BMW公司i3增程器的控制分析和模型驗證

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0 前言

多年以來，美國阿貢國家實驗室一直致力于研究車輛性能和不同類型車輛的控制行為，例如傳統(tǒng)車輛、混合動力車輛、插電式混合動力車輛和電池動力車輛[1-4]。不僅對正常環(huán)境溫度(22 ℃)和熱機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了分析，而且也對不同環(huán)境溫度(-7～35 ℃)和冷機(jī)狀態(tài)進(jìn)行了分析。利用美國阿貢國家實驗室的先進(jìn)動力總成研究裝置(APRF)，用1臺置于環(huán)境艙中的四輪驅(qū)動底盤測功機(jī)，在不同熱工況條件下獲取試驗數(shù)據(jù)。APRF能夠復(fù)制-7～35 ℃范圍內(nèi)的熱狀態(tài)，并且具有日照模擬功能。基于不同熱狀態(tài)下獲得的試驗數(shù)據(jù)和分析，利用Autonomie開發(fā)并實現(xiàn)車輛仿真模型。Autonomie是一款具有高可信度、直觀的車輛仿真工具，能夠預(yù)估不同類型的車輛性能，尤其是燃油經(jīng)濟(jì)性。本文從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，分析了2014款BMW i3增程器(REX)，開發(fā)了包含熱因素的車輛仿真模型。

BMW i3-REX是一種帶有增程發(fā)動機(jī)的串聯(lián)插電式混合動力(圖1)。其包括1臺0.65 L直列2缸增程發(fā)動機(jī)和1臺26.6 kW功率的發(fā)電機(jī)、1臺用于牽引的125 kW功率的永磁同步電動機(jī)以及1個18.8 kW·h電能的鋰離子電池。由于是增程器車輛(或插電式混合動力車輛(PHEV))，在車輛起動時是以電動車輛(EV)模式運行，當(dāng)荷電狀態(tài)(SOC)降低到設(shè)定狀態(tài)，車輛變?yōu)榛旌蟿恿囕v(HEV)模式。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)標(biāo)定全電動續(xù)航里程為116 km，總行駛里程可達(dá)241 km。

圖1 BMW i3-REX結(jié)構(gòu)

1 部件性能分析

汽車上的零部件如發(fā)動機(jī)、電池、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和車輪的性能均受到多種條件影響，其中包括溫度條件造成的性能變化。部件性能通常是指最大輸出功率、扭矩以及效率。首先將分析這些部件性能以建立車輛的各部分模型。

1.1 發(fā)動機(jī)模型

發(fā)動機(jī)部件模型主要包括發(fā)動機(jī)最大扭矩MAP圖和油耗率MAP圖。油耗率MAP圖受溫度影響。當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度較低時，比如冷起動時，油耗率遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)溫度較高時的工況(圖2)。油耗率MAP圖包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗率。模型中，通過給定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩可確定發(fā)動機(jī)油耗率。為了根據(jù)溫度應(yīng)用發(fā)動機(jī)特性，在計算油耗率時增加發(fā)動機(jī)溫度參數(shù)。模型中，用發(fā)動機(jī)溫度系數(shù)乘以根據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩獲得的發(fā)動機(jī)油耗率[9-10]，并可基于發(fā)動機(jī)冷卻液溫度設(shè)定發(fā)動機(jī)溫度。

圖2 根據(jù)發(fā)動機(jī)溫度獲得發(fā)動機(jī)油耗率

1.2 電池模型

圖3 根據(jù)電池SOC和組件溫度獲得電池內(nèi)電阻

串聯(lián)式PHEV的主要功率源是電池。電池電阻直接與效率相關(guān)，同時也受溫度影響。電池模型主要與SOC和溫度相關(guān)。圖3顯示了基于試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)SOC和溫度獲得的電池內(nèi)電阻應(yīng)用圖。其中電池模型的一些變量，如內(nèi)電阻、開路電壓或極化效應(yīng)，均由試驗數(shù)據(jù)推出。

1.3 車輪模型

車輪或輪胎模型是另一個生成準(zhǔn)確仿真結(jié)果的關(guān)鍵模型。這一系統(tǒng)損失極易受溫度影響。因此，基于試驗數(shù)據(jù)，分析了輪胎阻力系數(shù)變化并將其應(yīng)用于仿真模型。

2 正常工況下的控制分析

首先對正常溫度工況下的車輛控制進(jìn)行分析。采用的車輛參數(shù)為暖機(jī)狀態(tài)起動下，環(huán)境溫度為22 ℃，不使用采暖通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)。

