增程式乘用車動力選型與控制策略建模

李基鳳 張 毅 許雨濤

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

隨著油耗法規的加嚴及乘用車雙積分政策的施行[1]，增程式車輛作為一種節能型車輛，越來越受到乘用車行業的重視，因此研究增程式車輛的動力總成選型，包含電池、電機與發動機選型更有意義。研究增程式車輛在新型油耗測試循環，即WLTC（世界輕型車試驗循環）下，不同階段的油耗表現，對于研究增程式車輛的節油機理與適用市場具有指導作用。

1 動力總成選型

根據車輛性能指標，即最高車速、最大爬坡度、0～100 km/h 加速時間及續駛里程等確定電機、電池及發動機主要性能參數。

本文基于一款增程式車輛性能指標，對電機、電池及發動機進行動力匹配選型，確定最終選用的電機、電池及發動機。

1.1 動力電池參數匹配

動力電池的參數匹配考慮能量匹配、功率匹配及容量匹配3 方面。

1）電池能量EB，需要滿足純電續駛里程。

式中：m 為車質量，kg；f 為輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；v 為車速，km/h；DOD 為放電深度，%；ηt為傳動效率，%；ηm為電機效率，%；ηb為電池效率，%；ηa為附件能量消耗比例系數；Sev為純電續駛里程，km。

2）電池功率PBat_max，需要滿足驅動電機最大需求功率。

式中：Pmax為車輛驅動功率需求，kW；ηm為電機效率，%；PA為附件功率，kW。

3）電池容量，需要同時考慮能量和功率需求。

式中：EB為電池能量，kJ；UE為直流母線電壓，V；PBat_max為電池峰值功率，kW；k 為蓄電池最大放電倍率。

1.2 驅動電機參數匹配

驅動電機直接驅動車輛，與車輛的性能直接相關，根據車輛的動力性參數（最高車速、爬坡度及加速性能等）確定驅動電機的峰值功率、額定功率、最高轉速、額定轉速、峰值轉矩和額定轉矩。

1）驅動電機功率，驅動電機的峰值功率應滿足車輛動力性的需求。

最高車速需求功率：

式中：m 為車質量，kg；f 為輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；vmax為最高車速，km/h；η 為電機效率，%。

最大爬坡度需求功率（某一車速下）：

式中：m 為車質量，kg；f 為最大爬坡度需求功率（某一車速下）：輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；v 為車速，km/h；η 為電機效率，%；αmax為最大爬坡度。

加速需求功率：

式中:m 為車質量，kg；f 為輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；vb為加速到車速，km/h；η為電機效率，%；t 為加速時間，s；dt為迭代步長。

驅動電機峰值功率：

驅動電機額定功率：

式中：λ 為過載系數，取2～4。

2）驅動電機轉速匹配。

車輛最高車速取決于驅動電機轉速與主減速比，故可通過最高車速與主減速比確定電機最高轉速：

式中：r 為輪胎滾動半徑，m；β 為擴大恒功率系數，一般取2～4；nb為驅動電機額定轉速，r/min。

3）驅動電機轉矩匹配。

驅動電機的峰值轉矩應滿足車輛起步轉矩和最大爬坡度的需求：

式中：m 為車質量，kg；f為輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；v 為車速，km/h；η 為電機效率，%；r 為輪胎滾動半徑，m；αmax為最大爬坡度。

驅動電機轉矩需要根據加速性能要求進一步校核。

1.3 發電機參數匹配

發電機連接在發動機輸出端，將機械能轉化為電能，發電機的轉速取決于發動機轉速與速比，發電機功率取決于發動機功率。此外，還需要考慮發電機起動發動機的需求功率。

1.4 發動機參數匹配

發動機的輸出功率需要滿足巡航工況、循環工況及極限加速工況。在巡航工況行駛并長時間爬坡時，電池處于電量維持狀態，發動機提供驅動功率。在循環工況行駛時，為保證車輛在整個循環功率下，發動機具有維持電池電量平衡的能力，發動機輸出功率應大于循環功率的平均功率。在極限加速工況下，由發動機提供功率需求。

巡航功率需求：

爬坡功率需求：

式中：m為車質量，kg；f為輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；v 為車速，km/h；ηt為傳動效率，%；vi為爬坡車速，km/h；i 為爬坡度，%。

