插電式并聯混合動力汽車仿真與能量管理策略

張湘湖，金玉秀，趙巖

煙臺芝罘公路建設養護中心，山東煙臺 264004

0 引言

隨著全球石油資源的不斷消耗以及環境污染日益嚴重，零污染車輛受到更多的關注[1-4]，汽車電氣化成為一個熱門話題。由于電動汽車關鍵技術沒有得到解決，如電車壽命有待提高、配套基礎設施不完善等[5]，混合動力汽車是滿足更清潔、更環保汽車需求的解決方案之一[6-7]。混合動力汽車包含兩個或多個動力源，因此能量管理系統是混合動力汽車不可缺少的組成部分。通過適當的能量管理策略，混合動力汽車可以通過多種動力源之間的合作高效運行，減少燃料消耗和溫室氣體排放[8-9]。

仿真技術是汽車研發過程中的重要手段，虞衛飛等[10]采用Simulink平臺研究了雙電機串聯混動系統的動力性和經濟性；韓艷艷[11]通過AMESim和Simulink聯合仿真設計了混合動力汽車的仿真平臺，實現對發動機油耗和電池耗電量進行預測；白軍偉[12]通過Cruise 和Simulink 軟件主要對混合動力汽車的經濟性進行了仿真。

本文中以某款插電式并聯混合動力汽車為研究對象，基于AMESim搭建整車仿真模型，設計能量管理控制策略，預測發動機油耗和電池電量，為整車能量管理和控制奠定基礎。

1 整車物理模型搭建

1.1 整車基本參數

搭建整車物理模型需要搭建整車的各個子模型。插電式并聯混合動力汽車結構如圖1示。插電式并聯混合動力汽車的發動機驅動系統為主動力源，電驅動系統為輔助動力源，發動機和電動機通過動力耦合裝置疊加。中速行駛時混合動力汽車發動機的燃油經濟性最佳，因此能量管理策略為：在車速較低時，關閉發動機，由電池組向汽車輸出能量；當車速較高時，發動機驅動車輛并為蓄電池充電，電池充滿時，停止充電。混合動力電動汽車整車控制器根據油門踏板和制動踏板信號確定駕駛員的操作指令。整車主要技術性能參數如表1所示。

圖1 混合動力汽車系統結構簡圖

表1 整車主要技術參數

1.2 發動機模型

發動機作為混合動力汽車的主要動力源，直接影響整車的動力輸出，其模型的準確性至關重要。考慮到發動機模型參數難以準確獲取，通常是將靜態模型應用于混合動力電動汽車的仿真中。

當高壓電池處于虧電狀態時，發動機需單獨運行維持車輛的最高車速，因此，發動機的最大功率應不小于車輛保持最高車速所需的功率：

(1)

式中：Pmax為發動機最大功率，kW；ie為變速箱的傳動比；f0、f1、f2為滑行阻力因數；vmax為最高車速，km/h。

1.3 驅動電機模型

對于并聯式混合動力汽車，純電動模式下驅動電機是車輛唯一動力來源，最大轉矩應滿足車輛在純電模式下的動力性能要求(加速性能，爬坡能力等)：

(2)

Tp2i1stie≥(mgsin(atan(dmax))+f0+f1v+f2v2)R,

(3)

式中：Tp2為驅動電機最大轉矩，N·m；i為變速箱速比；i1為變速箱一擋速比；m為車輛質量，kg；g為自由落體加速度，g=9.8 m/s2；a為車輛加速度，m/s2;vt為目標車速，km/h；v為實際車速，km/h;ta為目標加速時間，s；R為車輪半徑，m；dmax為最大爬坡度，%。

在混合動力汽車電機達到最高轉速時，需保證驅動電機在正常轉速區間內運行，即其對應轉速應低于最高轉速：

(4)

式中：np,max為電機最高轉速，r/min；it為變速箱的最高擋速比。

1.4 傳動系速比模型

在混合動力汽車電機達到最高轉速時，需保證發動機和驅動電機運行在正常轉速區間內，即除滿足式(4)外，發動機轉速需低于最高轉速：

(5)

式中：ne,max為發動機最高轉速，r/min。

當高壓電池處于虧電狀態時，發動機單獨工作且需達到車輛最高車速，發動機最大轉矩應不小于車輛保持最高車速所需的車輪轉矩：

Te,maxitie≥(f0+f1vmax+f2vmax2)R，

(6)

其中：Te,max為發動機最大轉矩，N·m。

當高壓電池電量較高時，車輛低速爬坡，發動機和驅動電機的輸出功率需滿足最大爬坡度要求，發動機和驅動電機的最大轉矩之和應不小于車輛保持最大爬坡度所需的轉矩：

(Te,max+TP2)itie≥(mgsin(atan(dmax))+f0+f1v+f2v2)R。

(7)

1.5 動力電池模型

動力電池電量應滿足純電工況下續航里程要求，可按照等速法計算其所需電量。汽車等速行駛所需功率

(8)

式中：vetc為汽車等速行駛速度，km/h；f為滑行阻力系數；ηt為傳動系總效率；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，m2。

電機功率

Pm=Petc/ηm，

(9)

式中ηm為電機效率。

續航里程所需總能量

Wroad=Pmt=PmL/vetc=Wbεsos，

(10)

式中：t為行駛時間，h；L為續航里程，km；Wb為電池所需能量，kW；εsos為電池組放電深度，εsos=0.85。

電池容積

(11)

