金傳琦

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院無錫交通分院，江蘇 無錫 214151）

0 引言

隨著能源資源短缺和環(huán)境問題日益突出，低排放、低油耗的新能源汽車成為當今汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。新能源汽車主要包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車三種[1]。其中純電動汽車可以實現(xiàn)無排放，是最理想的新能源汽車。在我國，由于電池技術的不斷提升和節(jié)能減排政策的引導，純電動汽車技術發(fā)展較快，市場占比也逐年提高。但目前純電動汽車雖然可以滿足日常通勤，但在長途運輸或者惡劣環(huán)境下的續(xù)航能力仍有不足；燃料電池汽車技術難度大，功率密度低且成本較高，難以大范圍推廣；而混合動力汽車既有純電動汽車的優(yōu)點，又可以利用石油燃料比功率高的特點，提高車輛的續(xù)航能力，因此該技術也越來越受到國內(nèi)外主機廠的關注，例如豐田的普銳斯混動汽車、比亞迪的DM-i超級混動汽車等。

混合動力汽車具有電機和發(fā)動機兩個動力源，其技術難點在于如何協(xié)調(diào)匹配動力系統(tǒng)使汽車性能處于最佳狀態(tài)，在保證電池效率的同時，提高續(xù)航能力，減少廢氣排放。因此合理有效的能量管理策略對于提高車輛行駛的動力性、燃油經(jīng)濟性以及續(xù)航里程具有重要的作用，也成為了國內(nèi)外學者研究的熱點。

混動汽車的能量控制策略主要有規(guī)則策略和優(yōu)化策略兩種[2]。周能輝等[3]利用混動汽車工作時的電量狀態(tài)和功率需求來制定能量規(guī)則控制策略，通過試驗驗證了該控制策略可以在不同的工況下合理分配轉(zhuǎn)矩，提高電機和發(fā)動機效率。Lee等[4]設計并對比了混動汽車隨機動態(tài)規(guī)劃算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法及基于規(guī)則的能量管理策略的優(yōu)劣性。Banvait等[5]人和王浩淼等[6]對邏輯門限能量管理策略進行研究和仿真，驗證了該策略的有效性。關正等[7]提出一種混合功率分配策略，使用超級電容提高車輛的性能和續(xù)航能力。

基于此，本文以并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，設計一種邏輯門限能量控制策略，并利用Matlab/Simulink軟件進行建模仿真，驗證所設計能量控制策略的有效性。

1 并聯(lián)式混動汽車模型

1.1 整車動力學模型

混合動力汽車根據(jù)動力系統(tǒng)連接方式的不同分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復合式。其中混聯(lián)式和復合式由于結(jié)構(gòu)復雜，成本和控制難度高，目前還未推廣使用；串聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單，控制精度好，但能量利用率低，燃油經(jīng)濟性較差。因此本文選用并聯(lián)式混合動力汽車作為研究對象。根據(jù)車輛動力平衡方程式（1）建立縱向動力學模型：

式中：Ft為驅(qū)動力；f為滾動阻力系數(shù)；m為汽車總質(zhì)量；θ為道路坡度；CD為風阻系數(shù)；A為迎風面積；ν為車輛行駛速度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為1.1；為車輛行駛加速度。

變速器輸入端扭矩為：

式中：Treq為變速器輸入端需要的扭矩；r為車輪滾動半徑；jg、j0為變速器和主減速器傳動比；ηg、η0為變速器和主減速器傳動效率。

根據(jù)上式在Matlab/Simulink軟件中建立整車縱向動力學模型。

1.2 主要動力部件模型

1.2.1 發(fā)動機模型

建立發(fā)動機模型的方法為理論建模法和實驗建模法兩種。本次研究采用簡單有效的實驗建模法，以實驗采集的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗等數(shù)據(jù)建立發(fā)動機外特性關系，并結(jié)合實驗得到的萬有特性圖1建立發(fā)動機模型。發(fā)動機的參數(shù)如表1所示。

圖1 發(fā)動機萬有特性曲線Fig.1 The universal characteristic curve of the engine

表1 發(fā)動機參數(shù)Tab.1 Engine parameters

發(fā)動機燃油消耗質(zhì)量為：

式中：rcr為實驗得到的燃油消耗率；T為發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩；ω為發(fā)動機角速度。

1.2.2 電機模型

混動汽車中的電機有發(fā)電機和電動機兩種工作模式，為保證電機正常工作，計算電機的最大功率：

式中：Ff為滾動阻力，F(xiàn)i為坡度阻力。

由式（4）計算得到電機的最大功率為16.05 kW，因此選用額定功率為12 kW，峰值功率為18 kW的永磁同步電機作為混動汽車工作電機，并根據(jù)所用電機的外特性曲線建立電機模型。

1.2.3 電池組模型

忽略蓄電池在充、放電過程中的非線性電化學反應，只考慮電池的外特性，采用串聯(lián)阻容模型，根據(jù)式（5）計算電池SOC值：

式中：SOC（t0）為電池組初始SOC值，Qmax為電池最大容量；I為電池組總電流。

1.2.4 傳動系統(tǒng)模型

傳動系統(tǒng)的作用是改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)式（6）可得輸入軸與輸出軸的關系：

式中：T0、Tg為主減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩和變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩；ω0、ωg為主減速器輸出軸轉(zhuǎn)速和變速器輸入軸轉(zhuǎn)速。

1.2.5 駕駛員模型

混合動力汽車仿真方法分為正向仿真和逆向仿真兩種。其中正向仿真屬于閉環(huán)仿真，可以動態(tài)處理車輛的動力學信號，仿真精度較高，因此本文選擇正向仿真，需要建立駕駛員模型，用于模擬輸入油門和制動踏板信號。油門和制動踏板開度角α和β由式（7）計算：

