基于優化規則的平行軸式PHEV能量管理策略研究

龔長友 徐國棟 闞羽 楊金磊

摘要：能量管理（Energy management strategy，EMS）是混合動力汽車的關鍵技術，它涉及電池、發動機和電機之間的能量分配。為了提升插電式混動汽車（Plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）的燃油經濟性，提出了一種優化規則的EMS。首先，建立了平行軸式PHEV的數學模型；然后，在兩參數EMS的基礎上以需求轉矩、電池SOC和車速作為切換閾值設計了3參數EMS；最后，在Python環境下進行了仿真測試。仿真結果表明，相比于傳統的2參數EMS，該策略提高了3.9%的燃油經濟性。

關鍵詞：混合動力汽車;能量管理;基于規則;燃油經濟性

中圖分類號：U469? 收稿日期：2023-12-09

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401005

1 前言

隨著全球氣候變化和環境問題日益突出，發展新能源汽車已成為各國減少交通領域溫室氣體排放、改善全球生態環境、推動社會經濟低碳轉型的共同選擇[1-2]?，F階段，純電動汽車雖然在減少尾氣排放和依賴化石燃料方面表現出色，但仍面臨電池續航里程的限制以及充電基礎設施的不足[3]。混合動力汽車尤其是插電式混合動力汽車兼具電動汽車和傳統汽油車的優勢，可以節省能源和減少排放，同時避免電動汽車的里程焦慮，是汽車低碳化發展的重要路徑[4]。

EMS作為PHEV控制系統的核心策略，其性能對車輛的舒適性、動力性和燃油經濟性有著重要影響[5]。為了提高PHEV的燃油經濟性，在過去的十幾年中，學術界和工程界圍繞混動汽車EMS進行了大量的研究。目前關于PHEV能量管理的研究主要集中在并聯式PHEV方面，然而，對于更為復雜的串并聯PHEV的研究相對較少。本文針對平行軸式串并聯PHEV的能量管理問題，提出了一種基于改進規則的３參數EMS，并在Python環境下對本文所提出的控制策略進行仿真驗證。

2 混合動力系統建模

2.1 平行軸PHEV系統模型

混動系統的建模是進行EMS設計的基礎。本文以某款串并聯PHEV為研究對象，其混動系統示意圖如圖1所示。該混動系統由發動機、離合器、發電機、驅動電機和電池等部件組成，能夠實現純電、發動機直驅、串聯、并聯和動能回收等模式。整車的關鍵部件參數如表1所示。

2.2 PHEV數學模型

2.2.1 整車縱向動力學建模

混動汽車行駛時，縱向動力學方程可表示為[6]：

[Td=ma+0.5CdρAv2+μmgcosθ+mgsinθr]? ? ?（1）

式中，[Td]為需求轉矩；[m]為整車質量；[Cd]為風阻系數；[ρ]為空氣密度；[A]為車輛的擋風面積；[v]為車速；[μ]為滾阻系數；[g]為重力加速度；[θ]為道路坡度；[r]為車輪半徑。

2.2.2 發動機建模

發動機的燃油經濟性是衡量混合動力系統EMS優劣的關鍵因素。已知發動機轉速和轉矩后，瞬時燃油消耗率可以通過圖2所示的發動機燃油消耗MAP圖插值獲得[7]。發動機單位時間的燃油消耗由下式給出：

[mf=Teωebe]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[mf]為發動機油耗；[Te]為發動機轉矩；[ωe]為發動機轉速；[be]為有效燃油消耗率。

2.2.3 電機建模

已知電機的轉速和轉矩后，電機的效率可以通過圖3的效率MAP圖插值獲得，得到電機的工作效率：

[ηm=f（Tm，nm）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[ηm]、[Tm]和[nm]分別為電機效率、輸出轉矩和轉速。

2.2.4 電池建模

動力電池在電機工作時輸出電能，也可以存儲電機在制動過程中回收的能量。不考慮溫度對電池內部特性的影響，采用等效電路電池模型建立如下數學模型。

電池輸出功率：

[Pb=VsocIb-RsocI2b]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

電池電流：

[Ib=Vsoc-V2soc-4RPb2R]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

電池SOC：

[SOC=Vsoc-V2soc-4RPb2RQb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[Pb]為電池功率；[Vsoc]為開路電壓；[Ib]為充放電電流，[R]為內阻；[Qb]為電池最大容量。