循環工況功率需求：

式中：Pwh（t）為輪端功率需求，kW；Tcyc為循環時間，s；ηt為傳動效率，%。

極限加速功率需求：

式中：m 為車質量，kg；f 為輪胎滾阻系數；CD為風阻系數；A 為迎風面積，m2；v 為車速，km/h；vm為加速終點車速，km/h；ηt為傳動效率，%；tm為加速時間，s。

發動機功率：

2 車輛模型與控制策略建立

本文基于AVL Cruise 與Matlab/Simulink 分別建立了車輛模型與控制策略，通過聯合仿真實現了增程式車輛性能仿真計算。

2.1 車輛模型

車輛模型包含發動機、驅動電機、發電機、電池、輪胎及車輛參數等，詳細輸入參數如表1 所示。

圖1 是增程式車輛模型，在AVL Cruise 中完成車輛模型搭建。

表1 輸入參數

圖1 增程式車輛模型

2.2 控制策略

根據車速、電池SOC、加速踏板及制動踏板等參數將車輛運行模式劃分為純電模式、增程模式、制動回收、機械制動、停機及停機充電[2-3]。圖2 是控制策略中模式劃分流程圖，圖3 是在stateflow 中實現的模式劃分。

圖2 控制策略流程圖

圖3 模式劃分實現（Stateflow）

驅動模式含純電模式和增程模式[4]，在電池SOC較高，車速較低，電池能量可以滿足需求功率的條件下，進入純電模式；電池SOC 較低或車速較高，電池能量不滿足需求功率的條件下，進入增程式驅動模式。

制動模式劃分為機械制動和制動回收模式。制動時優先進入制動回收模式，回收制動能量儲存在電池中，用于驅動。在車速低于10 km/h、電池SOC 較高的情況下或緊急制動時采用機械制動。

車輛停機狀態時，若電池SOC 較低，會進入停機充電模式，發動機和發電機運行，給電池充電至SOC限值，保證在車輛啟動時電池SOC 處于合理的運行區間。

3 仿真結果分析

3.1 運行工況點

增程式車輛的發動機不直接參與驅動，故發動機可以運行在指定工況點。圖4 是增程式與傳統車輛運行工況點對比，增程式車輛發動機運行工況點主要集中在低油耗區域。

3.2 WLTC 循環仿真結果分析

以國六中采用的WLTC 循環（含低速、中速、高速及超高速）為例，表2 是WLTC 循環參數，表3 是WLTC 循環仿真結果。增程式較傳統車循環油耗下降約21%，油耗下降主要出現在低、中速區域。原因是低、中速時傳統車發動機運行負荷較低，處于高油耗區域，增程式車提高了發動機運行負荷，使發動機運行在低油耗區域。傳統車與增程式車超高速段油耗差異不大，原因在于高速時傳統車發動機運行在較高負荷，與采用增程式車的油耗差異不大。

圖4 增程式與傳統車輛運行工況點對比

表2 WLTC 循環

表3 WLTC 循環仿真結果

圖5 是發動機、發電機及驅動電機的運行工況。驅動電機直接驅動車輛，其轉速隨車速變化，轉矩與輪端需求轉矩成速比關系。發動機和發電機在SOC較低或車速較高的情況下運行。

圖5 發動機和電機運行工況

圖6、圖7 是增程車和傳統車的能量分布，系統能量損失主要是發動機損失，采用增程后，系統效率提升6%左右。

圖6 能量分布（增程車）

圖7 能量分布（傳統車）

4 結論

本文基于某款增程式車輛的動力性能指標對電機、電池及發動機主要參數進行匹配選型，用AVL Cruise 搭建車輛模型，Simulink 建立控制策略模型，通過聯合仿真實現增程式車輛性能仿真計算，結論如下：

1）在WLTC 循環，增程式車輛循環油耗較傳統車下降21%左右，主要原因是增程式車輛發動機不直接參與驅動，可以調整發動機運行工況，使其主要運行在低油耗區域。

2）WLTC 前3 個階段采用增程式節油效果較明顯，主要是前3 個階段的平均車速較低，傳統車發動機運行負荷較低，采用增程后提升發動機負荷，運行在低油耗區域。

3）通過車輛能量分布可知，車輛系統損失主要存在于發動機損失，對比傳統車與增程車的能量分布，采用增程后，發動機損失降低約11%，系統效率提升約6%。