基于實車試驗大數據分析的插電式混合動力汽車能量管理策略解析

曾曉帆,胡明輝,1b,徐 磊

(1. 重慶大學 a. 機械運載工程學院;b. 機械傳動國家重點實驗室,重慶 400044; 2.中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401120)

隨著能源短缺和環境污染問題加劇,“十四五”規劃將節能減排作為低碳化進程的重要內容。插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)采用發動機做功及連接外部電網兩種方式獲取電能[1],與傳統混合動力汽車相比,在純電動模式驅動下,接入電網充電可實現更遠的續航里程;混合動力驅動模式下,協調電機和發動機等多動力源,可降低整車能耗[2],有實現節能減排的天然優勢。

能量管理策略(energy management strategy,EMS)是插電式混合動力汽車實現優良排放性能及低能耗的關鍵技術之一,其本質是依據車輛當前運行工況及工作模式,協調發動機、電池和電機的能量負荷,合理有效分配各動力源功率輸出。國內外關于PHEV的能量管理策略正向研究較多,從理論角度提出很多先進的控制策略。

目前應用于PHEV的能量管理策略主要分為如下幾類[3]:規則控制策略[4]、基于瞬時優化的策略[5-6]、基于全局優化的策略[7]、智能控制策略[8-10]。董雅倩等[11]和秦大同等[12]針對已有規則能量控制策略,使用遺傳算法優化控制規則及參數。Tian等[13]使用K近鄰法和期望最大法建立實時自適應能量管理系統,建立駕駛風格識別模塊,并納入等效消耗最小化策略中。Maino等[14]為動態規劃算法設計一種針對不同混合動力汽車仿真的最優網格離散化自動檢測方法,實現全局優化策略。針對混動系統的非線性時變特點,神經網絡等智能控制被引入能量管理策略。Wang等[15]將計算機視覺和深度強化學習相結合,從視覺輸入中自主學習最優控制策略,將檢測到的視覺信息作為狀態輸入用于連續 DRL 模型輸出能量管理策略,以提高混合動力電動汽車的燃油經濟性。Xie等[16]提出基于隨機模型預測控制(SMPC)能量管理策略,采用馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法(MCMC)以多尺度單步(MSSS)的形式對當前狀態下的速度序列進行預測。

然而上述研究大都處于理論分析及方案研討設計階段,實車道路試驗研究很少。為了進一步提升中國自主設計研發插電式混合動力汽車能量管理策略的能力,筆者設計并開展對國外某先進串并聯混合動力系統能量管理策略的逆向研究解析。

1 串并聯混合動力系統介紹

本研究中所選的串并聯混合動力系統已經被證實擁有高效的能量分配機制,關鍵部件基本參數見表1,其總成結構布置如圖1所示。在該類構型中,發動機與電池均作為動力系統的能量源,其中發動機又與驅動電機同時作為系統的動力源。發電機與發動機通過發電機齒輪副相連;發動機通過離合器與發動機齒輪副相連;驅動電機輸出的動力通過驅動電機齒輪副與發動機傳來的動力相耦合,并經過主減速器驅動車輪。圖1中紅色的線條代表CAN信號通信,CAN(controller area network)是控制器域網。

表1 各部件基本參數

圖1 串并聯混合動力系統結構圖Fig. 1 Structure diagram of series and parallel hybrid power system

2 PHEV能量管理試驗解析

插電式混合動力車輛的能量管理涉及整車的動力性、經濟性及模式功率分配。為此,將能量管理分為3個方面分別進行整車試驗,依次為:整車動力性能測試、整車經濟性能測試、整車模式功率分配測試,并在試驗基礎上進行策略解析。整車試驗以及具體解析流程如圖2所示。圖中的CD表示電量消耗(charge depleting),CS表示電量保持(charge sustaining),NEDC工況(new European driving cycle)為新歐洲汽車法規循環工況,US06為美國設置考察測試樣車在高速度、高加速度情況下排放情況的一種工況,HWY工況(highway driving cycle)為美國高速公路工況。

圖2 能量管理策略試驗解析流程圖Fig. 2 Flow chart of energy management strategy test analysis

2.1 整車動力性能試驗解析

車輛驅動力識別策略直接影響整車動力性,而傳統的車輛驅動力識別策略與車輛當前狀態(如加速踏板開度及其變化率、電池狀態(SOC)、電機轉矩限制、車速等)有關,因此,設計了車輛固定踏板試驗和變速率踏板試驗來觀察不同車輛狀態下整車動力響應特性,以解析整車動力性。

