P2構(gòu)型PHEV的規(guī)則型能量管理策略

羅 勇,陳國芳,韋永恒,鄧云霄,任 淋,徐利吉

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

傳統(tǒng)汽車的普及化造成了全球能源短缺和環(huán)境急劇惡化等問題。為解決目前人類所面臨的難題，研究開發(fā)新能源汽車成為了不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。其中,插電式混合動(dòng)力成為了汽車電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要途徑。插電式混合動(dòng)力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)具有低排放、低油耗、無續(xù)航里程焦慮等優(yōu)勢(shì)，兼具傳統(tǒng)燃油汽車與純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)。混合動(dòng)力汽車具備了2種及其以上的動(dòng)力源，既能解決傳統(tǒng)燃油車帶來的高油耗和高排放問題，又能彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車的行駛里程不足的缺點(diǎn)[1-2]。

想要提升混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、提高其整車性能，必須設(shè)計(jì)出有效的混合動(dòng)力能量管理策略。混合動(dòng)力汽車常見的能量管理策略有多種形式，大體分為基于優(yōu)化型的能量管理策略(如模型預(yù)測(cè)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和基于規(guī)則型的控制策略等[3-5]。其中，基于規(guī)則型的控制策略又分為基于確定規(guī)則的控制策略和基于模糊邏輯的控制策略。基于確定規(guī)則的控制策略是在傳統(tǒng)的最優(yōu)控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)，提出的一種基于規(guī)則的監(jiān)督控制方法，從而使燃油消耗最小化。可通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法提高基于規(guī)則控制的能量管理策略性能，同時(shí)可用發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖將混合動(dòng)力汽車實(shí)時(shí)控制在高效區(qū)，進(jìn)而達(dá)到改善燃油經(jīng)濟(jì)性的目的[6-8]。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線劃分P2構(gòu)型PHEV工作模式，并通過邏輯門限的思想建立相應(yīng)的能量管理策略。通過設(shè)置邏輯門限值，綜合考慮車速、整車需求扭矩及電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)等控制參數(shù)，合理選擇不同工作模式驅(qū)動(dòng)車輛以使整車工作效率最優(yōu)。同時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域劃分整車工作模式，基于邏輯門限值思想提出電量消耗和電量維持的多階段能量管理策略。結(jié)合Simulink搭建整車模型并仿真。

1 P2插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究對(duì)象基于P2插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器、動(dòng)力電池組、主減速器等子系統(tǒng)，整車P2構(gòu)型PHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

圖1 P2構(gòu)型PHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖可得，該系統(tǒng)的動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)和P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同組成。P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于離合器C1之后，同時(shí)置于C2之前。當(dāng)離合器C2&C1結(jié)合，此時(shí)P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛；當(dāng)離合器C2結(jié)合，此時(shí)P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)空轉(zhuǎn)不輸出扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，可以與P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同通過變速器增扭后輸出至輪端，也可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩至P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電的同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，實(shí)現(xiàn)行車充電模式。

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)和P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)可根據(jù)整車運(yùn)行工況扭矩需求進(jìn)行協(xié)調(diào)，合理分配輸出驅(qū)動(dòng)扭矩。本文研究對(duì)象的工作模式主要包括以下6種，分別為：純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)模式、行車充電模式、混合動(dòng)力模式、制動(dòng)能量回收模式以及停車充電模式。不同工作模式下，2個(gè)動(dòng)力源及離合器工作狀態(tài)如表1所示。

表1 各部件在不同工作模式下的工作狀態(tài)

2 基于規(guī)則的能量管理策略

能量管理策略作為PHEV的核心技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)需遵循以下原則：動(dòng)力電池能量耗盡原則、驅(qū)動(dòng)優(yōu)先原則、再生制動(dòng)最大能量回收原則。其中，根據(jù)動(dòng)力電池組消耗過程可分為電量消耗階段(charge-depleting,CD)和電量維持階段(charge-sustaining,CS)[10]。電池組具體消耗過程如圖2所示。

圖2 電池組電量消耗過程分析示意圖

2.1 電量消耗階段(CD)

此階段包括純電動(dòng)模式、混合動(dòng)力模式、停車充電模式和制動(dòng)能量回收模式。其中制動(dòng)能量回收模式又可根據(jù)不同的情況分為電機(jī)制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)和混合制動(dòng)。工作模式間切換邏輯和扭矩分配如表2所示。

