孫貴斌，曹競輝，王　耀，馬騰騰，楊云東

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.福建省客車與特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361024；3.廈門市福工動力技術有限公司，福建 廈門 361024)

2017年，世界氣象組織公布的溫室氣體公報顯示，當年全球二氧化碳的平均濃度達到了歷史最高的水平。控制汽車尾氣排放已經(jīng)成為了汽車生產(chǎn)廠商以及社會各界迫在眉睫、亟需解決的一項任務[1]。新能源汽車成為汽車發(fā)展趨勢。純電動汽車由于電池的技術瓶頸，其發(fā)展受到了制約。而油耗低、排放少、續(xù)航長的混合動力汽車則成了新能源的最佳過渡車型。目前，混合動力汽車的構型一般分為串聯(lián)式(series hybrid electric vehicle，SHEV)、并聯(lián)式(parallel hybrid electric vehicle，PHEV)和混聯(lián)式(parallel-series hybrid electric vehicle，PSHEV)3種[2]。由于混合動力汽車存在兩個動力源，意味著混合動力汽車有多種能量分配方式和工作模式，需要一套較為復雜的控制策略來協(xié)調(diào)整車能量的分配。

現(xiàn)階段，混合動力汽車的整車控制方法主要有2種：一種是基于規(guī)則的方法，如邏輯門限值、模糊控制；另一種是基于優(yōu)化的方法，如：龐特里亞金最小值、動態(tài)規(guī)劃等。連靜等[3]使用基于邏輯門限值的方法對并聯(lián)式混合動力汽車進行研究，文章利用Cruise軟件搭建整車模型，利用Matlab/Simulink建立邏輯門限值算法，實現(xiàn)了對并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的仿真，并降低了油耗，維持了電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的平衡。杜玖玉等[4]使用基于規(guī)則的邏輯門限值的方法對液壓混合動力系統(tǒng)進行研究，把發(fā)動機MAP圖分為3個區(qū)域，根據(jù)不同的工作點劃分汽車的工作模式，以實現(xiàn)對車輛的控制。LIN Chanchao等[5]采用了動態(tài)規(guī)劃算法能量管理策略，把既定的循環(huán)工況離散為N個階段，選取電機轉矩和變速器檔位指令作為控制變量，電池荷電狀態(tài)和變速器檔位作為狀態(tài)變量，得出了混合動力汽車的最優(yōu)控制變量，但是動態(tài)規(guī)劃算法受到工況的制約，計算量大，難以應用到實際。本文利用Matlab/Simulink建立混聯(lián)式混合動力汽車的整車模型，把混合動力汽車工作模式分成4種，基于邏輯門限值的思想建立了能量管理策略，簡化了現(xiàn)有汽車的仿真模型，縮短了混合動力汽車開發(fā)過程的前期階段，并通過在城市道路和市郊道路兩種工況下進行仿真，對汽車性能進行對比分析，驗證汽車模型的正確性和控制策略的有效性。

1　混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)結構

PSHEV結合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點，結構采用了行星齒輪作為動力耦合裝置，綜合了串、并聯(lián)的組成比例。混聯(lián)與并聯(lián)相比，增加了一個發(fā)電機設置；與串聯(lián)相比，增加了發(fā)動機與變速機構的機械連接，但是混聯(lián)式混合動力的動力系統(tǒng)質(zhì)量和體積都較小，能夠提供和傳遞優(yōu)于其他方案的驅(qū)動功率和系統(tǒng)效率。PSHEV可以擁有更多的驅(qū)動模式，能適應不同的行駛工況需求，并且在一部分工況下可以實現(xiàn)“零排放”[6]。本文采用混聯(lián)結構中最具代表性的豐田普銳斯THS-II第二代汽車動力系統(tǒng)結構作為研究對象，其結構示意圖如圖1所示。