2.1.1 固定踏板特性

插電式混合動力汽車基于電池狀態SOC分為電量消耗(CD)與電量保持(CS)兩個運行階段。CD階段的初始狀態是PHEV的電池初始滿SOC,之后車輛電池能量消耗,當小于一定SOC時進入CS階段。以CD階段試驗為例進行說明。CD階段固定加速踏板開度試驗的條件為:初始SOC為80%,加速踏板開度0%～100%,ECON開關(節能模式開關)、HV開關(車載高壓開關)和電動附件開關全部關閉,車輛從靜止開始加速,直至車輛勻速行駛。為全面描述CD階段各加速踏板開度下的車輛響應情況,將驅動試驗的車速、車輛加速度、電機功率、發動機扭矩、電機扭矩和半軸扭矩的變化情況列出,見圖3所示。

從圖中可以看出,各加速踏板開度下的車速會趨于一個穩定值,其中圖3(a)加速踏板開度大于50%時,出于安全考慮,加速到最高車速后巡航至90 s后減速停車。與此對應,驅動電機和發動機轉速也有一個穩定值。驅動電機轉矩和半軸轉矩均存在峰值和穩定值,發動機的轉矩先出現一個較小的峰值,然后趨于穩定。

由圖3可看出,40%～90%加速踏板開度試驗中驅動電機轉矩出現缺失現象,此現象可能由踏板特性或部件功率限制引起。下面以80%加速踏板開度試驗為例進行分析(見圖4)。

圖4 80%加速踏板開度試驗結果Fig. 4 Test results of 80% accelerator pedal opening

圖4所示為80%加速踏板開度試驗,40%～90%加速踏板開度試驗具有類似的特征。在40%～90%開度下,半軸轉矩出現如圖標注區域所示的轉矩缺失。下面從動力系統部件的工作狀態分析產生此現象的原因(見圖5)。

從圖5可以看出,電機和半軸轉矩出現缺失的時間段恰好為車輛從純電動驅動模式到混合動力驅動模式的切換過程。在8 s時,電池功率已經達到68 kW的瞬時放電功率限制,而車輛的功率需求在持續增加,因此發動機起動。由純電動驅動模式到混合動力驅動模式的切換過程中,發動機從開始起動到發出目標功率需要一定的時間(圖中8～12 s),這段時間發電機發出的功率小于目標功率,需要電池進行補償,而此時電池功率已經達到68 kW的最大值。因此車輛只能發出此時能達到的最大功率,驅動電機的功率和轉矩受到限制。若想消除此處的轉矩缺失,需要從改變模式切換條件的角度考慮,使發動機提前起動以滿足車輛的功率需求。

圖5 80%加速踏板開度轉矩缺失分析Fig. 5 Analysis of 80% accelerator pedal opening torque loss

為了進一步確認上述分析的正確性,進行了100%加速踏板開度試驗(見圖6)。

圖6 100%加速踏板開度試驗結果Fig. 6 Test results of 100% accelerator pedal opening

圖6顯示在100%加速踏板開度下,車輛起步后發動機立即起動,車輛進入混合動力驅動模式運行。整個過程電池沒有達到瞬時放電功率限制,可以補償發電機不足的功率,驅動電機功率不會受到限制。

固定踏板特性下CD、CS模式踏板特性對比如圖7所示。可以看出,CD、CS模式各踏板開度下峰值轉矩的變化趨勢基本相同,各踏板開度下對應的峰值轉矩CD階段比CS階段略大,說明在動力電池電量不足時,車輛傾向于減弱動力性,提高經濟性。

圖7 CD、CS模式踏板特性Fig. 7 Pedal characteristics of CD and CS modes

2.1.2 變速率踏板特性

分析加速踏板變化速率影響的試驗條件為:初始SOC為30%和80%,加速踏板開度以慢和極慢2種速率從0%增加到目標開度(5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、60 %、70%、80%、90%、100%),ECON開關、HV開關和電動附件開關全部關閉,車輛從靜止開始加速,直至車輛勻速行駛。慢踩加速踏板的速率大約為每秒增加5%的開度,極慢踩加速踏板的速率大約為每秒增加2%的開度。