式中：Ub為輸入電壓，V。

根據式(1)～(10)計算，動力系統匹配參數如表2所示。

表2 動力系統參數匹配結果

2 整車仿真模型的建立

2.1 能量管理策略

搭建的插電式混合動力汽車仿真模型能量管理有4種工作模式，能量管理策略流程如圖2所示。

1)純電動模式：當車速較低且電池電量充足時采用，車輛需求轉矩由驅動電機提供。

2)發動機運行模式：車速較低且電池剩余電量低于閾值，或者車速較高時啟用。

3)混合動力工況：車輛需求轉矩大于發動機輸出最佳轉矩時，發動機輸出最佳轉矩，驅動電機提供剩余需求轉矩，汽車由發動機和驅動電機共同驅動；車輛需要的轉矩低于發動機的最佳轉矩時，汽車進入行駛充電模式，發動機按照最佳轉矩輸出，多余轉矩帶動驅動電機發電；當車輛輸出加速命令大于具體參數0.85且需求轉矩大于驅動電機最大轉矩時，車輛需求轉矩主要由發動機提供，驅動電機提供剩余轉矩。

4)制動能量回收：當制動力矩大于0，汽車進入制動控制狀況，此時驅動電機作為發電機使用，回收制動動能并給電池充電。

圖2 能量管理策略流程圖

2.2 基于AMESim的整車物理模型

通過AMESim搭建整車的物理模型，如圖3所示。該模型由駕駛模塊、發動機模塊、電池模塊、車輛控制單元、變速器模塊、電機模塊等組成。

圖3 混合動力汽車仿真模型

能量管理策略為邏輯門限值，當低速行駛時車輛動力來源主要由電動機提供，同時發動機處于最佳轉矩區域。

車輛控制單元為整車邏輯控制，可以實現車輛轉矩需求、電機轉矩需求、制動能量回收方案等功能。

3 仿真結果與分析

3.1 經濟性仿真

循環工況下的經濟性是汽車設計的重要指標之一，本文中對全球輕型車輛測試循環(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)、日本JC08工況進行仿真，并分析不同工況下的仿真車速對實際控制車速的跟隨情況、電池荷電狀態(state of charge，SOC)變化以及油耗變化。

WLTC工況、JC08工況下，混合動力汽車與傳統燃油汽車的車速跟隨曲線、混合動力汽車電池SOC變化曲線、混合動力汽車與傳統燃油汽車的油耗對比曲線如圖4～9所示。

圖4 WLTC工況車速跟隨曲線 圖5 WLTC工況電池SOC變化曲線 圖6 WLTC循環工況油耗對比曲線

圖7 JC08工況車速跟隨曲線 圖8 JC08工況電池SOC變化曲線 圖9 JC08 工況油耗對比曲線

由圖4、7可知：WLTC工況、JC08工況下的仿真車速與實際控制車速的匹配度幾乎完全重合，搭建的仿真模型準確可靠，2種工況下的車速跟隨情況良好，滿足各個循環工況動力性的要求。

表3 各工況電池SOC變化 %

由圖5、8可知：在整個循環工況中，電池SOC不是一直上升或下降的，是隨著工況的變化而不斷變化的。電池初始、最終SOC及仿真時電池SOC的變化幅度如表3所示。由表3可知：WLTC和JC08工況下電池SOC的變化幅度分別為-0.65%、-1.97%，電池SOC的變化幅度不大、基本保持平衡。各個工況下，混合動力汽車電池容量不會影響車輛的加速性能。

表4 各工況燃油消耗對比

由圖6、9可知：WLTC和JC08工況下，混合動力汽車的燃油消耗比傳統燃油車低，混合動力汽車更加省油。2個循環工況下的燃油消耗換算成100 km油耗如表4所示。由表4可知：WLTC工況下，混合動力汽車相對于燃油車節油約28.73%；JC08工況下，混合動力汽車相對于燃油車的節油約27.69%。

3.2 動力性仿真

車輛動力性是整車主要的性能之一，包括0～100 km/h加速性能、車輛爬坡性能等。本文中通過建立的模型對混動車輛純電模式、純燃油模型、混動模式下的動力性能進行仿真，不同模式下最大車速和最大爬坡度仿真結果如圖10、11所示。

圖10 不同模式下最大車速和加速性能 圖11 不同模式下最大爬坡度

由圖10可知：汽車的最大車速為183.25 km/h；純電、混動和燃油模式下，車速由0加速到100 km/h的時間為分別為8.53、10.67、14.36 s。純電模式下0～100 km/h加速時間符合國家863計劃電動汽車重大專項——電動汽車招標書中規定的電動汽車加速性能指標要求(0～100 km/h的加速時間小于10 s)。由圖11知，混動模式下最大爬坡度為51.32%，相對于燃油模式(最大爬坡度39.23%)提升了23.52%。混合動力模式下動力性能比傳統的燃油車更好，符合整車設計的動力性要求。

4 結論

以某款插電混合動力汽車為研究對象，基于AMESim建立其仿真模型，并在WLTC和JCO8 2種工況下，對混動汽車的動力性和經濟性進行仿真。

1)仿真車速與實際控制車速的匹配度幾乎完全重合，仿真模型準確可靠，仿真模型能夠用于評估該混動車型的可行性。

2)不同循環工況下，車速跟隨和電池SOC變化情況均符合要求，且混合動力汽車比傳統燃油車更加省油。