2　混聯(lián)式混合動力汽車整車模型的建立

PSHEV的Matlab/Simulink整車頂層模型如圖2所示，其中子模塊包括：drive cycle模塊、driver模塊、control模塊、engine模塊、motor模塊、generator模塊、battery模塊、gear模塊和vehicle模塊。整個PSHEV系統(tǒng)的信號流從路面循環(huán)工況開始傳遞。駕駛員根據(jù)道路需求和實際車速，將踏板命令值傳遞給控制器模塊和車身模塊?？刂颇K根據(jù)整車狀態(tài)，將踏板信號轉化成整車需求轉矩合理分配給發(fā)動機、電動機和發(fā)電機。最后發(fā)動機模塊和電機模塊經(jīng)過行星齒輪模塊將實際轉矩值輸出到車身模塊。

整車主要參數(shù)如表1所示。

表1　整車主要參數(shù)Table 1　Main parameters of the vehicle

2.1　整車動力學模型

整車動力學模型主要考慮車輛的縱向動力學。與傳統(tǒng)燃油車的整車傳動系統(tǒng)基本類似，模型輸入為整車驅(qū)動力矩和制動踏板信號，輸出為車速信號值。計算主要依據(jù)輪胎的受力平衡建立汽車行駛方程式，得出實際車速。

(1)

(2)

式中：Ff為滾動阻力；Fi為爬坡阻力；Fj為加速阻力；δ為汽車旋轉質(zhì)量換算系數(shù)；Fw為空氣阻力；Cd為空氣阻力系數(shù)。

2.2　道路循環(huán)工況模型和駕駛員模型

為了模型更貼近真實，道路模塊采用了具有代表性的城市道路工況FTP75和高速公路工況HWFET，設置駕駛員模型來模擬實際行車中駕駛員響應。整車模型由循環(huán)工況給出目標車速，駕駛員模塊控制實際車速，對目標車速進行跟隨。駕駛員模塊設置一個PID控制器，其輸入為需求車速值Vdem和實際車速值V，通過比較兩者的差值，計算輸出加速踏板開度信號值α和制動踏板的開度信號值β，其計算公式[7]為

(3)

(4)

式中：α為加速踏板開度；β為制動踏板開度；Vd為需求車速；V為實測車速。

2.3　發(fā)動機模型

由于發(fā)動機的工作過程相當復雜，建模時許多情況基于假設，大部分參數(shù)難以測得，采用理論建模有一定困難，所以現(xiàn)在多通過臺架測試數(shù)據(jù)導入，通過數(shù)學模型擬合建立發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)特性模型，其缺點是發(fā)動機在實際行駛中多處在不穩(wěn)定工況，臺架測試所測數(shù)據(jù)僅限于發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)工況[8]。但所得的模型計算結果值偏差不明顯，對本文主要討論的整車經(jīng)濟性能影響不大。

在發(fā)動機臺架實驗中，可以得到一系列發(fā)動機轉速對應的轉矩、油耗、功率等數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)制成三維MAP圖，通過式(5)(6)(7)計算數(shù)據(jù)，建立表格來擬合插值計算某一工況下的電子節(jié)氣門開度、轉矩輸出、燃油消耗率等；式(8)為發(fā)動機燃油消耗計算公式。本文所建模型的發(fā)動機MAP圖如圖3所示。

(5)

(6)

be=f(Te,Ne)，

(7)

(8)

式中：Vf為燃油消耗量，單位為L；ρf燃油密度，單位為g/L；be發(fā)動機的瞬時油耗率，單位為g/kWh；P為發(fā)動機輸出功率，單位為kW。

2.4　電機模塊

電機采用內(nèi)置式永磁式同步電機。內(nèi)置式永磁式同步電機體積質(zhì)量小，方便布置，并且效率高，響應快，轉矩大，有較好的起動特性和過載能力。電機模型也是由電機實驗數(shù)據(jù)導入建立的。通過實驗所測得的數(shù)據(jù)，得到電機轉速、轉矩和功率的關系，建立電機的效率關系，其關系如式(9)所示。

ηg=f(Ng,Tg)。

(9)

式(9)中：ηg表示同步電機的效率；Ng表示實際電機轉速；Tg表示實際電機轉矩。

由電機轉速和轉矩查電機的三維效率圖，求得電機輸出功率。電機模塊計算還包括汽車制動時的發(fā)電轉矩，其計算公式[9]為

Tm=(T+(Tmmax-T)×Kbrake)×Kbatt。

(10)