下面以初始SOC為30%為例進行說明,對比踏板開度相同,踏板以3種不同的速率變化時動力系統的功率需求情況(圖8)。

踏板開度相同但踏板開度變化速率不同時,車輛識別的加速意圖是不同的。固定踏板開度下車輛給定的轉矩需求較大,踏板開度變化時會限制車輛的轉矩需求。試驗中2種踏板變化速率對轉矩的限制沒有明顯影響,而初始SOC對轉矩限制的影響比較明顯,SOC越低,電機轉矩也被限制得越低。

圖8 初始SOC為30%不同踏板速率對比Fig. 8 Comparison of different pedal speeds of initial SOC at 30%

從以上分析可以得出車輛動力性與當前車輛狀態之間的邏輯判定關系如圖9所示。

圖9 車輛目標驅動力Fig. 9 Vehicle target driving force

車輛目標驅動力與加速踏板開度、電池狀態SOC、電機轉矩限制、車速有關。加速踏板開度對目標驅動力的影響與傳統車相同。電機轉矩限制直接影響目標驅動力的計算,也就是當電機轉矩被限制時,車輛目標驅動力也被限制。車速達到最高值(180 km/h)時,需求功率會降低到一個固定值。

2.2 整車經濟性能試驗解析

PHEV混合動力運行模式存在多能量源耦合,耦合合理性影響整車經濟性。以US06工況為例,通過瞬態工況能量消耗定量測試了解發動機、發電機與電池的匹配,以及SOC高低對整車聯合控制策略的影響。

從SOC為100%的滿電狀態開始的CD階段到SOC平衡的CS階段一共運行了4個US06工況滿循環。整個US06循環發動機啟動情況如圖10所示,其中紅色曲線表示發動機啟動下的車速,黑色曲線表示發動機未啟動狀態下的車速。

圖10 US06循環發動機啟動情況Fig. 10 US06 cycle engine start

隨著SOC降低,發動機參與工作的比例由第一個循環的46.6%增加到最后一個循環的86.9%。這是由于US06工況屬于一個高速度、高加速度的較為激進的工況,在CD階段,純電動模式無法滿足整車動力需要,需要發動機在高SOC水平下參與驅動。在工況循環中存在減速區間內發動機啟動的現象,是由于踏板操作導致,如圖11所示,其中紅色曲線表示發動機啟動下的車速,黑色曲線表示發動機未啟動狀態下的車速。

圖11 US06 循環特殊工況發動機-加速踏板特性Fig. 11 US06 cycle special operating engine-accelerator pedal characteristics

由圖10可知,4個US06工況循環中,當SOC水平降低至大約30%時,PHEV由CD階段轉變為CS階段。從工況的第1段加速曲線來看,CD階段發動機啟動時車速為30 km/h,電池輸出功率達到62.37 kW;CS階段發動機啟動時車速為10 km/h,電池輸出功率為21.88 kW。這從側面證明了在低SOC狀態下進入CS階段后發動機啟動時機的提前與電池輸出功率之間的約束關系。最終SOC平衡在30%左右。

從能量分配圖(見圖12)可看出第2個循環開始,電池輸出能量累積不斷降低,電池放電輸出(助力和純電)低于電池充電輸入(充電和回收),整車能量幾乎由發動機提供(混合驅動模式和發動機直驅模式)。由于US06屬于較為激進的工況,即使低SOC下的CS階段,對應高功率需求的混合助力模式仍占了較大比例。

圖12 SOC與能量分配關系圖Fig. 12 SOC and energy distribution diagram

2.3 整車模式功率分配解析

PHEV本身的模式控制策略決定了不同工作模式下的零部件工作點均不同,功率分配由各控制器(包括發動機控制器、電機控制器、電池管理系統、整車控制器)協調配合,共同完成整車驅動,滿足以駕駛員操作(踏板)和車輛狀態(車速、SOC)等決定的整車需求功率。本小節以純電動駕駛(EV drive)模式為例進行分析。

純電動驅動模式僅有電池這個單能量源,不存在多能量源功率分配,只需考慮整車功率需求、電池可放電功率、各部件效率及傳動效率等。能量流關系如圖13所示。

圖13 純電動驅動模式能量流動Fig. 13 EV drive mode energy flow

2.3.1 電池充放電能力

整合US06、UDDS、HWY 3個工況的試驗數據結果,分析純電動驅動模式電池充放電能力,如圖14所示。

圖14 CD/CS階段純電動驅動模式電池充放電能力Fig. 14 CD/CS stage EV drive mode battery charge and discharge capacity

