插電式混合動力車型控制策略優化

楊河洲，王志紅,2a,2b，張　飛,2a,2b，趙紅宇

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插電式混合動力車型控制策略優化

楊河洲1，王志紅1,2a,2b，張飛1,2a,2b，趙紅宇1

(1.鄭州日產汽車有限公司，河南 鄭州 450016；2.武漢理工大學 a.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室；b.汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070)

摘要：控制策略對整車燃油經濟性起著重要作用，以某輛插電式混合動力汽車(PHEV)為研究對象，對原有的二階段(CD-CS)控制策略進行了研究。針對該策略存在的問題，進行了控制策略優化設計，并制定了四階段控制策略。通過仿真軟件GT-drive建立整車動力模型并進行仿真分析，結果表明：在行駛里程已知的情況下，四階段控制策略能夠使得荷電狀態(SOC)長時間保持在高效區，相比CD-CS控制策略更加節油，每100 km油耗減少了8.2%。實車驗證結果表明：優化后的四階段控制策略同樣適用于實車運行。

關鍵詞：插電式混合動力汽車；二階段控制策略；四階段控制策略；GT-drive軟件

0引言

由于插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)存在兩種以上的動力源和多種工作模式，且各個動力源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[1-3]。目前，控制策略分為規則控制策略和最優控制策略。規則控制策略因其控制簡單，可以很好地嵌入系統而被廣泛應用。最優控制策略主要注重于優化建模與求解[4]。

在傳統混合動力汽車確定性規則控制策略中，文獻[5]按電池荷電狀態(state of charge,SOC)劃分工作區域，在各個工作區域內，分別控制發動機和電機，使其工作點處于最佳工作曲線上。文獻[6]基于功率跟隨策略將整車劃分為9個工作模式，根據當前需求功率、SOC值、車速和負荷等參數來選擇合適的車輛工作模式。文獻[7]以SOC值為目標，通過設定上下限值，實現發動機單獨啟動、發動機工作且為電池充電、發動機和電機共同驅動車輛等模式。文獻[8]以加速踏板位移和SOC值為變量，制定了串聯式混合動力汽車功率跟隨控制策略。

插電式混合動力汽車確定性規則控制策略，主要由電量消耗和電量維持兩種模式組成[9]。文獻[10]提出的插電式混合動力汽車的控制策略采用發動機作為主要動力源，利用電動機和電池進行功率調節，當發動機不能提供所需功率時，電機通過提供剩余功率使系統滿足動力性需求。

雖然二階段控制策略即電量消耗-電量維持(charge depleting-charge sustaining,CD-CS)控制策略，可以很好地實現整車的控制，但無法保證SOC值長時間處于高效區域。本文對插電式混合動力汽車控制策略進行了研究，在CD-CS控制策略的基礎上進行了優化設計，可提高整車的燃油經濟性。

1CD-CS控制策略

本文研究的插電式混合動力汽車，采用的是目前插電式混合動力汽車常用的并聯式混合動力系統，即傳統的發動機驅動系統和電機驅動系統。車輛驅動力由發動機和電機供給。小負荷時由電池驅動電動機，單獨驅動車輪；當車輛處于加速，大負荷時，發動機聯合電動機共同驅動車輪。在行駛過程中發動機可根據情況向蓄電池充電，制動時電動機也可轉換為發電機實施制動能量回收。

整車有3種運行模式：純電動(electric vehicle，EV)模式、混合動力(hybrid electric vehicle,HEV)模式和制動模式。在HEV模式中根據電機的作用又可分為輔助模式和發電模式。

圖1　CD-CS控制策略

原車基于規則控制策略，以SOC值和需求轉矩為參考值，制定了CD-CS控制策略，該策略由電量消耗和電量維持兩個階段組成，如圖1所示。

車輛充電完畢以較高SOC值啟動，當需求轉矩小于電機最大轉矩時，車輛優先工作在純電動模式，依靠動力電池提供的能量行駛，雖然制動再生的能量會使得SOC值不斷波動，但SOC值總體呈下降趨勢，該階段屬于電量消耗(charge depleting,CD)階段；當動力電池SOC值下降到0.25，為了避免SOC值繼續下降至危險區域，車輛進入HEV模式，發動機在提供驅動力的同時，給動力電池充電，使得SOC值維持在一定范圍內，該階段屬于電量維持(charge sustaining,CS)階段。

原車制定的CD-CS控制策略主要利用電池電能，盡可能使車輛處于純電動模式行駛，電機提供大部分能量，發動機在整個工況中僅在少數情況下啟動。然而CD-CS控制策略也存在弊端，當實際行駛里程大于純電動里程時，車輛很早地進入CS階段，動力電池長時間處于低SOC值狀態。磷酸鐵鋰電池充放電效率會隨著SOC值的下降而下降，長時間工作在過低SOC值，會大大影響電池壽命。

2四階段控制策略

針對CD-CS控制策略存在的弊端，對四階段(four-state)控制策略進行了研究。四階段控制策略是在CD-CS策略的基礎上進行的改進，目的是保證車輛在行駛里程內，動力電池長時間處于高效區域并且在行程結束時SOC值處于低值下限，盡可能地利用電能。

圖2　四階段控制策略

圖2為四階段控制策略。四階段控制策略由4個階段組成：CD1、CS1、CD2、CS2。與原車CD-CS控制策略相比，增加了1個CD-CS階段。

車輛同樣以高SOC值啟動，優先進入純電動模式行駛，此時為CD1階段，電量不斷消耗，SOC值降至SOClow1。進入CS1階段，電量維持在SOClow1與SOChigh1之間，動力電池保持在高效充放電狀態。當車輛運行至Tshift時，系統檢測到車輛可以靠當前電量以純電動模式跑完剩下行程時，車輛進入CD2階段。在CD2階段之后預留1個CS2階段，當實際里程大于預估里程時，車輛保證行駛結束時SOC值盡可能低。