式(10)中：Tm為電機發(fā)電轉矩；T為滑行發(fā)電轉矩；Tmmax為電機在當前轉速下可產(chǎn)生的最大制動轉矩；Kbrake為制動踏板信號強度(百分比)；Kbatt為電池電量對發(fā)電的影響系數(shù)。

2.5　電池模型

電池模型采用鎳氫電池。PSHEV對電池總容量的要求主要來自于持續(xù)的加速/爬坡工況和續(xù)航里程(純電動模式)[10]，電池容量過小會導致發(fā)動機頻繁啟動為其充電。電池模型實質(zhì)上是簡化的理想電池等效電路，電池荷電狀態(tài)SOC計算公式如式(11)。

(11)

式(11)中：Q表示最大的電池容量，i表示充放電電流。

2.6　行星齒輪機構

行星齒輪結構是混聯(lián)式混合動力汽車動力的關鍵傳遞裝置，其結構包括太陽輪、行星輪、外齒圈、行星架。PSHEV的發(fā)動機與行星架相連，發(fā)電機與太陽輪相連，電動機和驅(qū)動軸與外齒圈相連[11]。PSHEV將會有多種不同的功率流向。發(fā)動機通過行星架將動力傳遞給外圈和太陽輪，發(fā)動機的扭矩可用來驅(qū)動混合動力汽車，一小部分驅(qū)動發(fā)電機向電池組充電。發(fā)電機可以直接用于給電池組充電，也可以驅(qū)動電動機，增加驅(qū)動力。行星齒輪采用Simscape預置模塊搭建。

2.7　控制器模型

控制器模型的精確度直接關系到了車輛的性能?？刂破髂K接收到駕駛員的踏板信號，根據(jù)發(fā)動機、電機、電池等各個部件的狀態(tài)反饋，經(jīng)由整車控制策略的優(yōu)化分配，得到各個驅(qū)動模塊的目標轉矩，驅(qū)動車輛使其運行在高效區(qū)，達到最佳的經(jīng)濟排放目的。結合電池荷電狀態(tài)和發(fā)動機最優(yōu)工作曲線模式，PSHEV采用規(guī)則的邏輯門限值控制策略，確定PSHEV運行模式的切換以及驅(qū)動發(fā)電模塊需求轉矩值的大小。

PSHEV中，發(fā)動機是主要動力源[12]，發(fā)電機和電動機以平衡發(fā)動機運行負荷的形式提供動力。設計中應使發(fā)動機盡量減少在低效率區(qū)工作，取消其怠速工況，使發(fā)動機的工作沿著其最優(yōu)經(jīng)濟性曲線。當車速達到30 km/h時，發(fā)電機才會作為起動機帶動發(fā)動機啟動。另一方面，PSHEV受到一定電池性能方面的制約。電池不允許過充電和過放電，為了提高電池壽命和能量轉換效率，確保電池SOC在一定適宜范圍內(nèi)[13]，電池工作在充放電內(nèi)阻較低的區(qū)域，設置為0.3～0.8，即SOC低于0.3開啟充電模式，SOC大于0.8禁止向電池充電。

基于上述策略設定，根據(jù)整車運行需要，把PSHEV的運行模式分為以下4種。

1)純電動模式。當車速小于30 km/h，且電池SOC>0.3，此時可由電動機單獨驅(qū)動汽車，汽車進入純電動模式。

2)加速/爬坡模式。當汽車的需求功率或者負荷較大時，汽車進入加速/爬坡模式，發(fā)動機工作在最佳工作區(qū)間，和電動機一起驅(qū)動汽車。

3)巡航模式。當車輛的需求功率滿足發(fā)動機的最優(yōu)功率區(qū)間時，電動機不工作，汽車由發(fā)動機單獨驅(qū)動。

4)制動模式。當駕駛員進行制動時，汽車進入制動模式，電動機反轉回收制動能量。為了消除制動踏板小開口的干擾，模型設置制動踏板信號β>0.05時，車輛才會進入制動模式。

