串聯式混合動力汽車能量控制策略研究與仿真分析

張丹　李治國　陳標

摘 要：為提高生產效率，減少整車開發成本，利用Matlab/Simulink軟件建立串聯混合動力汽車動力學模型，并在UDDS循環工況下進行仿真分析。通過采用發動機開/關控制策略實現發動機與動力電池的匹配，使發動機運行在高效率區域，在保證動力性的同時提高系統的經濟性。

關鍵詞：混合動力汽車;控制策略;仿真;經濟性

1 引言

目前，全球汽車產業呈現飛速發展的態勢，人類對于石化能源的消耗也在與日俱增，同時其有害氣體排放也使得人類的生存環境日益惡化。在能源短缺與環境污染的雙重背景下，作為傳統燃油車向純電動汽車過渡的混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，HEV），已成為世界各國爭相研究的主要清潔能源汽車之一[1]。

與傳統汽車相比，HEV在控制方面所需控制對象更復雜，對數據交互的實時性和可靠性要求更高。在不降低整車性能的前提下，多動力源件間的協同工作需采用有效的能量管理策略，從而實現節能減排的功效。針對此問題，本文在Matlab/Simulink環境下建立串聯混合動力汽車模型，并采用發動機開/關控制策略，實現多動力部件間的協調工作，以優化整車的控制效果和工作效率，從而實現良好的燃油經濟性。

2 串聯式混合動力汽車

隨著混合動力汽車多元化發展，按動力總成與組合方式的不同，其可分為：串聯式、并聯式及混聯式。

如圖1所示，發動機與驅動輪之間沒有直接的機械連接，發動機的工作狀態與整車速度、加速度之間無直接關系，可連續運行在最佳轉速和轉矩區間，有利于降低燃油消耗，減少污染物排放。在多停車—起步的市區行駛工況下，電傳動系統需采用不同的控制模式，具體如下[2]：

1）純電動模式：該模式僅由電池組為驅動電機提供電能，發動機處于關閉狀態，屬于零排放模式。

2）發動機單獨工作模式 ：該模式下發動機/發電機組為驅動電機提供電能，電池并不輸出電能，僅用于調節發動機工作點。

3）雙動力源工作模式 ：該模式下發動機/發電機組與電池組協同工作，電池組在提供動力的同時調節發動機工作點，使發動機維持在效率最優工作區域。

4）再生制動模式：在車輛減速時，驅動電機用作發電機，將車輛動能轉化為電能，向電池組充電，完成制動能量回收。

3 串聯式混合動力汽車建模

如圖2所示，本文基于MATLAB/Simulink仿真環境建立串聯式混合動力汽車模型，該模型包括駕駛員模型、整車控制器模型、發動機模型、電力系統模型（電動機、發電機、變換器及蓄電池等）及整車動力學模型[1]。

由于本文采用前向仿真建模，整車能量傳遞的路線和方向與實際汽車行駛過程中傳遞的方向相一致。在駕駛員模型中，根據實際車速與循環工況給定的參考車速之間的偏差來調節加速踏板和制動踏板開度，以滿足預定的車速要求。駕駛員輸出的扭矩需求傳遞至整車控制器，根據控制策略決定各個動力源的輸出功率和扭矩，經由傳動系統傳遞至車輪，對外輸出每一時刻的實際車速，形成一個閉環控制系統。

4 整車能量管理控制策略

在系統結構與各部件參數確定后，需要對整車能量管理控制策略進行設計，以便合理地控制各動力源的功率輸出，充分發揮串聯式電動汽車的節能潛力。

在低載荷運行工況下，發動機/發電機可輕易使峰值電源充至全電平狀態，進而導致其輸出功率小于其最佳工況值。在該條件下，宜采用發動機開/關或恒溫控制策略[3]。如圖3所示，發動機/發電機的運行狀況由峰值電源（Peak Power Supply，PPS）的SOC值予以控制。在汽車運行過程中，電池SOC下降至最低閾值時，發動機/發電機將啟動并向蓄電池充電。為獲得較高的燃油效率，發動機在高效率運行區域內工作，提供恒值功率為蓄電池充電，直至其達到預設SOC值，發動機/發電機關閉[4]。

5 仿真結果分析

結合UDDS城市循環工況，對所建立的混合動力汽車模型進行仿真。如圖4所示，通過觀察發現實際車速與目標車速相差很小，兩條速度變化曲線幾乎重合。

在車輛運行過程中，電機力矩跟隨駕駛員踏板信號發生變化， 在車輛減速階段電機輸出功率為負值，表示在進行制動能量回收，如圖5所示。

當SOC值低于0.6時，發動機啟動并驅動發電機向蓄電池充電，直至SOC值達到0.7，發動機關閉，如圖6所示。

綜上所述，本文所建系統模型具有良好的仿真效果，適合用于混合動力汽車控制領域的仿真研究。

6 結束語

根據串聯混合動力汽車的結構特點，在Matlab/Simulink環境下建立混合動力汽車模型。通過采用發動機開/關控制策略實現發動機與電池組的高效運作，提高系統的經濟性。

參考文獻：

[1]鄭竹安，蔣偉康，呂紅明，et al. 混合動力電動汽車動力學模型仿真[J]. 重慶理工大學學報（自然科學），2019（3）.

[2]張書東.串聯式混合動力電動汽車工作模式及運行工況分析[J]. 內燃機與配件，2018（3）：240-241.

[3]Chi H L. Modeling and analysis of power trains for hybrid electric vehicles[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems，2018（6）：e2541.

[4]增程式電動汽車動力系統參數匹配及優化研究[D]. 江蘇理工學院，2018.