2.1 電量消耗/保持模式控制

處于標(biāo)準(zhǔn)溫度的增程電動車輛，首先以電動車輛模式驅(qū)動，這是所謂的電量消耗(CD)模式。電池SOC降低到設(shè)定值后，車輛轉(zhuǎn)換為電量保持(CS)模式，在該模式中，發(fā)動機(jī)運行以保持電池SOC處于某一適當(dāng)狀態(tài)。為了檢測車輛駕駛模式何時從CD模式轉(zhuǎn)換到CS模式，根據(jù)電池SOC分析車輪輸出功率(圖4)。當(dāng)電池SOC降至16%以下，發(fā)動機(jī)無法運行。根據(jù)這一結(jié)果確定了電池SOC為16%時，需要從CD模式轉(zhuǎn)換到CS模式。

圖4 根據(jù)電池SOC獲得車輪輸出功率

2.2 發(fā)動機(jī)開/關(guān)控制

在CD模式下，由于車輛作為純電動車輛(BEV)運行，只有電池提供所需的驅(qū)動功率，因此在CD模式無需分析其他運行特性。然而，在CS模式下，需要更加復(fù)雜的車輛控制模型以實現(xiàn)實際車輛試驗結(jié)果。首先需要確認(rèn)的是起動和停止發(fā)動機(jī)的條件。如圖5所示，當(dāng)電池SOC低于16%時，起動發(fā)動機(jī)。此時存在一個變化范圍為15.5%～16.0%的電池SOC遲滯區(qū)間。當(dāng)SOC在15.5%以下時，當(dāng)車速超過20.1 km/h時，起動發(fā)動機(jī)。圖6中能夠看出使發(fā)動機(jī)停止運行的條件。當(dāng)車速降至10.5 km/h以下，使發(fā)動機(jī)停止運行。根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)可以得出發(fā)動機(jī)起動或停機(jī)是由SOC和車速決定的。

圖5 發(fā)動機(jī)起動時，根據(jù)電池SOC獲得車速

圖6 發(fā)動機(jī)關(guān)閉時，根據(jù)電池SOC獲得車速

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

2.3 發(fā)動機(jī)運行

發(fā)動機(jī)起動后，首先需要確定發(fā)動機(jī)輸出功率，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩。由于串聯(lián)HEV中發(fā)動機(jī)與車輛驅(qū)動輪解耦，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩可在無限制條件下得以確定。圖7和圖8分別顯示通過試驗數(shù)據(jù)獲得的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和扭矩。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分為3個范圍，包括高速、中速和低速(圖7)。此外，發(fā)動機(jī)輸出扭矩分為高扭矩和低扭矩。發(fā)動機(jī)運行工況由電池SOC、車輛初始起動和熱狀態(tài)決定(圖8)。

圖7 根據(jù)車速獲得發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖8 根據(jù)車速獲得發(fā)動機(jī)輸出扭矩

2.3.1高SOC模式

CS模式下，當(dāng)SOC高于15.5%，電池?zé)o需充電。由于高SOC模式下電池需要放電，發(fā)動機(jī)在中速、低扭矩工況下運行(圖9和圖10)。

圖9 根據(jù)高SOC模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

2.3.2中SOC模式

SOC在13.5%～15.5%的中間范圍時，電池需要保持SOC狀態(tài)。圖11和圖12示出的是中SOC模式下發(fā)動機(jī)在中速、高扭矩工況下的運行。

圖10 根據(jù)高SOC模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出扭矩

圖11 根據(jù)中SOC模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖12 根據(jù)中SOC模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出扭矩

2.3.3低SOC模式

當(dāng)SOC低于13.5%時，電池需要充電以保持SOC處于適當(dāng)狀態(tài)。發(fā)動機(jī)需要提供較高的功率給電池充電，電池利用發(fā)電機(jī)生成的剩余能量驅(qū)動車輛。發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速和高扭矩工況下運行(圖13和圖14)，處于低SOC模式。

圖13 根據(jù)低SOC模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖14 根據(jù)低SOC模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出扭矩

2.3.4初始起動運行模式

當(dāng)車輛以CS模式起動時，采用的是一種不同的發(fā)動機(jī)運行模式。在車輛起動后的300 s內(nèi)，發(fā)動機(jī)在低速、低扭矩工況下運行(圖15和圖16)。然而，當(dāng)電池SOC低于13.5%，如低SOC模式，發(fā)動機(jī)高速和高扭矩的工況則符合低SOC模式規(guī)定。

圖15 根據(jù)初始起動運行模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

圖16 根據(jù)初始起動運行模式下的車速獲得發(fā)動機(jī)輸出扭矩

3 熱狀態(tài)對控制的影響

熱狀態(tài)如環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)起動溫度和HVAC運行不僅影響到各部件效率，而且影響車輛控制。當(dāng)初始發(fā)動機(jī)溫度低(冷起動)或使用加熱器運行時，需采用不同控制邏輯以改善燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性或其他性能。

