P0+P3構(gòu)型插電式混合動力汽車能量管理策略

羅勇,褚清國,隋毅,任琳,張嘉璐,陳國芳

(1.重慶理工大學(xué)汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400054;2.重慶科技學(xué)院機械與動力工程學(xué)院,重慶 401331)

傳統(tǒng)汽車的高排放、高油耗致使全球能源短缺,環(huán)境惡化,能源危機迫在眉睫,新能源革命為大勢所趨。采用新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的方案層出不窮,在目前的技術(shù)、應(yīng)用條件下,混合動力汽車較電動汽車產(chǎn)業(yè)化和市場化前景更高[1]。插電式混合動力系統(tǒng)兼有了純電動汽車的“清潔”能力和燃油車的續(xù)航能力,合理解決了燃油車的油耗、排放難題及純電動汽車?yán)m(xù)航不足的弊端。

混合動力能量管理策略是提升其燃油經(jīng)濟性和整車性能的有效途徑。目前混合動力汽車的能量管理策略總體上分為優(yōu)化型和規(guī)則型兩種[2-3]?；谝?guī)則的能量管理策略,包括邏輯門限值和模糊規(guī)則兩類能量管理策略。基于邏輯門限值的能量管理控制策略[4],通過設(shè)置門限值來協(xié)調(diào)控制發(fā)動機與驅(qū)動電機工作狀態(tài),改善燃油消耗量。基于模糊規(guī)則的能量管理策略通過模擬人類思維將控制規(guī)則模糊化[5]。優(yōu)化型控制策略是在基于規(guī)則控制的能量管理策略基礎(chǔ)上使用優(yōu)化算法提升策略性能,保證汽車時刻工作在高效區(qū),從而完成改善燃油消耗率的目的[6-8]。

本研究依據(jù)發(fā)動機特性曲線規(guī)劃P0+P3構(gòu)型PHEV工作模式,在此基礎(chǔ)上參照邏輯門限思想制定基于規(guī)則的CD-CS能量管理策略,保證車輛在不同的工作模式下行駛時整車工作效率較優(yōu)。在Matlab/Simulink中搭建整車模型,仿真并分析P0+P3構(gòu)型中雙電機對整車能耗經(jīng)濟性的影響。

1 P0+P3插電式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1示出P0+P3雙電機混合動力構(gòu)型結(jié)構(gòu)簡圖,系統(tǒng)包含電池、發(fā)動機、P0電機、P3電機、離合器C1、變速器和主減速器等部件[9]。

圖1 P0+P3構(gòu)型PHEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

P0+P3構(gòu)型PHEV系統(tǒng)動力可由發(fā)動機、P0電機以及P3電機提供。P0電機安裝在發(fā)動機的前端,通過傳動皮帶和發(fā)動機前端相連,可與動力傳動系統(tǒng)解耦,具有發(fā)動機怠速起停、發(fā)動機制動能量回收和單獨驅(qū)動汽車電氣化部件等功能。P3電機位于差速器與變速器之間,通過減速機構(gòu)直接與變速器輸出軸相連。當(dāng)離合器C1斷開,變速器擋位處于空擋,車輛行駛動力僅由P3電機單獨供給;當(dāng)離合器C1結(jié)合,變速器在擋,此時P3電機可與發(fā)動機協(xié)同工作驅(qū)動車輛行駛;或者單一由發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛,此時P3驅(qū)動電機空轉(zhuǎn),不輸出扭矩。還可由發(fā)動機帶動P0、P3電機為車輛行駛提供動力,并且為動力電池充電,實現(xiàn)行車充電模式。此外,根據(jù)不同工況車輛的行駛扭矩需求和車輛狀態(tài)可對發(fā)動機、P0電機以及P3電機工作狀態(tài)進行協(xié)調(diào)控制。

以純電模式、行車充電模式、純發(fā)動機模式、混動模式、制動能量回收模式(機械制動、電機制動、混合制動)以及停車充電模式6 種工作模式展開研究,兩個動力源及離合器在各種工作模式下的狀態(tài)見表1。

表1 各部件在不同工作模式下的狀態(tài)

2 基于規(guī)則的能量管理策略

能量管理策略作為PHEV的技術(shù)要點之一,可以根據(jù)電池的SOC變化過程進行制定,電量消耗過程如圖2所示。由圖2可以看出,在行駛過程中電量的變化呈明顯的階段性,即電量消耗較快的CD階段和電量消耗相對平緩的CS階段[10]。

圖2 電池組電量消耗過程

2.1 電量消耗階段(CD)

