與電機的配置和二者的動力耦合機構設計。賽豹PHEV采用單軸雙離合器并聯式結構，用以控制轉矩的耦合。由于采用單向離合器，動力總成系統轉矩只能由發動機向電機方向傳遞，這有效避免了發動機的倒拖工況，在能量回收方面具有很大的優勢。采用1個較小排量的發動機DA468QA代替原來的發動機，其電噴系統經重新匹配標定，與整車控制器通過CAN總線交互信息和控制指令，傳動系統不變，仍然是原車的手動5擋變速器。賽豹PHEV主要部件的參數見表1。

表1 賽豹PHEV主要部件參數

整個動力總成系統主要包括:整車控制器、發動機及其控制系統、電機及其控制系統、鋰離子電池組及其管理系統和單向離合器(位于發動機與電機之間)等，如圖1所示。

圖1中整車控制器負責整車的轉矩管理、分配、故障診斷和保護等，通過CAN總線采集電池狀態、電機狀態、發動機狀態和車輛狀態等參數信息，經過控制策略運算，給電機及發動機控制器發送轉矩和起停指令，同時對電池充放電進行控制，防止電池充放電過流、欠壓、過放和過充等。電池管理系統主要負責鋰離子電池的監控和電池荷電狀態(SOC)的檢測計算等，為整車控制策略提供精確的輸入參數。發動機控制器負責接受整車控制器的轉矩指令和停止指令，完成發動機的狀態和轉矩的控制。電機控制器作為另一個轉矩執行器，它同樣接受整車控制器的指令，完成對電機的控制和狀態的反饋。

1.2 賽豹PHEV整車控制器

整車控制器為控制策略執行的載體，其性能和架構將直接影響到整車控制策略執行的效果，因此，整車控制器的軟件架構參考AUTOSAR標準進行了設計，如圖2所示。它包括:微處理器抽象層(IO驅動、通信驅動、存儲驅動和單片機驅動)、ECU抽象層(IO硬件抽象、通信硬件抽象、存儲硬件抽象和ECU板上設備的驅動)、服務層(實時任務調度系統、函數庫、存儲服務和通信服務)、復雜驅動函數庫和應用層。

整車控制策略如圖3所示，它由駕駛員駕駛意圖解釋、車輛模式管理和能量管理算法3部分組成。在駕駛員駕駛意圖解釋模塊中，整車控制策略通過鑰匙信號、擋位位置、純電動開關、離合器開關、加速踏板位置和制動踏板位置等傳感器捕獲駕駛員的操作過程，從而得到駕駛員的駕駛意圖。在車輛模式管理中，控制器通過鑰匙信號、純電動開關、離合器開關和擋位位置等確定車輛所處的工作模式。能量管理算法中，在純電動模式，整車控制器只分配電機的功率;在混合動力模式下，能量管理算法根據當前的車輛情況進行發動機和電機的能量分配。

2 整車控制策略

混合動力汽車的燃油經濟性，除受到車輛自身各部件的配置影響外，制定和優化其控制策略也是保證其良好的燃油經濟性和排放的關鍵所在。根據車輛的功能需求，針對各部件的特性和汽車的運行工況，控制策略應能實現駕駛需求轉矩在發動機和電機之間合理而有效的分配，以及在不同工況下的電池充放電管理，使整車動力系統效率達到最優，從而獲得良好的燃油經濟性、優異的排放狀況和舒適平穩的駕駛性能。因此，混合動力汽車整車控制策略的開發在整個車輛開發流程中處于核心地位。

賽豹PHEV根據純電動開關的設置主要分為兩種運行模式:純電動模式和混合動力模式。當電池的電量小于設定值或出現故障時，系統會自動切換到混合動力模式。

2.1 賽豹PHEV純電動模式控制策略

在車輛強制進入純電動模式下，整車純電動模式下控制策略框圖如圖4所示。當駕駛員踩下加速踏板時，整車控制器根據加速踏板的行程計算出駕駛員所需求的驅動強度，結合計算出的電機所允許的最大驅動轉矩，就能算出初步的整車驅動轉矩，再根據電池的狀態進行修正后，就可得出整車純電動模式下的驅動轉矩。

