插電式混合動力農業運輸車驅動工況控制及仿真

何 璐，尹愛勇

(銅陵職業技術學院，安徽 銅陵 244000)

0 引言

插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)，是指可以使用輸電網對動力電池進行充電的混合動力汽車。PHEV純電動行駛距離長，動力電池容量大，動力性和燃油經濟性得到提高。

插電式混合動力汽車的電池組工作模式包括電量耗盡模式(Charge Depleting，CD)和電量維持模式(Charge Sustaining，CS)，常用的控制策略可以分為基于規則的邏輯門限值控制策略、基于模糊控制的智能型控制策略和基于優化算法的動態控制策略三大類[1]。合肥工業大學錢立軍等[2]提出一種模糊邏輯控制策略，考慮了電池充放電平衡和發動機燃油經濟性，應用ADVISOR2002仿真軟件建立控制策略模型并進行仿真。結果表明，模糊邏輯控制有較好的魯棒性，能合理分配發動機和電動機的轉矩，并保持電池SOC的變化在誤差范圍內。吉林大學張博等[3]應用PSAT前向仿真軟件，基于雙離合器式并聯PHEV仿真模型，對不同全電力續駛里程和動力電池類型的PHEV動力總成進行優化。其結果表明，動力電池容量的設計對整車成本影響最大。

本文以插電式并聯混合動力農業運輸車為研究對象，基于各部件效率特性和汽車行駛工況特征，制定出關于插電式并聯混合動力農業運輸車的驅動工況控制策略，并建立仿真模型進行燃油經濟性仿真分析。

1 數學模型

1.1 PHEV動力傳動系統結構和基本參數

插電式并聯混合動力農業運輸車結構如圖1所示。

圖1 插電式并聯混合動力農業運輸車結構簡圖

插電式并聯混合動力農業運輸車整車主要參數如表1所示。

表1 整車主要參數

1.2 整車動力學模型

當只考慮車輛縱向運動的前提下，由汽車的驅動力與行駛阻力之間的平衡關系可以建立汽車的行駛方程式如公式(1)

(1)

式中：Ft為牽引力，N；m為汽車質量，kg；g為重力加速度因子，m·s-2；f為滾動阻力系數；α為路面坡度角；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，m2；ua為汽車行駛速度，km·h-1；δ為汽車旋轉質量換算系數。

1.3 發動機油耗模型

發動機油耗模型通過臺架試驗數據建立，可得到發動機燃油消耗率隨發動機轉速和轉矩的變化關系，如圖2所示。

圖2 發動機燃油消耗三維模型圖

1.4 電機效率模型

電機效率模型通過臺架試驗數據建立，可得到電機效率隨電機轉速和轉矩的變化關系，如圖3所示。

圖3 電機效率三維圖

1.5 電池充放電模型

電池與電機之間的工作原理如圖4所示。

圖4 電池與電機共同工作原理

此處采用內阻模型，將電池看作一個理想電壓源和一個內阻串聯的等效電路。其中，E(SOC)是電池開路電壓，Uess是電池端電壓，R(SOC)是電池等效內阻，I是電池放電/充電電流。

2 控制策略設計

針對插電式并聯混合動力農業運輸車的行駛特點，采用基于規則的邏輯門限值控制策略[4]?；谝巹t的邏輯門限值控制策略其基本出發點是盡量使發動機工作在效率較高的區域內，并使電池SOC盡量維持在對電池效率和壽命有利的范圍內。

根據電池的內阻特性，電池組SOC工作范圍限定在0.35～0.95之間。即SOCin為電池SOC的初始值，取0.95；SOChi為電池處于電量維持模式的SOC上限值，取0.45；SOClo為電池處于電量維持模式的SOC下限值，取0.35。根據電池的兩種不同工作模式，電量消耗模式和電量維持模式制定控制策略。

