李 楠， 王榮華， 崔俊博， 酒永勝， 賀子龍

(浙江吉利新能源商用車有限公司， 杭州 311228)

當前增程式電動汽車廣泛采用恒溫器控制策略，即在行駛過程中分為CD(電量消耗)和CS(電量維持)兩種模式[1]。其中在電量維持階段，因發(fā)動機和車輪之間沒有機械耦合，一般讓增程器始終工作在最優(yōu)曲線上以獲得較好的燃油經(jīng)濟性[2-3]。但是由于整車在不同工況下需求功率隨時變化，電池SOC往往會出現(xiàn)急劇升降，將大幅降低電池壽命。實際應用中為避免該情況發(fā)生，需要依賴經(jīng)驗及大量的標定試驗來優(yōu)化增程器的工作點和開啟時間，而且由于精度的限制，往往還不能使整車性能達到最優(yōu)[4]。

本文基于實時優(yōu)化的方法，提出一種等效燃油消耗最小的能量分配策略。在保證車輛動力性和SOC穩(wěn)定的前提下，以車輛經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，通過計算每一瞬時滿足整車動力需求的動力電池和增程器能量分配組合[5-6]，篩選出該瞬時工況下燃油消耗最小的點，從而得出不同動力源的最佳分配關(guān)系，并結(jié)合整車仿真驗證該方法的合理性。

1 等效燃油消耗模型

1.1 目標函數(shù)

如圖1所示，增程式架構(gòu)從能量看有2條路線，其中一條為增程器路線：發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電直接供電給驅(qū)動電機驅(qū)動或者給動力電池充電；另外一條為動力電池路線，動力電池直接供電給驅(qū)動電機，同時驅(qū)動電機在制動回收時獲得電能給動力電池充電[7]。

圖1 增程式架構(gòu)示意圖

在車輛行駛時，驅(qū)動電機輸出功率Pv需滿足動力需求：

Pv=(Pe+Pb)/ηm

(1)

式中：Pe為增程器輸出電功率；Pb為電池充/放電功率；ηm為電機系統(tǒng)效率。

(2)

同時式(2)還應滿足以下限制(約束)條件：

0

(3)

0

(4)

Pb_min

(5)

式中:SOCh、SOCl為設(shè)定的SOC上、下限;SOCacl為當前電池SOC;Pe_max為增程器最大發(fā)電功率;Pb_min、Pb_max為動力電池的充放電功率的下限和上限。

1.2 等效燃油消耗模型

如上文所述，按電池充電和放電兩種情況來考慮增程式電動汽車的等效燃油模型。

1) 動力電池放電，電能的損失將在未來的某一時刻通過增程器發(fā)電來補充，如圖2所示。

圖2 電池放電等效消耗模型

在該時間段Δt內(nèi)，電池對外放電功率為Pe_ad，此時電池放出的總能量Eb_ad為：

Eb_ad=ΔtPb_ad=ΔtPe_ad/(ηb_dsηad)

(6)

式中：Pb_ad為電池模組放電功率；ηb_ds為電池模組放電效率；ηad為放電時DC/AC轉(zhuǎn)換器的效率。

在未來充入電池的能量Eb_fc由未來某一時刻增程器發(fā)電的能量和制動回收能量兩部分組成：

(7)

式中：Pb_fc為未來電池模組的充電功率。

未來時刻油箱需提供的等效消耗的燃料能量Es_fc為：

(8)

式中：Pe_fc為未來增程器給電池充電發(fā)出的功率；ηe_fc為增程器充電時的系統(tǒng)效率；ηac為充電時DC/AC轉(zhuǎn)換器的效率；ηb_ch為電池模組的充電效率。

則未來消耗的燃油質(zhì)量mf_fc為：

mf_fc=Es_fc/Qfc

(9)

式中：Qfc為所用燃料的熱值。

則當前電池放電的電能可以等效為未來某一時刻油箱消耗的燃油質(zhì)量，即：

mb_ds=mf_fcEb_ad/Eb_fc

(10)

(11)

式中：krec為回收能量和發(fā)電能量的比值。

2) 動力電池充電，補充的電能將在未來某一時刻通過純電動行駛以節(jié)省燃油消耗，如圖3所示。

圖3 電池充電等效消耗模型

在該時間段Δt內(nèi)，增程器以功率Pe_ac給電池充電，電池模組充入的總能量Eb_ac為：

Eb_ac=ΔtPb_ac=ΔtPe_acηb_chηac

(12)