2.2 賽豹PHEV混合模式控制策略

為使車輛的排放狀況與燃油經濟性達到最佳的綜合優勢，整車控制策略根據電池SOC狀態來進行整車的功率分配，采用多階段多目標的控制策略，來達到較好的經濟性能和排放性能。根據不同的功率需求，把整車的功率分配策略劃分為多個階段，同時根據SOC的不同，把整車能量消耗分為SOC消耗型和SOC保持型兩種控制策略。

整車在特定的SOC下的控制策略示意圖如圖5所示。

從圖5可看出，當踏板行程小于A1時，整車進入滑行能量回饋狀態，電機進入發電模式，給動力蓄電池充電。當踏板行程在A1～A2區間時，整車的功率需求量較小，如果電池的SOC允許的話，主要使用電機單獨驅動車輛，當電池的SOC較高時，其電機和電池配置完全滿足正常的城市工況，這樣可避免發動機在較小的功率下運轉，降低了發動機的燃油消耗，此時完全由動力電池提供能源來驅動車輛運行。當電池電量消耗到SOC較低時，駕駛員也可利用PHEV的特性，使用外界電源給蓄電池組補償電量，從而充分發揮PHEV轎車的優勢。

當踏板行程在A2～A3區間時，整車的需求功率已經超過電機或電池所能提供的純電動功率，此時發動機參與工作，但此時發動機的功率還未處于最佳的經濟區域，因而綜合發動機和電機的效率，設定了一個電機的發電區域，在此區域，提高發動機的功率，讓其盡量處于經濟區域，超過整車需求的那部分功率用來使電機發電回饋能量。

當踏板行程在A3～A4區間時，整車的需求功率正好處于發動機的經濟區域中，此時發動機的燃油經濟性和排放性能都較好，因而只使用發動機單獨驅動車輛，此時整車的能量全部來源于發動機。

當踏板行程在A4～A5區間時，整車的需求功率超過發動機的經濟區域，為保證發動機的燃油經濟性和排放性能，發動機的功率保存在最大的發動機經濟區域上限，超出的功率部分使用電機來彌補，此時電機處于助推模式下。

當踏板行程超過A5時，整車需求功率超過了發動機的經濟區域上限和電機的最大助推功率，此時為保證整車動力性，提高發動機的功率，使整車到達最大的動力性能。

在不同的SOC下，整車的能量控制目標又有所不同，踏板行程A1～A6將根據SOC的值進行相應的調整。在SOC比較高的情況下，整車的目標為SOC消耗型，純電動的功率將增大，踏板行程A2將往后移，整車的充電功率也將減小。在SOC比較低的情況下，為保證整車的動力性，并防止電池在低電量下的過度放電，此時整車采用SOC保持的控制策略，以發動機為主導進行控制，確保SOC不至于過低，以保證整車的動力性能。

2.3 賽豹PHEV制動能量回饋策略

整車控制策略中的制動能量回饋策略框圖如圖6所示。當駕駛員踩下制動踏板時，整車控制器根據制動踏板行程計算出駕駛員所需求的制動強度，結合計算出的電機所允許的最大制動轉矩，就能算出初步的整車制動回饋轉矩，再根據電池的狀態進行修正后得出整車最后的制動轉矩。

3 轉鼓試驗結果和分析

為了驗證整車的控制策略，在轉鼓試驗臺進行了詳細的策略標定、優化和驗證。根據混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法的國家標準，在電量較高和電量較低的情況下，以及不同的電量下整車的控制分別執行SOC消耗型和SOC保持型兩種不同策略的試驗。

3.1 SOC消耗型策略下的轉鼓試驗

當電量較高時，執行SOC消耗型策略，其ECE工況試驗結果如圖7～圖12所示。

從圖7可看出，整車控制較好地執行了這一策略，能充分發揮PHEV的優勢。

圖8顯示了在SOC較高時，由于電量足，可滿足在ECE循環中城市工況下的功率需求，因而在城市工況以純電動模式運行，它能較好地解決低速情況下的發動機排放和經濟性差的問題。

從圖9可見，在最后的郊區工況中，由于整車的功率需求較大，當車速一定時，發動機起動后參與工作，當車輛處于穩態運行時，整車的需求功率降低，發動機處于怠速運行，由電機單獨驅動車輛。