2.1 電量消耗模式

此時電池SOC在0.45～0.95之間，發動機工作區域如圖5所示Tr為需求轉矩；Tmax為發動機的最大轉矩；考慮到混合動力運輸車在純電動模式和發動機單獨驅動模式之間不停切換會造成發動機反復起停，增加燃油消耗，因而，設置Tmin和Tmin_1兩條最小轉矩界限線，形成一個緩沖帶，可以避免發動機反復起停，輸出轉矩不停波動的現象。Tmin為混合動力運輸車從純電動工作模式切換到發動機單獨驅動模式時的發動機最小轉矩；Tmin_1為混合動力運輸車從發動機單獨驅動模式切換到純電動工作模式時的最小轉矩。

圖5 電量消耗模式時發動機工作區域

1)當n

Te=0，Tm=Tr；

2)當n≥n_min時，如Tr

Te=0，Tm=Tr；

3)當n≥n_min時，如Tmin≤Tr

Te=Tr，Tm=0；

4)當n≥n_min時，如Tr逐漸減小至Tmin_1，由電動機提供全部的驅動力矩，發動機關閉，為發動機單獨驅動模式切換為純電動驅動模式，此時，發動機轉矩為0，電動機轉矩等于汽車需求轉矩

Te=0，Tm=Tr；

5)當n≥n_min時，如Tr≥Tmax，由發動機和電動機聯合提供全部的驅動力矩，此時，發動機轉矩，電動機轉矩由下式計算

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax

2.2 電量維持模式

此時電池SOC在0.35～0.45之間。發動機工作區域如圖6所示。

圖6 電量維持模式時發動機工作區域

Tcut為發電機向電池充電的充電轉矩。

1)當電池SOC滿足以下關系SOClo≤SOC≤SOChi，如n

Te=0，Tm=Tr；

2)當電池SOC滿足以下關系SOClo≤SOC≤SOChi，如n≥n_min，分為以下幾種情形：

①當Tr

Te=0，Tm=Tr；

②當Tmin≤Tr

Te=Tcut，Tm=Tr-Tcut；

③當Tr逐漸減小至Tr

Te=0，Tm=Tr；

④當Tcut≤Tr

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax；

⑤當Tr≥Tmax時，由發動機和電動機聯合提供全部的驅動力矩，此時，發動機轉矩，電動機轉矩由下式計算

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax

3)當電池SOC

①當Tr

Te=Tmin，Tm=Tr-Tmin；

②當Tr滿足以下關系Tmin≤Tr

Te=Tcut，Tm=Tr-Tcut；

③當Tcut≤Tr

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax；

④當Tr≥Tmax時，由發動機提供全部的驅動力矩，電動機關閉，即從發動機向電池充電模式切換為發動機單獨驅動模式，此時，發動機轉矩等于運輸車需求轉矩，電動機轉矩為0

Te=Tr，Tm=0；

2.3 控制策略邏輯框圖

根據上述制定的插電式并聯混合動力農業運輸車控制策略，表達成邏輯圖如圖7所示。

圖7 插電式并聯混合動力農業運輸車控制策略邏輯框圖

3 燃油經濟性仿真

3.1 仿真模型

采用后向仿真方法來建立插電式并聯混合動力農業運輸車仿真模型并進行燃油經濟性計算。根據插電式并聯混合動力農業運輸車動力傳動系統中各部件數學模型和整車動力學模型，利用Simulink和Stateflow軟件平臺，建立插電式并聯混合動力農業運輸車驅動工況燃油經濟性仿真模型如圖8所示，仿真模型包括輸入模塊、整車模塊、控制策略模塊、發動機模塊、電機和電池模塊等組成。圖9為控制策略采用Stateflow軟件進行仿真的局部放大圖。

