兩種行駛模式下增程器啟停時刻優化

黃欣++陳凌珊

摘要：增程器作為E-REV的核心部件，其啟?？刂茮Q定了汽車運行的工作模式。提出了在短途和長途兩種行駛模式下減少增程器運行時間，盡可能利用電能驅動E-REV的控制策略。以目標里程和電池SOC變化范圍為約束條件，利用Cruise/Simulink對增程器啟停時刻仿真優化。結果表明，通過減少增程器啟停次數和運行時間，目標里程下純電動里程增加，有效降低了燃油消耗和排放。

關鍵詞：增程器；啟停時刻；電池SOC；目標里程

中圖分類號：U4697 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2015）01-0031-04

增程式電動汽車（Extended-Range Electric Vehicle，E-REV）可以解決純電動汽車續駛里程不足的問題，是作為混合動力向純電動的一種平穩過渡[1]。增程器作為E-REV的核心部件，其啟?？刂茮Q定了汽車運行的工作模式。一方面，相比于汽油， 電能價格較低，因此希望E-REV盡可能的純電行駛。 另一方面， 若汽車僅運行在純電動模式， 則又違背了給純電動汽車“增程”的初衷。本文分別考慮汽車短途和長途兩種行駛模式， 通過優化控制策略減少增程器啟停次數和工作時間， 可達到提高燃油經濟性和滿足汽車行駛里程的雙重目的。

本文以某款E-REV為研究對象，基于Cruise建立整車模型，與Simulink建立的控制策略聯合仿真，在選定工況下，預設汽車行駛里程，并控制電池荷電狀態SOC（State of Change）在合理范圍內變化，通過對比優化前后增程器啟停次數和工作時間，驗證控制策略的可行性。

1E-REV參數及控制策略

以某款E-REV為研究對象，作者已完成了E-REV動力匹配與性能仿真的相關研究，本文仿真中用到整車參數和動力系統部件參數可見文獻[2]?？紤]車輛的不同行駛模式，仿真中選用的工況為新歐洲行駛工況（New European Driving Cycle，NEDC），它是一種模式行駛工況，涉及長時間的恒速行駛，包含四個重復市區循環和一個市郊循環，理論試驗距離1087 km，時間1 180 s[3]。

增程器輔助動力單元（Auxiliary Power，APU）采用恒溫+功率跟隨控制策略[4]，發動機與傳動系統在機械上沒有連接，可以脫離路面負荷，啟動后工作在高效區域，功率不足的部分由動力電池提供。

圖1反映出恒溫+功率跟隨控制策略的方法。

圖1恒溫+功率跟隨控制策略

APU跟隨不同功率值時，發動機工作在不同的等功率曲線上，且曲線上的工況點都工作在發動機萬有特性曲線中燃油消耗經濟區域，把每條等功率曲線上的燃油最低工況點連接起來組成燃油消耗最低曲線，在這條曲線上，發動機工況點按照恒溫+功率跟隨工作模式，APU在跟隨需求功率的同時也能保證發動機燃油消耗經濟性。

2行駛里程計算

電池SOC初值設為10，增程器的原有控制策略為電池SOC值低于03時增程器啟動，電池SOC值高于07時增程器關閉。設定汽車行駛里程為D，單位km。定義行駛里程容量比概念，公式為：汽車行駛里程/電池SOC變化量，單位km/%，可反映電池單位SOC的行駛里程。用參數λ1、λ2、λ3分別表示電池SOC從初值下降到03、增程器開啟后SOC從03充電到07、純電動行駛SOC從07下降到03的里程容量比，其中，汽車到達目標里程的前一段時間工作在純電動模式可由目標里程長度決定。

設整個行駛過程中增程器啟動次數為n，則行駛里程為D為

D=70λ1+40nλ2+40（n-1）λ3+（70-SOCt）λ3（1）

式中：SOCt表示汽車到達目標里程停車時電池SOC大小。其中，增程器未開啟時間內，E-REV以純電動行駛的距離d為

d=70λ1+40（n-1）λ3+（70-SOCt）λ3（2）

則在整個行駛過程中，E-REV以純電動行駛的距離占總目標里程比ε為

ε=dD=70λ1+40（n-1）λ3+（70-SOCt）λ3

70λ1+40nλ2+40（n-1）λ3+（70-SOCt）λ3×100%（3）

相比燃油價格，電能價格低廉，且不會帶來排放問題。因此，在汽車整個行駛過程中因盡量增加純電動里程，即盡量使比例ε增大。控制策略通過電池SOC值控制增程器啟停，一方面，為了避免電池深度放電而導致電池壽命降低，設定的SOC下限值不能過??；另一方面，若單純縮小電池SOC的變化范圍，又會導致增程器啟停頻繁，在發動機剛啟動時排放較多且振動較大，導致燃油經濟性和舒適性下降[5]。因此，本文優化策略的核心思想是合理控制電池SOC值的變化范圍，同時減少增程器的啟停次數和運行時間，以增加全里程內純電動行駛里程的比例。