3 基于規則的能量管理策略設計

3.1 基于規則的PHEV能量管理策略

基于規則的EMS的基本思想是根據動力總成各部件的效率MAP圖確定發動機和電機之間的轉矩/功率分配的控制策略。根據需求功率/轉矩、SOC狀態，選擇運行模式，使發動機或電機在高效區運行，提高車輛的燃油經濟性[8]。

3.2 優化規則的PHEV能量管理策略

對于串并聯PHEV的EMS設計，由于電的價格遠低于油價，故在進行EMS設計時應盡可能地消耗從電網補充的經濟清潔的電能。本文在電池SOC狀態和需求轉矩的基礎上加入當前車速，設計3參數基于規則的EMS，最后在滿足動力性能的基礎上通過比較純電、串聯和并聯三種模式的燃油經濟性確定PHEV的運行模式?；趦灮巹t的EMS主要分為電量消耗和電量維持兩個階段。

3.2.1 電量消耗（CD）階段

CD階段電池組電量充足（SOC>0.3），以消耗電能為主。若需求扭矩為負則系統進入動能回收模式。若需求扭矩為正，根據車速進一步細分工作模式。CD階段的EMS框圖如圖4所示。

3.2.2 電量維持（CS）階段

CS階段電池組電量較低（SOC<0.3），驅動電機輔助調節發動機盡可能處于經濟高效的工作區間。首先判斷混動系統的能量流向，若需求扭矩為負則系統進入動能回收模式。若需求扭矩為正，根據車速進一步細分工作模式。CS階段的EMS框圖如圖5所示。

4 仿真分析

為驗證本文所提控制策略在串并聯PHEV能量管理方面的有效性，筆者在Python環境下編寫了整車仿真模型和所提出的控制策，并將其與兩參數的CDCS燃油經濟性進行對比。仿真所用循環工況選用3個WLTC，WLTC是國家環境保護局為輕型汽車設計的城市循環工況[9]。一個完整的WLTC 的循環時間為1 800 s，行駛里程為23.25 km，車輛行駛最高車速為120 km/h。WLTC時間與車速的關系如圖6所示。仿真所采用的計算機處理器為Intel Core i5-4590 CPU@3.60 GHz。

仿真過程中設定電池初始SOC為0.8；CD和CS模式SOC切換閾值為0.3。基于兩參數的EMS和基于優化的3參數EMS的仿真結果如圖7～圖9所示。

通過仿真結果可以看出，相比于兩參數EMS，本文所提的基于優化規則的EMS，發動機和電機的工作點更多地分布在高效運行區域。兩種EMS的電池SOC均從0.8逐漸下降到0.3，最后進入電量維持模式，SOC在0.3附近上下波動，但3參數EMS電池SOC下降速度相對較慢。這表明，基于優化的３參數EMS電池放電速率更慢，該策略在充分利用電能的同時，可以有效減緩電池過度放電，有利于電池的使用壽命。

WLTC工況下兩參數EMS和3參數EMS的燃油和電能消耗的總費用以及百公里油耗的仿真結果如表2所示?？梢钥闯觯啾扔趦蓞礒MS，優化后的EMS燃油和電能消耗的總花費降低了3.9%。原因在于優化后的EMS通過比較在純電、串聯和并聯三種模式的燃油經濟性然后確定PHEV的運行模式，避免了發動機在低效率區間運行，PHEV的燃油效率得到一定程度的提升。

5 結語

本文針對平行軸式串并聯PHEV的EMS進行研究，通過分析PHEV系統特性，構建了其數學模型。提出了在需求扭矩和電池SOC雙參數的基礎上加入當前車速的3參數EMS；為提升EMS的燃油經濟性，根據不同模式下油耗和電耗總成本選擇系統的工作模式；最后，通過Python對本文所提出的控制策略進行仿真驗證。仿真結果表明，優化后的基于規則的EMS燃油經濟性提高了3.9%，具有一定的工程應用價值。

參考文獻：

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[7]Liu YonggangEnergy management for hybrid electric vehicles based on imitation reinforcement learning[J]Energy，2023，263：125890

[8]苗琪，付景順，孫志強混合動力汽車控制策略分析與展望[J]專用汽車，2022（7）：17-19

[9]吳凱龍新能源汽車制動能量回收及控制策略研究[D]上海：東華大學，2021

作者簡介：

龔長友，男，1996年生，碩士，研究方向為混合動力汽車能量管理。

徐國棟（通訊作者），男，1976年生，副教授，碩士生導師，研究方向為數字化設計與仿真。