電量消耗階段,電池SOC較高,為了提升燃油經(jīng)濟性,要盡量使用電機作為主要動力源。結(jié)合本研究中車輛的構(gòu)型,CD階段車輛的工作模式可分為純電驅(qū)動模式、混合驅(qū)動模式以及制動能量回收模式。

在CD階段,如果車輛的需求扭矩較小,電池電量又充足,則優(yōu)先選擇純電模式。如果車輛需求扭矩較大,而整車扭矩需求又不能由P3驅(qū)動電機滿足時,則選取混合驅(qū)動模式。在制動工況中,由制動能量回收最大原則可知,如果減速度較小,則優(yōu)先選取P3驅(qū)動電機制動;若減速度較大,為了在確保制動安全的同時P3電機又能輸出最大制動力矩,機械制動會彌補剩余的制動力需求,從而最大限度地進行能量回收;如若電池組電量充足,則由機械制動器進行制動,以此保護電池防止過充電。CD階段的車輛工作模式切換邏輯與扭矩分配如表2所示。

表2 CD階段模式切換邏輯與扭矩分配表

續(xù)表

表中,Tcb1為發(fā)動機最優(yōu)扭矩與P3電機最大驅(qū)動扭矩之和,即

Tcb1=Teng_opt+Tp3_max。

(1)

CD階段工作模式的切換控制邏輯如圖3所示。該切換邏輯可分為三層：①通過整車的需求扭矩判斷是驅(qū)動模式還是制動模式;②通過SOC狀態(tài)判斷是否需進行能量回收;③通過P3驅(qū)動電機的峰值扭矩判斷是進入純電驅(qū)動模式還是混合驅(qū)動模式,或通過電機最大再生制動扭矩判斷是進行電機制動還是混合制動。

圖3 電量消耗階段控制策略流程

2.2 電量維持階段(CS)

當(dāng)車輛電池SOC較低時,車輛轉(zhuǎn)入電量維持階段。此階段發(fā)動機作為主要動力源驅(qū)動車輛[11],P0電機與P3驅(qū)動電機可作為驅(qū)動電機或發(fā)電機使用。發(fā)動機的工作區(qū)域如圖4所示。

圖4 發(fā)動機工作區(qū)域劃分

因CS階段主要依靠發(fā)動機驅(qū)動,所以與CD階段相比,車輛工作模式增加了發(fā)動機驅(qū)動和行車充電模式。制動模式與CD階段相同。該階段不同工作模式間的邊界條件和扭矩分配如表3所示。

表3 CS階段模式切換邏輯與扭矩分配表

續(xù)表

表中,Tcb2為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機最優(yōu)驅(qū)動扭矩與車輛需求扭矩之差,即

Tcb2=Teng_opt-Treq。

(2)

通過以上分析可得到電量維持階段的控制策略工作流程,如圖5所示。

圖5 電量維持階段控制策略流程

CD-CS控制策略中各動力源扭矩值均換算為傳遞至輪端的扭矩,控制策略中的門限參數(shù)如表4所示。

表4 CS控制策略中各參數(shù)物理意義

3 建模與仿真分析

為驗證CD-CS能量管理策略的有效性,在Simulink中搭建控制策略和車輛動力系統(tǒng)關(guān)鍵模型進行仿真驗證,模型架構(gòu)如圖6所示。

圖6 P0+P3構(gòu)型能量管理仿真模型框架

3.1 發(fā)動機特性模型

采用臺架試驗數(shù)值建模法建立發(fā)動機數(shù)值模型,通過發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與扭矩二維插值計算燃油消耗率[12]。燃油消耗率模型如圖7所示。

圖7 發(fā)動機燃油消耗率模型

燃油消耗率、發(fā)動機最大扭矩和每階段發(fā)動機燃油消耗量可由式(3)～式(5)計算得出。

be=f(neng,Teng),

(3)

Teng_max=f(neng),

(4)

(5)

式中：be為燃油消耗率;neng為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;Teng為發(fā)動機扭矩;Qeng為每階段發(fā)動機燃油消耗量;Pe為發(fā)動機功率;ρ為汽油密度;g為重力加速度。對于汽油,ρg一般為6.96～7.15 N/L。

發(fā)動機特性模型搭建如圖8所示,以發(fā)動機扭矩請求指令TrqCmd、發(fā)動機轉(zhuǎn)速EngSpd為輸入,輸出為包含發(fā)動機最大輸出扭矩、燃油消耗率等參數(shù)的總線信號和發(fā)動機扭矩信號EngTrq。