3　混聯(lián)式混合動力汽車的仿真與分析

FTP75和HWFET工況可以很好地模擬城市和市郊道路情況。FTP75城市循環(huán)工況適應城市道路，包括車輛的駐車、起動、加減速等常見工況,相比FTP72多包括了一個停車10 min后的發(fā)動機熱啟動階段。模型的行駛里程為17.77 km，平均車速為34.1 km/h,持續(xù)時間為2 478 s。高速公路循環(huán)測試工況(HWFET工況)行駛里程為16.45 km，平均車速為77.7 km/h，持續(xù)時間為765 s。FTP75和HWFET工況仿真車速和需求車速對比圖如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，兩種工況下仿真車速和需求車速基本一致，仿真模型的車速跟隨性較好，表明所建的整車模型是可行的。

3.1　發(fā)動機轉矩輸出

起步和小負荷工況下，PSHEV工作在純電動模式。當車速達到30 km/h時，發(fā)電機可以起到燃油車起動機的作用，大轉矩帶動發(fā)動機啟動。由圖6和圖7可知，行車過程中，發(fā)動機工作點多處在高效區(qū)域，油耗較低，使用率較高。在循環(huán)工況的駐車過程中，發(fā)動機處于關閉狀態(tài)，避免怠速引起的高油耗。在減速或者制動工況下發(fā)動機出現(xiàn)了-27 N·m左右較小的負值轉矩，進行了發(fā)動機制動。

3.2　電池SOC

SOC變化結果如圖8、圖9所示，電池SOC在循環(huán)階段保持了平衡，始終工作在允許范圍內(nèi)。由圖8可知：在城市道路行駛時，由于頻繁的加減速，發(fā)動機多處在關閉或工作在大負荷狀態(tài)下，SOC波動較大，變化頻繁。由圖9可知：在高速公路行駛起步時，電池有明顯放電現(xiàn)象，為PSHEV提供足夠的動力；進入巡航階段后，發(fā)動機的一小部分功率用于給電池充電，SOC在小范圍內(nèi)跳動；在工況減速制動階段時，進行了制動能量回收，電池SOC有明顯上升。

3.3　油耗分析

PSHEV在城市道路和高速公路下進行燃油消耗計算，得出數(shù)據(jù)如表2所示。城市道路下PSHEV百公里燃油消耗為4.876 L,總耗油量為0.536 L，行駛里程17.77 km；高速公路下百公里燃油消耗為1.596 L，總耗油量為0.163 7 L，行駛里程16.45 km。PSHEV與動力性相近的燃油車的對比可知：在城市工況下，由于發(fā)動機的啟?？刂撇呗院痛罅康闹苿幽芰炕厥帐沟肞SHEV的節(jié)油率達到了37.4%；在高速工況下，PSHEV的發(fā)動機多處在最優(yōu)工作曲線模式下，節(jié)油率達到了70%。

表2　燃油消耗對比Table 2　Comparison of fuel consumption

4　結語

通過對多種混合動力系統(tǒng)的結構形式的比較，選擇混聯(lián)式進行研究分析。利用Matlab/Simulink的建模工具，建立了混合動力汽車的整車模型，子模塊包括：循環(huán)工況模塊、駕駛員模塊、控制器模塊、發(fā)動機模塊、電動機模塊、發(fā)電機模塊、電池模塊、行星齒輪模塊和整車動力學模塊?；谶壿嬮T限制的控制方法提出整車控制策略，依據(jù)設定規(guī)則和門限值選擇整車運行模式并進行動力分配，把整車運行模式劃分為純電動模式、加速/爬坡模式、巡航模式和制動模式。在城市循環(huán)道路工況FTP75和高速公路工況HWFET下，分別對整車模型進行了整車經(jīng)濟性能仿真，結果顯示，所建模型實現(xiàn)了整車需求轉矩的有效分配，百公里燃油消耗在城市工況下比燃油車降低了37.4%，在高速工況下降低了71%，經(jīng)濟性能得到了很大的改善，驗證了所建模型和控制策略的正確性和有效性。

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