劉浪，竇勝月

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插電式混合動(dòng)力汽車(chē)能量管理策略?xún)?yōu)化研究*

劉浪，竇勝月

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源問(wèn)題、環(huán)保問(wèn)題，成為了發(fā)展汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重中之重，受到了各大企業(yè)和國(guó)家政府的廣泛重視，所以對(duì)插電式混合動(dòng)力公交車(chē)能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化研究具有重大意義。文章基于西安市工況，對(duì)插電式混合動(dòng)力公交車(chē)能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化。首先選取了典型具有代表性的公交線路，通過(guò)短行程劃分，主成分分析，K均值聚類(lèi)獲取代表西安市的道路工況。利用基于Matlab/simulink的advisor軟件進(jìn)行混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的搭建。導(dǎo)入代表西安市的道路工況進(jìn)行動(dòng)力性仿真，燃油經(jīng)濟(jì)性仿真，得到相應(yīng)結(jié)果。通過(guò)在萬(wàn)有特性圖上自主選擇發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)，對(duì)advisor底層m文件關(guān)鍵語(yǔ)句進(jìn)行修改，再次進(jìn)行多組仿真。將每組仿真結(jié)果的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。最終實(shí)現(xiàn)了在保證動(dòng)力性前提下，獲取了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。

西安市工況；插電式混合動(dòng)力公交車(chē)；能量管理策略；發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)

前言

隨著能源危機(jī)的不斷加劇，以及政府越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展新能源汽車(chē)成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然選擇。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)既能夠發(fā)揮純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)，又可以克服續(xù)駛里程不足的問(wèn)題。極大程度上解決了傳統(tǒng)汽車(chē)油耗高的問(wèn)題，降低了有害物質(zhì)的排放。因此，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的能量管理策略使插電式混合動(dòng)力汽車(chē)在滿(mǎn)足動(dòng)力性的前提下實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)性，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 西安市城市工況勘測(cè)分析與提取

1.1 選取典型公交線路

西安城市道路眾多，紛繁復(fù)雜，每一條路段在某一個(gè)時(shí)間段都可能通過(guò)不同品牌的汽車(chē)，自然，他們通過(guò)該路段的速度皆會(huì)不同。但是，一個(gè)城市的道路工況總會(huì)由部分典型工況來(lái)組成，比如城市擁堵工況，城市交通工況等。我們不可能測(cè)量所有車(chē)輛的道路運(yùn)行工況，根據(jù)實(shí)際情況，在所有的公交運(yùn)行線路中選取了某公交車(chē)線路，該線路包含了從西安北郊到市中心的大部分路況，具有典型城市公交運(yùn)行的特點(diǎn)。

采用sport-DL1測(cè)試儀對(duì)該公交客車(chē)的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，選取十組有效的完整的行車(chē)數(shù)據(jù)，其中第一組行駛速度與時(shí)間的關(guān)系圖如下圖1所示。后續(xù)對(duì)該十組行車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 行駛速度與時(shí)間關(guān)系圖

1.2 短行程劃分

短行程是指相鄰兩個(gè)停車(chē)點(diǎn)之間的汽車(chē)循環(huán)過(guò)程，由一個(gè)怠速部分和短行程部分組成[1]。在使用MATLAB對(duì)車(chē)速進(jìn)行處理時(shí)，剔除了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中不合理的部分。具體的短行程劃分原則為：

表1 短行程片段特征值

1）前一時(shí)刻車(chē)速和后一時(shí)刻車(chē)速相差0.5km/h以?xún)?nèi)；

2）行駛車(chē)速小于2km/h。

最終劃分了1921個(gè)有效的短行程片段，保證了有足夠多的樣本量。針對(duì)每一個(gè)短行程樣本，提出了具有代表性的15個(gè)特征值，代表的意義如圖2所示。

圖2 串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)模型結(jié)構(gòu)圖

1.3 車(chē)輛行駛工況的建立

利用主成分分析法確定了工況中貢獻(xiàn)率最高的幾個(gè)參數(shù)，運(yùn)用K均值聚類(lèi)對(duì)劃分好的短行程進(jìn)行分類(lèi)[2]，根據(jù)以上幾種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)10組工況進(jìn)行分析，從而得出西安市的道路工況。

2 搭建插電式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)模型

Advisor 是有美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL，在MAT -LAB和Simulink軟件環(huán)境下開(kāi)發(fā)的高級(jí)車(chē)輛仿真軟件?；谶@個(gè)汽車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模的軟件下，可以搭建混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力模型，并對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的各種性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 整車(chē)技術(shù)參數(shù)

表2 整車(chē)技術(shù)參數(shù)表

2.2 基于advisor搭建串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)模型

串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池組。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)能到發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出的電能通過(guò)功率總線帶動(dòng)電機(jī)工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出的功率滿(mǎn)足不了汽車(chē)行駛時(shí)所需的實(shí)際功率時(shí)，蓄電池組將向電機(jī)提供額外的動(dòng)力。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出的功率超過(guò)了汽車(chē)行駛所需的實(shí)際功率時(shí)，發(fā)電機(jī)將向蓄電池組充電。皆保證了發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)最低的燃油消耗率。[3]

