并联式PHEV自适应能量管理策略研究

摘 要：以一款并联插电式混合动力汽车为研究对象，为提高其燃油经济性，基于等效油耗最低策略，提出一种自适应能量管理策略。仿真结果表明，与CD-CS策略相比，所提出自适应能量管理策略能够提高燃油经济性。

关键词：插电式混合动力汽车；能量管理策略；自适应；等效油耗最低策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.043

0 引言

目前纯电动汽车的使用受充电基础设施不足，电池能量密度较低等条件限制，还没法大规模应用。插电式混合动力对基础设施依赖程度没有那么高，是短期能够大规模应用，甚至全面取代传统内燃机汽车的技术方案[1]。

能量管理策略是插电式混合动力汽车的关键技术之一。目前，能量管理策略主要分为规则控制策略、全局优化策略和局部优化策略[2]。规则控制策略，比如电量消耗-电量保持策略（CD-CS）规则策略比较简单、实时性高，是工业应用最多的策略[3-4]。全局优化策略，比如动态规划算法（DP），能够在给定工况下取得最优的控制效果，但实际工况难以提前准确获取，因此动态规划算法无法在实车中应用[5-7]。瞬时优化策略是全局优化策略的改进。比如本文采用的等效油耗最低策略（Equivalent Consumption Minimization Strategy，ECMS），该算法不需要提前知道工况信息，实时计算最优的扭矩分配。本文将ECMS策略用于插电式混合动力汽车的能量管理，提出一种自适应能量管理策略。

1 整车布局与参数

本文的研究对象为一款同轴并联式混合动力汽车，其结构示意图如图1所示。整车主要参数如表1所示。

2 自适应能量管理策略

2.1 等效油耗最低策略

整车瞬时等效油耗等于发动机实际燃油消耗与消耗电能的等效油耗之和，可由下式表示：

（1）

式中：为发动机燃油消耗，为发动机扭矩和转速的函数；为电能等效油耗，当电池功率为正时（放电），电能等效油耗为正；当电池功率为负时（充电），电能等效油耗为负；s为等效因子，为燃油低热值，为电池输出功率。

电机和发动机输出扭矩满足驾驶员需求扭矩：

（2）

另外，系统需满足如下约束条件：

（3）

选择发动机扭矩为控制变量，发动机和电机的最优解可表示为：

（4）

等效因子对控制策略影响很大，在实际使用过程中，为了避免电池实际SOC在规定范围内，根据电池SOC的变化，需要对等效因子进行修正。当电池SOC过高时，降低等效因子，使控制策略更倾向使用电能；当电池SOC过低，增大等效因子，使控制策略更倾向使用发动机。

等效因子的惩罚函数可由下式表示：

（5）

式中，为比例修正项；为积分修正项； 为电池当前SOC值；为期望的SOC值；为电池SOC允许变化的范围，等于SOC上限与下限之差；n是比例项的形状修正系数，本文n取2； 为算法采样时间。

2.2 电池电量使用规划

目前，最常采用的电量使用策略是电量消耗-电量保持（CD-CS）策略。该策略的优点是能够保证电能优先使用，但是当出行里程远远大于纯电续驶里程时，整车燃油经济性随里程增加而变差。研究表明，当出行里程大于纯电续驶里程时，电量混合消耗模式（Charge-Blended）的燃油经济性高于CD-CS策略。电量混合消耗模式指，电池电量在整车出行里程中处于下降阶段。电量CD-CS模式和电量混合消耗模式电池SOC下降轨迹示意图如图2所示。

为了使用自适应等效油耗最低策略，需要得到参考SOC轨迹。为了充分利用电池电量，避免CD-CS策略的缺点，提出随里程线性下降SOC参考轨迹，任意时刻的参考值可以用下式表示：

（6）

式中，为电池初始SOC值，L为总出行里程，电量保持阶段的参考SOC值，取为0.3，为已行驶里程，上式只适用于当出行里程L大于纯电续驶里程，为下一时刻的参考SOC值。

3 仿真分析

在Simulink中建立整车仿真模型，如图3所示。采用多个NEDC循环叠加的方式实现所需里程，对所提出的自适应策略进行仿真分析，并与传统的CD-CS策略进行对比。循环工况由9个NEDC循环组成，总里程为98.4公里。

图3为电池SOC轨迹曲线对比。可以看出，自适应策略能够较好的跟随参考SOC轨迹，SOC在整个行程中逐渐下降，没有出现电量保持，直至行程结束时，SOC接近最低值。而对于CD-CS策略，电池SOC在8000秒之前下降较快。CD-CS策略中，其全程的平均油耗为1.22 L/100km，电量保持阶段平均油耗为4.52L/100km，电量保持阶段的油耗明显高于全程平均油耗。而自适应策略在全程处于电量下降阶段，全程平均油耗为1.15L/100km，相比CD-CS策略，降低了5.74%。

圖4、图5分别为发动机和电机工作点分布情况对比。由图4可以看出，CD-CS策略和自适应策略下，发动机大部分工作点处于高效率区。但是可以明显看出，自适应策略的工作点更加集中在高效率区。而CD-CS策略下的发动机平均效率较低。图5中，可以看出自适应策略下电机发电扭矩更大。这是因为在这个转速区间，发动机在中高扭矩的效率比较高，避免了电机在效率较低的低转矩区工作，使整车的动力传递效率更高。

4 结论

本文针对传统CD-CS策略无法充分发挥插电式混合动力汽车的节能潜力的缺点，将自适应等效油耗最低策略用于插电式混合动力汽车的能量管理。仿真结果表明，在9个NEDC循环下，所提出的自适应能量管理策略在保证充分利用电能的同时，相比传统CD-CS策略，整车燃油经济性提高了5.74%。

参考文献：

[1]欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J].汽车工程，2006，28（04）：317-321

[2]王钦普，游思雄，李亮等.插电式混合动力汽车能量管理策略研究综述[J].机械工程学报，2017，53（16）：1-19.

[3]殷承良，浦金欢，张建武.并联混合动力汽车的模糊转矩控制策略[J].上海交通大学学报，2006，40（01）：157-162.

[4]王钦普，杜思宇，李亮等.基于粒子群算法的插电式混合动力客车实时策略[J].机械工程学报，2017，53（04）：77-84.

[5]解少博，陈欢，刘通等.基于DP-ECMS的插电式混合动力城市客车能量管理策略研究[J].汽车工程，2017，39（07）：736-741+781.

[6]李浩.插电式混合动力汽车匹配和能量管理策略研究[J].农业装备与车辆工程，2017，55（07）：44-48，53.

[7]林歆悠，冯其高，张少博.等效因子离散全局优化的等效燃油瞬时消耗最小策略能量管理策略[J].机械工程学报，2016，52（20）：102-110.

作者简介：胡正凯（1989-），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向：插电式混合动力汽车能量管理策略。