CD階段與CS階段的電池充放電能力差異較大。CD階段放電功率可達到72.88 kW,且大多數集中在60 kW以下,充電功率最大為-53.47 kW;CS階段放電功率最大值29.82 kW,充電功率最大值-51.9 kW。由于CS階段SOC較低,考慮到安全性、電池保護以及電池自身輸出能力等因素,電池管理系統(BMS)對電池放電能力進行一定程度的限制,會影響到電機工作點。

2.3.2 電機工作點

整合US06、UDDS、HWY 3個工況的試驗數據結果分析純電動驅動模式電機工作點,如圖15所示。

圖15 CD/CS階段純電動驅動模式電機工作點Fig. 15 CD/CS stage EV drive mode motor operating point

3 PHEV能量管理策略解析

正向設計能量管理策略采用先進的算法和控制理論對PHEV功率進行有效分配。上文中已通過試驗大數據對動力性、經濟性、功率分配進行解析,綜合上述解析結論得到該系統的模式功率分配策略,如圖16所示。

圖16 PHEV模式功率分配框圖Fig. 16 Power allocation block diagram for PHEV mode

由策略框圖16可知,CD和CS階段策略是基于PHEV綜合效率的動態協調策略,屬于能量管理策略中的規則控制策略。規則控制策略基于發動機和電機的功率要求、車速和SOC等參數,并根據設定的工作模式切換的邏輯門限值,使用流程圖來實現從一種模式到另一種模式的轉換,通過使發動機和電機運行在最高效率點來發揮混合動力汽車的節能潛能[17]。

以CD階段為例,通過實車試驗大數據對上述解析的模式功率分配策略進行說明。綜合固定踏板開度試驗和HWY、JC08、UDDS、US06 4種標準工況試驗的車輛工作點如圖17所示,其中綠色代表純電動驅動模式,藍色代表混合動力驅動模式,品紅代表發動機直驅模式。

根據圖17,3種驅動模式存在如下重合的區域:封閉區域①為純電動驅動模式和混合動力驅動模式的重合工作區域,該區域車速范圍40～80 km/h,功率范圍30～50 kW;封閉區域②為混合動力驅動模式和發動機直驅模式的重合工作區域,該區域車速范圍100～180 km/h,功率范圍30～50 kW;封閉區域③和區域④為純電動驅動模式、發動機直驅模式以及混合動力驅動模式的重合工作區域,其中區域③車速范圍80～100 km/h,功率范圍0～30 kW,區域④車速范圍80～100 km/h,功率范圍30～50 kW。

重合工作區域為幾種驅動模式都穩定工作的區域,可以避免驅動模式頻繁切換和發動機頻繁啟停。

CD階段電池的電量充足且全部來自電網充電,純電動驅動的運行區域比較大且覆蓋混合動力驅動區域。模式切換控制器為避免頻繁地啟停發動機,并不存在純電動驅動與混合動力驅動、純電動驅動與發動機直驅的切換,但存在混合動力驅動與發動機直驅的切換。

為了具體說明混合動力驅動與發動機直驅之間的模式切換機制,以UDDS、US06、JC08和HWY 4個標準工況的CD階段數據進行擬合,發動機的工作區間如圖18所示。

圖17 CD階段工況試驗數據模式劃分Fig. 17 Data mode division of CD stage working condition test

圖18 發動機轉速-扭矩分布點擬合Fig. 18 Engine speed-torque distribution point fitting

從圖18可以看到發動機的2種模式工作區間:①發動機直驅模式和②混合驅動模式。下面分別針對發動機的2種模式工作區間分析發動機的工作點。

圖19 發動機轉速-扭矩分布點擬合(發動機直驅模式)Fig. 19 Engine speed-torque distribution point fitting (engine direct drive mode)

在CD階段充電需求可以忽略,電池充電一般發生在整車處于減速狀態(如減踏板開度引起的減速)運行時。發動機直驅在低功率需求時經濟性差。在這種情況下的優化有2個方案:1)提高充電功率,間接提高發動機功率輸出,改善工作點;2)關閉發動機,以純電動運行。選擇方案一方面應考慮此時電池的可充/放電能力,另一方面應考慮減速后可能的再加速,避免發動機頻繁啟停。