式中：Pb_ac為當前電池模組的充電功率；ηb_ch為電池模組充電效率；ηac為充電時DC/AC轉(zhuǎn)換器效率。

未來電池模組需要給增程器“補充”的能量Eb_fd為：

(13)

式中：Pb_fd為未來電池模組的放電功率。

未來時刻油箱將節(jié)約的等效能量Es_fs為：

(14)

式中：ηe_fc為增程器充電時的系統(tǒng)效率；ηad為放電時DC/AC轉(zhuǎn)換器效率；ηb_ds為電池模組的放電效率。

未來節(jié)約的燃油質(zhì)量mf_fs可以表示為：

mf_fs=Es_fs/Qfc

(15)

則當前電池充電補充的電能可以等效為未來節(jié)省的等效燃油質(zhì)量mb_ch：

mb_ch=mf_fsEb_ac/Eb_fd

(16)

(17)

為了保證SOC在一定范圍內(nèi)變化，在上式的基礎(chǔ)上添加一個SOC的修正函數(shù)，該函數(shù)可以在SOC較低的情況下增加等效燃油的權(quán)值，減少電能消耗；而在SOC較高的情況下減小等效燃油的權(quán)值，增加電能消耗，具體如下[10]：

KΔsoc=1-aΔSOC3+bΔSOC4

(18)

(19)

式中：a,b為權(quán)值系數(shù)；SOCact為當前值；SOCh、SOCl分別為設(shè)定的SOC上、下限。

綜合上述，整車在任一時刻行駛的等效燃油消耗量可以改寫為：

(20)

2 等效燃油消耗模型仿真

以某型增程式城市物流車為研究對象，整車總質(zhì)量2 900 kg，電池容量51 Ah,驅(qū)動電機峰值功率130 kW,增程器最大輸出功率65 kW,空氣阻力0.37，迎風面積3 m2,滾阻系數(shù)0.012。將電池充放電功率作為控制變量，以1 kW為計算步長；仿真中電池的平均放電效率ηb_ds為0.97，平均充電效率ηb_ch為0.95；DC/AC轉(zhuǎn)換器在放電和充電條件下平均效率均為0.975；SOC的上下限值SOCh和SOCl分別設(shè)定為25%和17%。根據(jù)式(20)分別計算每個步長下增程器和電池的等效燃油消耗量并篩選出最小值，將計算結(jié)果整理成插值表以方便后續(xù)仿真模型調(diào)用。

在AVL CRUISE軟件環(huán)境下搭建整車仿真模型，如圖4所示，并將上述的等效燃料消耗插值表集成到模型中，在NEDC工況下進行實時仿真分析。

仿真結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出：整個工況下SOC基本保持平穩(wěn)，除了在工況最后一段由于高負荷的能量回收導致電池SOC出現(xiàn)上升趨勢，其余時間SOC變化值基本在±0.4%之間浮動，電池SOC總體保持平衡，避免了急劇變化的情況發(fā)生。

從圖6發(fā)動機工作點分布圖可以看出：由于整個策略考慮的是等效燃油消耗的總和最小，在該工況下發(fā)動機基本工作在最佳工作曲線周圍，而非直接落在該曲線上。在仿真環(huán)境下對比等效燃油消耗最小策略和原車上搭載的恒溫器策略，油耗值由原車的百公里8.41 L降到百公里7.07 L，在經(jīng)濟性上有顯著提高。

圖4 整車模型

圖5 電池工作曲線

圖6 發(fā)動機工作點分布

3 結(jié)束語

本文研究結(jié)果表明，等效燃油消耗最小是一種可以工程實現(xiàn)的實時優(yōu)化策略。該方法在滿足整車動力性的前提下，可以將電池SOC穩(wěn)定在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)，且經(jīng)濟性優(yōu)于傳統(tǒng)的恒溫器式能量分配方法。本文在模型中沒有考慮增程器的扭矩響應問題，未來將繼續(xù)完善該模型研究。同時在研究中也發(fā)現(xiàn)，等效燃油消耗策略在不同行駛工況的表現(xiàn)不一致，應分別優(yōu)化該策略。