串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示：得到的該模型是后向仿真模型。即通過(guò)預(yù)設(shè)的道路循環(huán)工況，發(fā)送給整車(chē)模型，傳遞給車(chē)輪所需的轉(zhuǎn)速及功率，再一步步反推給主減速器，變速箱，電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)模型，得出所需的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信息，再由整車(chē)控制策略進(jìn)行控制，確定動(dòng)力源。然后再通過(guò)反饋一級(jí)一級(jí)的按原路徑將轉(zhuǎn)速傳遞給整車(chē)模型，使車(chē)輛可以實(shí)時(shí)的跟隨車(chē)速隨時(shí)間的變化。

3 基于西安市工況的仿真分析

得到了西安市的城市工況后，將西安市城市工況導(dǎo)入advisor，傳動(dòng)系模式選擇SERIES_defaluts_in,即默認(rèn)的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，利用advisor進(jìn)行仿真分析。

3.1 動(dòng)力性能仿真

動(dòng)力性能包括最高車(chē)速、原地起步加速時(shí)間、最大爬坡度。在此只測(cè)試該車(chē)的前兩項(xiàng)動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。advisor中的加速性能測(cè)試程序可以確定當(dāng)前汽車(chē)的最高車(chē)速。在仿真參數(shù)界面選擇Test Procedure下拉菜單中的TEST_ACCEL，點(diǎn)擊運(yùn)行。便可彈出如圖3的界面。

圖3 最大行駛速度關(guān)系圖

由圖3可知，該車(chē)型最大車(chē)速為100km/h左右。市區(qū)限速一般為70km/h，滿(mǎn)足日常動(dòng)力需求。

圖4 參數(shù)選擇界面圖

圖5 車(chē)輛仿真結(jié)果圖

同理，在仿真參數(shù)界面選擇Test Procedure下拉菜單中的TEST_GRADE，點(diǎn)擊運(yùn)行。便可彈出如圖4圖5所示的界面。

由圖5可知，當(dāng)所有系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，車(chē)速在55km/h情況下，該車(chē)型所能爬上的坡度為18%。城市道路一般坡度不大于5%，所以動(dòng)力性能滿(mǎn)足日常城市道路行駛要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)性能及仿真

燃油經(jīng)濟(jì)性用百公里燃油消耗量表示。但考慮到電池初始SOC的影響，若電池初始SOC不同，則對(duì)百公里油耗也會(huì)不同，沒(méi)有可比性。在此，電池初始SOC皆為0.7，選擇西安市城市道路工況，仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6 車(chē)輛仿真結(jié)果圖

燃油消耗量如圖7所示：

圖7 燃油消耗量

排放指標(biāo)如圖8所示：

圖8 排放指標(biāo)

4 能量管理策略的分析與優(yōu)化

4.1 串聯(lián)功率跟隨型控制策略

串聯(lián)功率跟隨型控制策略的核心思想是根據(jù)電機(jī)和蓄電池組的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)向蓄電池組充電，控制目標(biāo)是燃油消耗率最低與排放最低。在該控制策略中發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn)是受許多因素限制的。

發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)控制邏輯是：當(dāng)蓄電池組的SOC較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；當(dāng)功率總線上的需求功率過(guò)高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟；當(dāng)蓄電池組的SOC較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟；如果前一狀態(tài)開(kāi)啟且蓄電池的soc值小于cs_hi_soc，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟；如果前一狀態(tài)關(guān)閉且需求功率大于1.2發(fā)動(dòng)機(jī)功率門(mén)限值，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間大于最低允許開(kāi)啟時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)將開(kāi)啟。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制模塊是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率范圍，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)最高效率和最低油耗下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，以數(shù)組形式存儲(chǔ)在輸入控制腳本文件中。在仿真過(guò)程中，根據(jù)定義的cs_pwr和cs_spd，通過(guò)查表來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。[4]

但是，在不同工況下運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)都僅僅運(yùn)行在轉(zhuǎn)速3300r/min轉(zhuǎn)矩為58N*m左右，在該工作點(diǎn)上，燃油經(jīng)濟(jì)性沒(méi)有得到提升。

通過(guò)不斷優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的最低燃油消耗率曲線，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的最優(yōu)工作點(diǎn)上工作，以最低燃油消耗率為目標(biāo)。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)，不斷逼近，得到在西安市實(shí)際道路工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn)，使得燃油消耗量最低。

4.2 優(yōu)化最低燃油消耗率曲線

通過(guò)默認(rèn)的控制策略得出的最低燃油消耗率曲線并不一定是最優(yōu)的，還應(yīng)該通過(guò)不斷地改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗曲線，采用十組不同的工作的對(duì)比，比較出在西安市工況下那一組才是最優(yōu)的。所采用的方法是迭代逼近法，以燃油消耗量為控制目標(biāo)，不斷的逼近使接近最低值。