圖8 插電式并聯混合動力農業運輸車驅動工況燃油經濟性仿真圖

圖9 插電式并聯混合動力農業運輸車控制策略Stateflow仿真局部放大圖

3.2 仿真結果分析

針對插電式并聯混合動力農業運輸車，仿真計算工況選擇中國典型城市循環工況，分別計算2個循環工況和30個循環工況。

圖10是2個中國典型城市循環工況下的仿真結果圖。

圖10 2個循環工況仿真結果圖

從圖中可以看出，在循環工況車速較高時，發動機才參與工作，其他時間都關閉，因此發動機在一段時間內輸出轉矩為零，只在高效率區域內運行；當汽車起步、怠速或小負荷運行時，電動機參與工作，而當運輸車車速以較高車速穩定運行時，電動機關閉，不輸出轉矩；當整車減速或制動時，電機發電，給動力電池充電，回收制動能量。

圖11是30個中國典型城市循環工況下的仿真結果圖。

圖11 30個循環工況仿真結果圖

原型基礎車油耗為38 L·(100 km)-1，仿真結果在2個和30個中國典型城市循環工況下的百公里油耗如表2所示。

表2 百公里油耗

從表2可看出，節油效果比較明顯，表明所制定的插電式并聯混合動力農業運輸車驅動工況控制策略是有效的。

從圖10(a)中可以看出，發動機工作點主要集中在發動機轉速為中、高速附近，說明制定的控制策略主要使發動機工作在高效率區域，提高了發動機的使用效率和燃油經濟性；從圖10(b)中可看出，電機的正負轉矩工作點相對比較平均，而且工作點基本集中在高效率區域，說明電機能很好地滿足動力與能量回收的需要；從圖10(c)中可以看出，當電池SOC值較大時，電池以電量耗盡型模式工作，當電池SOC值下降到一定范圍內時，電池處于不停的充/放電的電量維持階段。圖11(d)是在30個中國典型城市循環工況下仿真的百公里油耗結果。

3.3 整車參數對燃油消耗影響

車輛的燃油消耗不僅與發動機的萬有特性、運輸車行駛工況和運輸車附件的使用等有關，同時，整車相關參數如整備質量、空氣阻力系數、電池容量等的變化也會影響整車油耗。下面根據車輛在30個中國典型城市循環工況行駛的仿真計算結果，討論各個參數對整車油耗的影響。

1)原車整車質量為m=16 000 kg，整備質量為ms=11 500 kg，將整備質量分別減小5.00%和8.00%，此時整車質量m分別為15 425 kg和15 080 kg，得出的百公里油耗，電池SOC如表3所示。

表3 百公里油耗與整車質量關系

2)原車空氣阻力系數CD=0.63，將CD分別降低為0.60和0.57時，得出的百公里油耗，電池SOC如表4所示。

表4 百公里油耗與空氣阻力系數關系

3)原車滾動阻力系數f=0.0100，將f分別降低5%和10%，即為0.009 5和0.009 0時，得出的百公里油耗，電池SOC如表5所示。

表5 百公里油耗與滾動阻力系數關系

4)原車電池容量Qn=60 A·h，將Qn分別增加為80 A·h，100 A·h和120 A·h時，得出的百公里油耗，電池SOC如表6所示。

表6 百公里油耗與電池容量關系

從表3、表4、表5中可看出，減小整車質量，降低空氣阻力系數，降低滾動阻力系數和增加電池容量，都能使燃油消耗得到降低。此時，結束值SOC值變化不大，具有一定的可比性。

4 結語

圍繞插電式并聯混合動力農業運輸車控制策略這一研究主題，建立了插電式并聯混合動力農業運輸車動力傳動系統各部件的數學模型，基于發動機萬有特性圖、電動機/發電機效率圖和汽車循環工況負荷特性，設計了插電式并聯混合動力農業運輸車驅動工況的控制策略，并利用MATLAB/Simulink和Stateflow軟件設計了基于后向算法的燃油經濟性仿真程序，分別對2個和30個中國典型城市循環工況進行了燃油經濟性仿真和分析，結果表明插電式并聯混合動力農業運輸車與相同類型的傳統內燃機農業運輸車相比，其燃油消耗分別降低49.1%和29.6%，且發動機，電動機/發電機運行區域大部分在中、高效經濟區域。