圖20 發動機直驅模式下發動機轉速與發動機功率、電池功率、需求功率和節氣門開度的關系Fig. 20 Relationship between engine speed and engine power, battery power, demand power and throttle opening (engine direct drive mode)

圖21 發動機等轉矩-等燃油消耗率曲線(發動機直驅模式)Fig. 21 Curve of constant torque and constant fuel consumption of engine(engine direct drive mode)

圖22 發動機轉速-扭矩擬合曲線(混合驅動模式)Fig. 22 Fitting curve of engine speed and torque (hybrid drive mode)

圖23 發動機轉速-功率關系(混合驅動模式)Fig. 23 Engine speed and power relationship (hybrid drive mode)

圖24 發動機等轉矩-等燃油消耗率曲線(混合驅動模式)Fig. 24 Isotorque-isofuel consumption curves of the engine (hybrid drive mode)

綜合以上分析,整車CD階段模式切換機制有如下特點:

1)在發動機直驅模式下,由于發動機與車輪直接連接,轉速不可調,且工作范圍較窄。此時模式切換控制器根據整車需求功率采用轉矩控制策略,使發動機工作區間集中在經濟區間。但由于發動機轉速覆蓋面窄,控制工況有限。

2)在發動機混合驅動模式下,由于發動機與車輪沒有直接連接,轉速和轉矩均可調,工作范圍廣。此時模式切換控制器根據整車需求功率,采用功率跟隨控制策略。由于混合驅動模式下發動機與車輪解耦,控制器能使發動機完全工作在最優經濟區間。

3)部分過渡工況發動機工作點存在優化的可能。

比較混合驅動模式與發動機直驅模式可知,混合驅動模式與發動機直驅模式的選擇更多考慮發動機、電機、發電機、電池在當下工況的綜合效率。

4 PHEV能量管理策略仿真分析

4.1 串并聯混合驅動系統建模

以某上市PHEV為實例,基于Matlab/Simulink平臺建立串并聯混合驅動系統模型,如圖25所示。該動力系統模型包含發動機模型、電池模型、驅動電機模型、發電機模型、發電機齒輪副模型、離合器(Clutch)模型、發動機齒輪副模型、驅動電機齒輪副模型、主減速器模型及車身系統模型。

圖25 車輛系統模型Fig. 25 Vehicle system model

4.2 能量管理策略仿真及試驗對比分析

4.2.1 仿真結果

采用UDDS工況來驗證解析策略,仿真結果如圖26所示。

圖26 UDDS工況仿真Fig. 26 Simulation results in UDDS working condition

UDDS工況下串并聯驅動系統的車速仿真結果如圖26(a)所示。可以看出,實際車速與目標車速跟隨效果良好,驗證了搭建模型的有效性。圖26(b)描述了UDDS工況不同運行模式下所需功率隨時間的變化。 UDDS工況下,純電動驅動是主要的驅動模式,當系統所需功率逐漸增加時,轉變為混合驅動模式或發動機直驅模式。

4.2.2 仿真與試驗對比分析

以CD階段為例,在混合驅動模式下,根據發動機等轉矩曲線及等燃油消耗率曲線,可以得到混合驅動模式下發動機的最優輸出曲線如圖27所示。最優輸出曲線與由實車試驗所得的發動機工作點擬合曲線一致。

圖27 發動機最優輸出曲線(混合驅動模式)Fig. 27 Optimal engine output curve (hybrid drive mode)

從仿真結果可以看出,依據模型所得的串并聯混合系統的主要驅動部件如發動機的工作點與由實車試驗大數據擬合所得實際工作點相同,且可以按照制定的控制策略,準確地進行模式識別和切換。因此可以利用該模型和控制策略來指導同類動力系統的性能研發和性能分析。

5 結 語

提出了一種通過逆向探究PHEV能量管理策略的實車試驗方法以及解析分析方法。首先設計并完成整車動力性和經濟性實車試驗,據此進行動力性和經濟性性能指標解析,并在此基礎上通過整車模式功率分配解析獲得整車的能量管理策略。實車測試及建模仿真分析結果解析出了該系統的能量管理策略,證明了該方法的有效性與可行性。該方法可用于指導同類型動力系統的能量管理策略設計。