3.1 冷起動

當(dāng)車輛進(jìn)入CS模式(SOC低于16%)并且初始發(fā)動機(jī)溫度低時，發(fā)動機(jī)保持在工作狀態(tài)直到發(fā)動機(jī)溫度升高至85 ℃以上(圖17)。在試驗數(shù)據(jù)的各環(huán)境溫度工況下均采用這種邏輯控制方法。然而，在進(jìn)行特殊試驗確定運行工況之前，很難得到精確的發(fā)動機(jī)初始溫度。在發(fā)動機(jī)溫度升高至超過85 ℃以后，由于發(fā)動機(jī)在CS模式下反復(fù)運行，其溫度不會降低80 ℃以下。

圖17 發(fā)動機(jī)運行直到發(fā)動機(jī)溫度升高至超過85 ℃

3.2 加熱器運行

運行加熱器時采用另一個控制邏輯。由于該車輛只采用電動熱敏電阻(PTC)加熱器進(jìn)行機(jī)艙加熱，而加熱器則會消耗大量電能。因此，電池SOC應(yīng)保持在適當(dāng)范圍。如圖18所示，當(dāng)SOC低于13.5%，發(fā)動機(jī)保持低負(fù)荷狀態(tài)，并且加熱器處于運行狀態(tài)中。

圖18 加熱器處于運行狀態(tài)時，當(dāng)電池SOC低于13.5%發(fā)動機(jī)運行

運行加熱器時，發(fā)動機(jī)運行工況不同。環(huán)境溫度低且使用加熱器運行時，發(fā)動機(jī)輸出功率高于其他環(huán)境溫度工況(如圖19所示)。此外，電動加熱器會消耗大量功率，因而發(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)應(yīng)該比在其他工況下提供更大功率。

圖19 在低環(huán)境溫度工況下運行加熱器時，發(fā)動機(jī)輸出功率高于其他環(huán)境溫度工況

4 模型開發(fā)和驗證

基于分析，利用Autonomie建立了車輛模型，包括設(shè)備和控制器。其中發(fā)動機(jī)、電池、牽引電動機(jī)、車輪和底盤均建立了熱模型。

4.1 控制模型

根據(jù)對BW i3-REX控制分析(圖20)開發(fā)了車輛級控制器。首先，確定驅(qū)動模式(CD或CS)。如果在CS模式下，發(fā)動機(jī)起動/停機(jī)由車速和電池SOC決定。最后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩由SOC確定。然而，如果發(fā)動機(jī)溫度過低或在低SOC工況下運行加熱器，將采用熱控制。

圖20 BMW i3-REX控制分析總結(jié)

4.2 系統(tǒng)驗證

利用Autonomie開發(fā)了BMW i3-REX正向仿真模型，包括部件模型和管理控制器模型(圖21)。為了驗證車輛仿真模型，在不同工況下進(jìn)行模擬，詳細(xì)說明見表1和表2。大多數(shù)實例中，試驗和仿真之間的差異小于5%。同時，電池SOC、油耗、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，以及溫度的試驗和仿真結(jié)果一致(圖22)。

表1 城市測功機(jī)測試(UDDS)循環(huán)下油耗和最終SOC的試驗和仿真結(jié)果對比

表2 高速公路燃油經(jīng)濟(jì)性測試(HWFET)循環(huán)下油耗和最終SOC的試驗和仿真結(jié)果對比

圖21 2014款BMW i3-REX車輛結(jié)構(gòu)

圖22 CS模式，溫度22 ℃，UDDS循環(huán)下試驗和仿真對比結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于APRF試驗數(shù)據(jù)，利用Autonomie開發(fā)了BMW i3-REX車輛仿真模型。首先，將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autonomie。其次，在不同熱工況下，利用導(dǎo)入的試驗數(shù)據(jù)分析各分部件性能。此外，在正常溫度、高溫度和低溫度工況下分析車輛級控制。基于分析，開發(fā)了包含熱因素的車輛級控制器。車輛級控制器主要包括兩部分：

(1)模式控制：CD/CS模式和發(fā)動機(jī)起動/停機(jī)。根據(jù)電池SOC，車輛模型從CD模式轉(zhuǎn)換為CS模式。當(dāng)車輛在CS模式下，發(fā)動機(jī)起動/停機(jī)狀態(tài)或EV/HEV模式由車速和熱工況決定。

(2)發(fā)動機(jī)運行目標(biāo)，由于車輛為串聯(lián)HEV，只能決定發(fā)動機(jī)運行目標(biāo)，即轉(zhuǎn)速和扭矩。根據(jù)電池SOC狀態(tài)和熱狀態(tài)，確定發(fā)動機(jī)運行目標(biāo)。

最終結(jié)合部件和車輛級控制器模型，建立了包含熱狀態(tài)影響的車輛仿真模型。結(jié)果是車輛仿真模型能夠預(yù)估車輛運行、油耗和電池SOC，與試驗之間的差異在大多數(shù)實例中小于5%，處于多次試驗差異范圍內(nèi)。開發(fā)的車輛仿真模型不僅能夠評價車輛性能，而且能夠評價熱狀態(tài)的影響。