圖9 默認(rèn)最低燃油消耗率數(shù)組

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗曲線圖

如圖所示，圖10中的虛線為advisor中默認(rèn)最佳燃油消耗曲線。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，該曲線是通過(guò)自主選擇的最佳發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，插值得到的，圖9中詳細(xì)展示了advisor中默認(rèn)的11個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)。

為了進(jìn)行優(yōu)化，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性圖，在保證相應(yīng)工況發(fā)動(dòng)機(jī)所需功率的條件下，選擇設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)入advisor的底層m文件將對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了最佳燃油消耗曲線的修改。通過(guò)不斷地變化所設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)，不斷地進(jìn)行仿真，對(duì)比不同工作點(diǎn)下的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性，最終實(shí)現(xiàn)能量管理策略的優(yōu)化。

4.3 不同工作點(diǎn)仿真結(jié)果對(duì)比

在advisor默認(rèn)的能量管理策略下進(jìn)行仿真，得出本文工況下發(fā)動(dòng)機(jī)至少要能夠發(fā)出25kw的功率，如圖11所示為advisor默認(rèn)情況下的仿真結(jié)果。所選發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為596.9rad/s，最大功率為50.8kw，在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)所需功率情況下，重新設(shè)置工作點(diǎn)，表3為10組重新設(shè)置的工作點(diǎn)。

圖11 默認(rèn)仿真結(jié)果圖

表3 不同工作點(diǎn)對(duì)比

由上表3可以看出10組數(shù)據(jù)，每組兩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，且每組的功率都大于25kw，所以可以保證在該工況下滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力需求。主要對(duì)每組工作點(diǎn)的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。可以看出5，7，10組的燃油經(jīng)濟(jì)性較高。但是第7組合第10組的發(fā)動(dòng)機(jī)效率明顯較低，其工作點(diǎn)的位置在萬(wàn)有特性圖上已經(jīng)明顯偏離了中間效率較高的區(qū)域，所以選擇第5組為發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。

5 優(yōu)化成果

設(shè)置[26000，26500]，[370.375]為發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn)，其仿真如下圖12所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率圖如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后仿真結(jié)果圖

可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的效率一直維持在30%-35%之間的較高的水平，且與未進(jìn)行優(yōu)化前相比，在保證動(dòng)力性的前提下，燃油經(jīng)濟(jì)消耗率有了明顯的提升，完成了優(yōu)化。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)效率圖

6 結(jié)論

（1）利用sport-DL1測(cè)試儀對(duì)某一公交客車(chē)采集數(shù)十組客車(chē)行駛數(shù)據(jù)，運(yùn)用短行程劃分，主成分分析，聚類(lèi)的方法，構(gòu)建出了西安市的城市行駛工況。

（2）以西安市城市工況為基礎(chǔ)，利用advisor仿真出了混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能。

（3）通過(guò)優(yōu)化能量管理策略中的最佳工作點(diǎn)的方式，通過(guò)迭代逼近算法，優(yōu)化后使得整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性從以前的24.4L提升到了17.6 L。

[1] 楊瑜,陳波寧,高波,季峰.基于行程分析法的行駛工況的構(gòu)建研究[J].現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力,2013(02):24-27.

[2] 李孟良,朱西產(chǎn),張建偉,張富興,艾國(guó)和.典型城市車(chē)輛行駛工況構(gòu)成的研究[J].汽車(chē)工程,2005(05):54-57.

[3] 曾小華,宮維鈞.ADVISOR 2002電動(dòng)汽車(chē)仿真與再開(kāi)發(fā)應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社.2017.3.

[4] ADVISOR2002/documention/advisor_doc.htm,Last Revised:30- April -2002.

Research On Optimization Of Energy Management Strategy For Plug-in Hybrid Electric Vehicles

Liu Lang, Dou Shengyue

( School of Automobile, Chang' an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

With the development of the society, energy and environmental protection issues have become the top priority in the development of the automobile industry, which has receivedextensive attention from major enterprises and the national government. Therefore, it is of great significance to optimize the energy management strategy of plug-in hybrid electric vehicles.Based on the xi'an working condition, this paper optimizes the energy management strategy of the plug-in hybrid vehicles.Firstly, the typical and representative bus routes are selected, and the road conditions representing xi'an city are obtained through short journey division, principal component analysis and k-means clustering.The power performance simulation and fuel economy simulation are carried out on the road condition of xi'an city, and the corresponding results are obtained.By independently selecting the best operating point of the engine on the universal characteristic diagram, the key statements of the underlying m file of advisor are modified, and multi-group simulation is conducted again.The dynamic performance and fuel economy of each group are compared. Finally, under the premise of ensuring the power performance, better fuel economy is obtained, and the optimization is realized.

Xi'an working condition;plug-in hybrid bus;energy management strategy;optimal working point of engine

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1671-7988(2019)05-25-05

U469.7

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1671-7988(2019)05-25-05

U469.7

劉浪，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)，本科。課題項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201710710019）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.007