圖8 發(fā)動機模型

3.2 驅(qū)動電機特性模型

與發(fā)動機模型類似,只考慮電機的外特性以及電機的工作效率,采用電機臺架試驗數(shù)據(jù)建立電機數(shù)值模型,P0和P3電機特性如圖9所示。

圖9 驅(qū)動電機效率MAP圖

電機的最大扭矩及功率計算公式如下：

Tmot_max=f(nmot),

(6)

(7)

電機功率可表示為

(8)

電機效率：

ηmot=f(nmot,Tmot)。

(9)

以電機扭矩請求MotTrqCmd、電機轉(zhuǎn)速MotSpd以及電池端電壓BattVolt為輸入,以電機扭矩MotTrq、電機電流MotCurr和電機最大轉(zhuǎn)矩MotTrqMax為輸出,建立的電機控制模型如圖10所示。

圖10 電機模型

3.3 動力電池組模型

忽略溫度對動力電池的影響,將動力電池簡化為理想等效電路模型[13]。等效電路圖見圖11。

圖11 動力電池等效電路圖

圖11中,Cs,Cl是電池極化內(nèi)阻的極化電容,表征電池充放電電容的滯回反應(yīng)[14]。

電池端電壓可由式(10)計算得到,

U=Uoc-Us-Ul-IRe。

(10)

式中：U為電池端電壓;Uoc為電池開路電壓;Us為Rs兩端電壓;Ul為Rl兩端電壓;I為電池電流;Re為電池內(nèi)阻。

回路電流計算公式：

(11)

式中：Rbat為電池組總內(nèi)阻;Pbat為電池組總功率。

在建立動力電池模型時,其中應(yīng)該包含可以反映動力電池剩余容量的SOC計算模塊,其計算方式可利用按時積分法：

(12)

式中：SOC0為電池充放電起始時刻SOC;SOCt為t時刻SOC;C為電池額定容量。

圖12所示為電池組模型,輸入信號為電機電流MotCrnt、當(dāng)前時刻SOC值,輸出信號為電流BattCrnt、電池SOC以及端電壓BattVol。

圖12 電池組模型

3.4 整車動力學(xué)模型

本研究將轉(zhuǎn)彎、換道等橫向動力學(xué)問題排除在外,主要研究汽車行駛時的動力性與經(jīng)濟性,因此,將車輪滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力考慮在內(nèi)[15]。整車動力學(xué)模型計算表達式如下：

(13)

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

圖13示出建立的車輛動力學(xué)控制模型。模型輸入為車速VehSpd和道路坡度RoadGrad信號,輸出為行駛阻力矩DragTreq。

圖13 整車動力學(xué)模型

提出的P0+P3結(jié)構(gòu)的整車基本參數(shù)(部分)如表5所示。

表5 研究對象部分基本參數(shù)

3.5 仿真結(jié)果分析

分別對單電機構(gòu)型P3、雙電機構(gòu)型P0+P3以及傳統(tǒng)燃油車進行仿真。為更加有效地仿真PHEV的模式切換全過程,將3組WLTC循環(huán)工況進行組合作為目標(biāo)工況進行仿真,設(shè)定初始SOC0為0.9,門限值SOCmax為0.9,SOCobj為0.35,SOCmin為0.3。

車速跟隨效果如圖14所示。可以看出,實際車速軌跡能很好地跟隨WLTC循環(huán)工況,表明搭建的整車模型正確,制定的控制策略具有一定的穩(wěn)定性。

圖14 實際車速與目標(biāo)車速對比

圖15示出傳統(tǒng)燃油車、P3單電機構(gòu)型和P0+P3雙電機構(gòu)型的發(fā)動機輸出扭矩對比。傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機的輸出扭矩隨著行駛車速變化而變化,雙電機構(gòu)型下發(fā)動機輸出扭矩較為穩(wěn)定,單電機構(gòu)型下發(fā)動機輸出扭矩隨著工作模式的切換而改變。傳統(tǒng)燃油車的扭矩波動較大,最大輸出扭矩為150 N·m;雙電機構(gòu)型下發(fā)動機輸出扭矩均在100 N·m左右;單電機構(gòu)型下發(fā)動機的輸出扭矩隨著工作階段的不同呈現(xiàn)出兩種狀態(tài),CD階段發(fā)動機輸出扭矩較小,約50 N·m,而CS階段發(fā)動機的輸出扭矩較大,約130 N·m。同時,CD階段工作頻率很大程度上大于CS階段。為了保持CS階段電池SOC穩(wěn)定,整車以發(fā)動機驅(qū)動為主,由于CD階段內(nèi)電池SOC略高,則以電機為主要驅(qū)動源。