表2 CD階段模式切換邏輯與扭矩分配

此階段主要以P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主。當(dāng)車輛動(dòng)力需求較大時(shí)，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)無法滿足整車扭矩需求，采用混合動(dòng)力模式；在汽車減速或制動(dòng)工況下，制動(dòng)強(qiáng)度小，根據(jù)再生制動(dòng)最大能量回收原則選擇P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)先制動(dòng)；若制動(dòng)強(qiáng)度較大，為保證安全制動(dòng)，使P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出最大制動(dòng)力矩；當(dāng)電池組電量充足時(shí)，采用機(jī)械制動(dòng)提供制動(dòng)力矩；停車狀態(tài)下則使用外接電源為車輛充電。

根據(jù)上述分析，電量消耗階段的控制策略工作流程如圖3所示。

圖3 電量消耗階段的控制策略工作流程框圖

2.2 電量維持階段(CS)

電量消耗階段后，電池組電量較低，進(jìn)入此階段。電量在一定區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。此階段主要以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使其工作區(qū)域效率最優(yōu)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域劃分示意圖

CS階段包括純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)模式、混合動(dòng)力模式、行車充電模式、停車充電模式、電機(jī)制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)和混合制動(dòng)。工作模式之間的切換邏輯和扭矩分配如表3所示。

表3 CS階段模式切換邏輯與扭矩分配

A區(qū)域：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大驅(qū)動(dòng)扭矩Te_max，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出Tr-Te_max，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)同時(shí)工作。

B區(qū)域：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大驅(qū)動(dòng)扭矩Te_max，超出需求部分給電池主動(dòng)充電。

C區(qū)域：若SOCSOCobj，整車需求扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。

D區(qū)域：若SOC>SOCobj，整車需求扭矩由P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供；若SOC

根據(jù)上述分析，電量維持階段的控制策略工作流程如圖5所示。

圖5 電量維持階段的控制策略工作流程框圖

3 建模與仿真分析

結(jié)合前文對(duì)P2構(gòu)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析和規(guī)則的能量管理控制策略制定，基于Matlab/Simulink建立了P2構(gòu)型能量管理仿真模塊，如圖6所示。該模型主要分為輸入模塊、駕駛員模塊、車輛模型模塊、控制策略模塊。其中，關(guān)鍵器件模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)特性模型、電機(jī)特性模型、電池模型、車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型；控制策略模塊主要包括扭矩分配、模式選擇等模塊。

圖6 P2構(gòu)型能量管理仿真模塊框圖

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)特性模型

通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，建立了描述發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、轉(zhuǎn)速和扭矩之間關(guān)系的二維插值數(shù)值模型，如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、轉(zhuǎn)速和扭矩之間關(guān)系的二維插值數(shù)值模型示意圖

根據(jù)式(1)-(3)計(jì)算可得發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率、最大扭矩和單位時(shí)間油耗[11]。

be=f(ne,Te)

(1)

Te_max=f(ne)

(2)

(3)

式中：be為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前燃油消耗率；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；b為燃油消耗率；ρ為燃油密度；g為重力加速度(汽油ρg取為6.96 ～ 7.15 N/L)。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性模型

通過電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)并建模，忽略其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)和控制過程。根據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速，基于插值法可得電機(jī)效率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性及效率模型如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性及效率模型示意圖

電機(jī)最大扭矩、功率可表示為：

Tm_max=f(nm)

(4)

(5)

電機(jī)放電電流Im1與充電電流Im2分別為：

(6)

電機(jī)效率為:

ηm=f(Tm,nm)

(7)

式中：ηm為電機(jī)效率；Vm為電池組電壓。

3.3 動(dòng)力電池組模型

忽略動(dòng)力電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)及溫度影響，采用理想等效電路建模[12]。動(dòng)力電池等效電路如圖9所示。

圖9 動(dòng)力電池等效電路示意圖

圖9中，Cs表示電池放電電壓快速上升過程，為電池動(dòng)態(tài)特性中表現(xiàn)的短時(shí)間常數(shù)，CL表示電池放電電壓緩慢穩(wěn)定過程，為電池動(dòng)態(tài)特性中表現(xiàn)的長時(shí)間常數(shù)[13]。

電池端電壓根據(jù)式(8)計(jì)算：

U=Voc-Vs-VI-ReI

(8)

電池回路電流計(jì)算：

(9)

式中：U為電池端電壓；Voc為電池開路電壓：Re為電池內(nèi)阻；I為電池電流；Vs、VI分別為Rs、RI兩端的電壓；R、P為動(dòng)力電池組總功率。

電池荷電狀態(tài)(SOC)用來反應(yīng)電池剩余容量，其數(shù)值上定義為剩余容量占電池容量的比值，可采用安時(shí)積分法計(jì)算：

(10)