3控制策略優化

31短途模式

原有的控制策略中電池SOC值的變化范圍為03～07。本文設置的短途行駛距離為90 km，在短途模式下，可以通過提前開啟或提前關閉增程器來減少增程器的運行時間，此種優化策略縮小了電池SOC值的變化范圍，到達目的地時電池SOC值剛好到達設定的下限值，保證車輛停止后能及時利用外接電源充電。如圖2～圖3所示，增程器提前開啟和提前關閉時，純電里程都有所增加，根據式（1）～式（3）計算，ε提高了133%。

圖2增程器提前開啟

圖3增程器提前關閉

32長途模式

短途模式中的優化思想不能簡單應用于長途行駛模式，縮小電池SOC值變化范圍能使增程器的單次工作時間減少，但會導致增程器的啟停次數增多，累計運行時間變長，長途行駛時不能達到優化目的。因為電池SOC直接決定了汽車純電動續駛能力，基于上述思想，提出新策略如下：延長E-REV行車充電時間，以換取下一次較長的純電行駛里程，雖然增程器單次工作時間延長，但在整個行駛過程中累計運行時間變短，并可以減少增程器啟停次數；在增程器最后一次運行時可提前關閉，之后汽車以純電動行駛到達目標里程，且保證到達目標里程時SOC值≥03，避免電池深度放電，使車輛停止后能及時利用外接電源充電。汽車行駛里程、電池SOC初值、下限值和（1）～（3）式中條件不變，優化后設SOC上限值為SOC1，增程器最后一次運行提前關閉時SOC值為SOC2，有下式endprint

D=70λ1+（n-1）（SOC1-30）（λ2+λ3）+（SOC2-30）（λ2+λ3）（4）

目標里程D為已知條件，到達目標里程時SOC值等于03，SOC1和SOC2滿足關系式（4），可通過仿真計算來調整它們的大小以滿足行車里程。預設汽車長途行駛里程為300 km，選定NEDC工況，在原有的控制策略下，仿真結果如圖4所示。

圖4優化前

在Simulink中導入新的控制策略，將模型轉化成dll文件與Cruise進行聯合仿真，通過計算調整SOC變化范圍值，優化后的仿真結果如圖5所示。

圖5優化后

通過仿真，在滿足在目標里程約束條件下，結合式（4）計算并調整SOC1和SOC2值，最終得到的SOC1和SOC2值分別為0823和0710，參數λ1、λ2、λ3分別為106、046、104，優化前后結果對比如表1所示。

表1優化前后對比（%）

優化前優化后

啟動次數43

純電里程比ε70.7675.39

ε增加百分比04.63

由上表可知，新策略同時完成了增程器啟停次數和運行時間的優化，在行駛過程中增程器啟停次數減少一次，運行時間減少，純電動里程增加。因此，汽車行駛經濟性和排放性能得到了提升。

4結束語

以某款E-REV為研究對象，以目標里程和電池SOC值為約束條件，分別提出了短途和長途行駛模式下增程器啟停控制的新策略，并通過Cruise/Simulink聯合仿真驗證了策略的可行性，達到了優化目的。但是，本文提出的新控制策略受目標里程和行駛工況的影響較大，目標里程和行駛工況改變時可能達不到優化效果，但本文為汽車常用路徑和工況行駛下[6]的控制策略提供了理論研究基礎。

參考文獻：

[1]TATE E D， MICHAEL O H， PETER J S. The electrification of the automobile：from conventional hybrid， to plug-in hybrids， to extended-range electric vehicles[C]//SAE， 2008（58）：1-4.

[2]黃欣，陳凌珊. 基于Cruise的增程式電動汽車動力匹配與性能仿真[J]. 天津理工大學學報，2014，（5）：56-60.

[3]李孟良，朱西產，張建偉，等. 典型城市車輛行駛工況構成的研究[J]. 汽車工程，2005（5）：557-560.

[4]陳長紅. 增程式電動汽車控制策略的研究[D].錦州：遼寧工業大學，2013.

[5]張博彥，雷艷，周大森. 混合電動車輔助動力系統噪聲控制[J]. 內燃機工程，2005（6）：64-66.

[6]于瀛霄，張煒航，王天利. 常用路徑及工況下增程式電動汽車能量控制策略研究[J].遼寧工業大學學報：自然科學版，2013（4）：104-107.

（責任編輯：李麗，范君）endprint