式中：Temax和Tmmax為電機和發(fā)電機最大輸出轉(zhuǎn)矩；Tbmax為最大制動轉(zhuǎn)矩。在建立駕駛員模型時，可以使用PID控制器模擬，控制器參數(shù)取為Kp=10，Ki=1.2，Kd=1。

2 能量管理策略仿真

2.1 能量管理策略設計與建模

并聯(lián)式混合動力汽車的工作模式可分為純電動驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、混合驅(qū)動、行車充電和再生制動五種，因此需要對工作模式進行切換策略設計，來實現(xiàn)對發(fā)動機和電機動力進行合理分配。并聯(lián)式混合動力汽車的能量管理策略的設計思想主要是：以電機作為主要的動力源輸出動力，發(fā)動機作為補充動力；同時利用電機饋能的優(yōu)點，調(diào)整發(fā)動機的負荷使其盡量在高效區(qū)工作，起到“削峰填谷”的作用。為實現(xiàn)以上目標，本文選用并設計基于規(guī)則策略的邏輯門限能量管理策略，以下將對該策略進行設計。

基于規(guī)則策略的邏輯門限值能量管理策略主要是以最優(yōu)的整車燃油經(jīng)濟性和蓄電池電量平衡作為優(yōu)化目標，通過選擇合適的工作模式和工作策略來使發(fā)動機和電機處于最優(yōu)工作區(qū)間[8]。以行駛車輛的車速作為輸入量，控制對象為車輛的需求轉(zhuǎn)矩和蓄電池的SOC值，通過能量管理策略控制發(fā)動機和電機的輸出轉(zhuǎn)矩，完成整車的驅(qū)動力的合理分配。

邏輯門限值能量管理策略首先需要確定邏輯門限參數(shù)。其中靜態(tài)門限參數(shù)主要包括蓄電池組SOC值的上下限SOCmax和SOCmin，由電池組參數(shù)決定；動態(tài)門限參數(shù)主要有發(fā)動機在工作高效區(qū)的最大和最小轉(zhuǎn)矩Tmmax、Tmmin以及發(fā)動機最大效率轉(zhuǎn)矩Tmopt這三個參數(shù)，該參數(shù)隨發(fā)動機的工作實時變化，需要通過輸入的發(fā)動機外特性關系數(shù)據(jù)得到。

邏輯門限參數(shù)完成設置后，需要建立控制規(guī)則，以并聯(lián)式混合動力汽車的工作需求建立如下工作模式切換控制規(guī)則：

（1）當車輛行駛的輸入需求轉(zhuǎn)矩Treq大于Tmmin時，若蓄電池組的SOC值大于SOCmin時，切換為電機單獨驅(qū)動模式，否則電機切換為發(fā)電機模式，回收能量對蓄電池進行充電。

（2）當車輛行駛的輸入需求轉(zhuǎn)矩Treq大于Tmopt時，若蓄電池組的SOC值大于的SOCmin時，切換為電機與發(fā)動機共同驅(qū)動模式，否則電機切換為發(fā)電機模式進行充電。

（3）當車輛行駛的輸入需求轉(zhuǎn)矩Treq大于Tmmax時，此時切換為電機與發(fā)動機混合驅(qū)動模式，共同輸出驅(qū)動力。

根據(jù)以上所設計的工作模式切換控制規(guī)則，在Matlab/Simulink軟件中編寫M文件，完成能量管理策略模型的建立。

2.2 能量管理策略仿真

為了驗證所設計能量管理策略的有效性，對所建整車控制模型進行仿真。仿真設置的平均車速ν為30 km/h，仿真路況選用新歐洲駕駛循環(huán)工況（NEDC），如圖2所示，仿真的有效行駛時間為1 180 s，行駛距離為10.87 km。

圖2 NEDC行駛循環(huán)試驗工況Fig.2 NEDC driving cycle test conditions

設定蓄電池組的初始SOC值為0.7，仿真得到的結(jié)果如圖3-4所示。

圖3 發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)矩對比Fig.3 Comparison of engine and motor torque

圖4 蓄電池組SOC值變化Fig.4 Change of SOC value of battery pack

由圖3可知，車輛行駛在前800 s的市區(qū)路況時，發(fā)動機未工作，此時由電機單獨驅(qū)動，處于純電動模式；進入800 s后的市郊工況后，此時車速較高，轉(zhuǎn)矩需求也較大，發(fā)動機開始參與輸出轉(zhuǎn)矩，工作模式切換為混合驅(qū)動。由圖4可知，由于電機一直在工作，SOC值一直減低，尤其進入車速較高區(qū)域時，SOC值迅速下降，整個行駛循環(huán)試驗工況SOC值降到0.53左右，電能消耗量為1.72 kW·h，通過計算得到的百公里油耗為5.18 L，與同等動力的傳統(tǒng)汽車百公里油耗對比后，使用所設計的邏輯門限值能量管理策略提高車輛24.2%的燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

3 結(jié)語

本文通過分析并聯(lián)式混合動力汽車的工作原理，使用Matlab/Simulink軟件建立整車及主要部件模型，并選用和設計基于規(guī)則的邏輯門限值能量管理策略，實現(xiàn)對發(fā)動機和電機工作模式的切換控制。通過仿真結(jié)果表明：所設計的邏輯門限值能量管理策略可以有效提高混動汽車24.2%的燃油經(jīng)濟性，在保證車輛行駛動力性的同時減少油耗，減少尾氣排放。