在行駛工況已知的情況下，確定CS1至CD2的切換點Tshift是四階段控制策略研究的重點。系統需要根據當前行駛工況對純電動續駛里程進行計算。目前對純電動續駛里程的研究多數是根據能量守恒原則，即車輛能量源輸出的能量與行駛消耗的能量相等，從而對續駛里程進行估算[11]。

所選擇的電池模型中電池電壓隨SOC值線性下降，電池的剩余能量為：

(1)

Q=△SOC×C，

(2)

其中：Wb為電池的剩余能量，kWh；Vt為t時刻電池電壓，V；Vd為終止時刻電池電壓，V；Q為t時刻剩余電量，Ah；C為電池額定容量，Ah；△SOC為從t時刻開始至行程結束SOC變化量。

由汽車行駛理論可知，行駛的車輛消耗功率P為：

(3)

其中：G為汽車重力，N；va為車速，km/h；f為摩擦因數；i為坡度因數；A為迎風面積，m2；CD為空氣阻力因數；?為汽車質量換算因數。

所研究的四階段控制策略是建立在行駛工況已知的情況下，以1個新的歐洲循環工況(new European driving cycle，NEDC)為例，車輛循環工況需求功率見圖3。由圖3可知在1個工作循環內，任意時刻車輛所需要的瞬時功率P。

圖3　車輛循環工況需求功率圖

車輛從t1時刻～t2時刻所需要的能量Wv可以通過對該時間段的功率進行積分得到：

(4)

其中：t為時間，s；Wv為電池在一定時間段消耗的能量，kWh。

利用車輛能量源輸出的能量與行駛消耗的能量相等的原則，建立等式：

Wb=Wv。

(5)

為了更好地利用電能，控制策略盡可能地使得行程結束時，電量低至最低限值，因此在計算Tshift時，t2根據循環工況得到，t1即為Tshift。

3仿真分析

圖4　　　　CD-CS控制策略與四階段控制策略　　　荷電狀態變化圖

為了更好地比較CD-CS控制策略與四階段控制策略對燃油經濟性的影響，利用仿真軟件GT-drive建立整車仿真模型。

圖4為CD-CS控制策略與四階段控制策略的SOC變化圖。由圖4可知：在不同的控制策略下SOC值以不同的趨勢變化，當行駛里程大于純電動行駛里程時，CD-CS控制策略下，動力電池長時間處于SOC值過低狀態，而四階段控制策略中動力電池在行駛的中間過程，SOC處于較高值狀態。將兩者20個NEDC循環的油耗進行對比可知：在四階段控制策略下，燃油經濟性得到一定提高，每100 km油耗相較CD-CS控制策略，減少了8.2%。

4樣車試驗

仿真結果表明：制定的四階段控制策略具有良好的燃油經濟性，但樣車實際工作情況是否和仿真結果吻合，所制定的控制策略能否為樣車的開發提供理論依據，這些都需要進行實車的驗證。由于目前僅為初期階段的研究，樣車為性能樣車，因此，實車的驗證僅僅在輪轂試驗臺上進行燃油經濟性測定。

參照GB/T 19233—2008《輕型汽車燃油消耗量試驗方法》[12]進行試驗，試驗車輛應行駛3 000～15 000 km。試驗前，車輛置于溫度為20～30 ℃的室內進行處理，處理期至少為6 h，直到發動機的輪滑油和冷卻液溫度達到室溫的±2 K范圍內。試驗過程中，按照試驗循環工況設置換擋、加速和制動等程序，盡可能地與實際工況相吻合。

燃油消耗試驗工況如圖5所示。1個完整的循環工況歷時1 184 s，由4個市區運行循環和1個市郊運行循環組成。市區循環工況總行程11 km，最高車速50 km/h，平均車速19 km/h，適用于市區內的車輛行駛情況。市郊工況每個循環為400 s，最高車速120 km/h，平均車速63 km/h。

圖5　燃油消耗試驗工況圖

在排氣取樣方法上，采用的是1978年歐洲經濟委員會采用的定容取樣法。這是一種接近于汽車排氣擴散到大氣中實際狀態的取樣方法，又稱為變稀薄度取樣法。它是將排氣與稀釋氣體相混合，再以固定不變的容積流量輸入分析系統，用以測定排氣成分的真實溶度。

為了與仿真結果更好地進行比較，底盤測功機油耗試驗同樣采用20個循環。在CD-CS控制策略下，樣車測試結果為每100 km耗油6.22 L。在四階段控制策略下，樣車測試結果每100 km耗油5.80 L。

5結束語

在行駛工況已知的情況下，制定的四階段控制策略比原有的CD-CS控制策略節油8.2%。制定的四階段控制策略同樣適用于實車運行，實現了良好的燃油經濟性，可為后續的開發提供理論基礎。車輛在實際運行過程中，行駛工況往往是未知的，如何將四階段控制策略與未知路況聯系起來是接下來的研究方向。

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基金項目：河南省重大專項基金項目(151100210200)

作者簡介：楊河洲(1970-),男,河南溫縣人,高級工程師,碩士,碩士生導師,主要研究方向為整車設計與集成.

收稿日期：2016-03-14

文章編號：1672-6871(2016)05-0025-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.006

中圖分類號：U469.72

文獻標志碼：A