圖15 發(fā)動機輸出扭矩對比

圖16示出三種車型的發(fā)動機工作點分布情況。傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機工作點分布較為離散,多數(shù)分布于低效區(qū)間。單電機構(gòu)型中發(fā)動機工況分布點大多處于最優(yōu)區(qū)域內(nèi),但仍然存在部分工作點分布于高效區(qū)間外。雙電機構(gòu)型中,發(fā)動機工作點均分布在最佳經(jīng)濟扭矩曲線上。仿真結(jié)果表明雙電機構(gòu)型較單電機構(gòu)型在對發(fā)動機工作點調(diào)節(jié)方面更具優(yōu)勢,可以保證發(fā)動機在最優(yōu)區(qū)域內(nèi)運行,減少車輛的燃油消耗量;相比于傳統(tǒng)燃油車,引入電機后可明顯改善發(fā)動機的工作狀況。

圖16 發(fā)動機工作點分布情況

圖17示出P0電機輸出扭矩。由圖可知,在CD階段電池電量充足,P0電機很少介入工作;在CS階段發(fā)動機P0電機頻繁介入,工作在行車充電模式,為動力電池充電。

圖17 P0電機輸出扭矩

圖18示出P0、P0+P3兩種構(gòu)型下P3電機的扭矩對比?？梢钥闯?在CD階段,主要由P3電機驅(qū)動車輛行駛,在P3驅(qū)動電機扭矩不滿足車輛需求扭矩時,轉(zhuǎn)入混合驅(qū)動模式,P3驅(qū)動電機與發(fā)動機同時驅(qū)動車輛行駛。在CS階段,發(fā)動機作為主要動力源驅(qū)動車輛行駛,當(dāng)發(fā)動機輸出扭矩不滿足車輛扭矩需求時,P3電機作為輔助動力源與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛行駛。通過對比可知,CS階段雙電機構(gòu)型相比于單電機構(gòu)型P3電機輸出的驅(qū)動扭矩峰值較小。各動力源扭矩變化與CD-CS控制策略所制定扭矩分配規(guī)則一致。

圖18 電機輸出扭矩

根據(jù)發(fā)動機、電機輸出扭矩圖可以看出：本研究提出的CD-CS控制策略可合理分配不同車輛需求扭矩下的發(fā)動機、電機扭矩,從而滿足各種模式下駕駛性能需求,這表明制定的控制策略效果較優(yōu)。

圖19示出電池SOC曲線。在車輛駕駛初期,電池工作在電量消耗區(qū)間內(nèi),電池SOC會隨著時間的推移持續(xù)下降,當(dāng)趨近于CS階段時SOC下降趨勢變慢。在SOCobj=0.35時,轉(zhuǎn)入CS階段并將SOC穩(wěn)定在SOCobj附近。可以看出,電池SOC在0.3至0.9之間波動,很大程度上降低了電池?fù)p傷程度,同時延長電池壽命。

圖19 動力電池SOC變化曲線

圖20示出燃油消耗量變化曲線。可以看出,PHEV在工作初期主要以電機驅(qū)動,此階段燃油消耗量明顯較少且消耗速率相對平緩。隨著時間增加,電池電量開始降低,發(fā)動機開始逐步參與驅(qū)動,到達CS階段時發(fā)動機為主要驅(qū)動源,燃油消耗量不斷增加的同時燃油消耗速率也明顯變快。由表6可知,相較于燃油車,P3構(gòu)型的PHEV節(jié)油率為55.2%,P0+P3構(gòu)型的PHEV節(jié)油率為66.3%,引入電機后明顯改善了車輛的燃油經(jīng)濟性。

圖20 燃油消耗量變化

表6 燃油對比

4 結(jié)束語

以P0+P3構(gòu)型插電式混合動力汽車為研究對象,在整車建?；A(chǔ)上,設(shè)計一種基于規(guī)則的CD-CS控制策略。并在Simulink/Stateflow中建立整車控制策略,以3組WLTC循環(huán)工況組合工況進行仿真驗證,得到車速跟隨曲線、扭矩分配曲線、發(fā)動機工作點分布情況、SOC消耗曲線以及燃油消耗量變化曲線,結(jié)果表明,制定的控制策略可以合理協(xié)調(diào)不同駕駛模式的需求扭矩,和燃油車相比,P3構(gòu)型和P0+P3構(gòu)型的插電式混合動力汽車燃油經(jīng)濟性有明顯改善。