式中：SOC0表示電池充放電起始時(shí)刻SOC；SOCt表示t時(shí)刻SOC；C表示電池額定容量。

3.4 整車動(dòng)力學(xué)模型

車輛在行駛過程中，動(dòng)力源傳遞的扭矩通過離合器、變速器、主減速器等傳遞至車輪處。需考慮整車輪胎滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力[11]。具體整車動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為：

Tf=r·(mg·sinθ+mgf·cosθ+

(11)

式中：m為整車載荷；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；θ為爬坡度；r為車輪半徑；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速；ηt為變速器效率。

根據(jù)對(duì)P2插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析及關(guān)鍵器件建模，整車部分基本參數(shù)如表4所示。

表4 整車部分基本參數(shù)

3.5 仿真結(jié)果分析

選擇NEDC作為目標(biāo)工況進(jìn)行仿真，連續(xù)運(yùn)行8個(gè)NEDC循環(huán)工況。為有效地模擬CD/CS模式的切換，將動(dòng)力電池初始值設(shè)為0.9，設(shè)置SOCmax=0.9，SOCmin=0.3，SOCobj=0.35。

圖10為車速跟蹤仿真驗(yàn)證結(jié)果。從圖10可以看出，NEDC工況下實(shí)際車速和目標(biāo)車速跟蹤效果良好，表明本文控制策略穩(wěn)定性及模型的正確性。

圖10 車速跟蹤仿真驗(yàn)證結(jié)果曲線

圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，圖12為發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)圖。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩示意圖

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)示意圖

從圖中可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩大部分都處于高效扭矩區(qū)域內(nèi)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)長期工作在最優(yōu)區(qū)域，可有效改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。從工作頻率上看，發(fā)動(dòng)機(jī)在CD階段的工作頻率明顯高于CS階段。CS階段為維持電池的SOC，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)工作提供能量，而CD階段電池SOC較高，此時(shí)主要依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。

圖13為電機(jī)輸出扭矩示意圖。由圖13可以看出，電機(jī)扭矩以正負(fù)形式輸出，表明工作中電機(jī)在電動(dòng)和充電狀態(tài)之間進(jìn)行切換，結(jié)合SOC變換曲線可看出，該控制策略控制效果良好。同時(shí)，CD階段的電機(jī)輸出扭矩明顯大于CS階段的輸出扭矩，表明CD階段主要由電機(jī)工作驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

圖13 電機(jī)輸出扭矩示意圖

從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩圖和電機(jī)輸出扭矩圖可得：該控制策略能夠根據(jù)車輛扭矩需求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩進(jìn)行合理協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同模式的駕駛性能需求，驗(yàn)證了該控制策略的有效性良好。

圖14為動(dòng)力電池SOC變化曲線。可以看出，初始階段電池處于電量消耗時(shí)期，隨時(shí)間增加，電池SOC不斷下降，靠近電量維持階段附近時(shí)下降趨勢(shì)有所減緩。當(dāng)其下降到SOCobj=0.35時(shí)，進(jìn)入CS階段。此階段后，SOC維持在SOCobj上下。整個(gè)過程，電池SOC始終保持在0.3～0.9，有效減少電池?fù)p傷，增加電池使用壽命。

圖14 動(dòng)力電池SOC變化曲線

圖15為傳統(tǒng)燃油車和P2構(gòu)型插電式混合動(dòng)力汽車的燃油消耗量隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖15可知，PHEV在初期以電機(jī)工作為主，燃油消耗明顯減少。但是隨著時(shí)間推移，電池電量被逐漸消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸參與驅(qū)動(dòng)，到CS階段發(fā)動(dòng)機(jī)起著主要作用，所以此階段油耗明顯增加。與此同時(shí)，P2構(gòu)型插電式混合動(dòng)力汽車百公里油耗5.36 L，相比傳統(tǒng)燃油車百公里油耗6.94 L，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了22.76%。

圖15 傳統(tǒng)燃油車和P2構(gòu)型插電式混合動(dòng)力汽車的燃油消耗量隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

參考某P2構(gòu)型插電式混合動(dòng)力汽車，搭建了其整車模型，提出了包含CD模式和CS模式的基于規(guī)則的能量管理策略。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP圖對(duì)系統(tǒng)模式切換邏輯進(jìn)行劃分以及整車扭矩分配；結(jié)合Matlab/Stateflow建立整車控制策略模型；最后仿真分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的能量管理策略能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的基本控制，合理地進(jìn)行模式的切換，扭矩分配較為合理；對(duì)后續(xù)采用優(yōu)化方法設(shè)計(jì)能量管理策略具有指導(dǎo)意義；相比傳統(tǒng)燃油車每百公里節(jié)省了22.76%的燃油量。