從圖10可看出，發動機工作點都處于高效運行區域。發動機的工作點絕大部分集中在燃油消耗率小于290g/(km·h)的范圍內，控制策略完成了發動機和電機的功率分配。從而使整車的100km油耗為2.4L，此時電池的 SOC從65%降低到52%，100km耗電8.65kW·h。

圖11顯示了整車在郊區循環過程中，發動機起動后的排放數據。從數據可看出，發動機排放較高的點都集中在換擋期間，即發動機過渡工況。因而在轉鼓試驗臺上進行了兩種試驗的對比，圖12中A為發動機功率變化率為5kW/s時的試驗情況(圖7～圖11表明的試驗過程)，B為發動機功率變化率為2kW/s時的試驗情況，數據表明了減小發動機工況的過渡能明顯降低發動機的排放。同時B工況實現了整車的100km油耗為1.5L，此時電池的SOC從69%降低到56%，100km耗電8.65kW·h，在降低排放的同時，明顯提高了整車的經濟性能。

3.2 SOC保持型策略下的轉鼓試驗

當電量較低時，執行SOC保持型策略，其ECE工況試驗結果如圖13～圖16所示。在整個ECE循環中，控制發動機不停機。

從圖13可看出，整車的SOC基本保持不變(38.2% ～39%)，較好地實現了這一策略。

圖14顯示了在SOC保持策略下ECE城市循環中的控制策略執行情況。當低速運行時，整車需求的轉矩較小，采用純電驅動模式;當整車的功率需求增大，純電動功率已較難滿足車輛運行時，發動機開始參與工作(圖中650s)，此時控制策略提供發動機的功率輸出，剩余的功率用于給電池充電，來維持整車的SOC不至于繼續降低。

從圖15可看出，由于整車的SOC較低，車輛的動力性受到一定的影響，車輛的加速踏板達到了最大行程。

從圖16可見，發動機絕大部分工況點處于燃油經濟性較好的區域中，整車100km油耗約為6.0L，相對于原車的7.9L，油耗大大降低。

為驗證怠速停機對于整車油耗的貢獻，整車標定為車輛停止3s后發動機停機，經ECE循環測試后得出整車的100km油耗降低到5.8L，此時SOC從36.6%增加到38.3%。試驗數據表明，怠速停機能達到3%以上的節油效果。

在整車能耗分析中取汽油熱值為4.6×107J/kg，密度為 0.73kg/L，電能為 1kW·h=3.6×106J，賽豹PHEV純電動續駛里程為60km，根據國家標準GBT19753—2005［7］，按照檢測標準把兩種試驗數據進行加權平均后，整車的100km等效油耗為3.4L，節能56.7%。

4 結論

(1)針對賽豹PHEV的特點，依照整車的電量和功率需求，提出了一種多階段多目標的控制策略，滿足了其控制需求，在不同工況下實現了對電機和發動機轉矩的合理分配。

(2)當改變發動機的轉矩變化速率后，發動機的油耗和排放能得到明顯改善。

(3)采用怠速停機能降低發動機油耗大約3%以上。

(4)ECE工況測試結果表明，賽豹PHEV整車能量消耗測試結果100km等效油耗為3.4L，比原汽油車節能56.7%。

［1］Markel T，Wipke K.Modeling Grid-Connected Hybrid Electric Vehicles Using ADVISOR［C］.National Renewable Energy Laboratory.Conference Paper NREL/CP-540-30601，2001.

［2］Markel T.Plug-In HEV Vehicle Design Options and Expectations［C］.ZEV Technology Symposium.NREL/PR-540-40630，Sep.2006.

［3］Simpson A.Cost-Benefit Analysis of Plug-In Hybrid Electric Vehicle Technology［C］.22nd International Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium(EVS-22).Yokohama，Japan，October，NREL/CP-540-40485，2006.

［4］中投顧問.混合動力汽車前景不明，插電式PHEV得利政策補貼［R］.2011.

［5］張博.可外接充電混合動力汽車能量管理策略研究［D］.長春:吉林大學，2009.

［6］Tony Markel，Andrew Simpson.Plug-In Hybrid Electric Vehicle Energy Storage System Design［C］.Advanced Automotive Battery Conference，2006.

［7］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2005.