串联式混合动力汽车能量控制策略研究与仿真分析

张丹 李治国 陈标

湖南汽车工程职业学院 湖南省株洲市 412001

1 引言

目前，全球汽车产业呈现飞速发展的态势，人类对于石化能源的消耗也在与日俱增，同时其有害气体排放也使得人类的生存环境日益恶化。在能源短缺与环境污染的双重背景下，作为传统燃油车向纯电动汽车过渡的混合动力汽车 (Hybrid Electrical Vehicle，HEV)，已成为世界各国争相研究的主要清洁能源汽车之一[1]。

与传统汽车相比，HEV在控制方面所需控制对象更复杂，对数据交互的实时性和可靠性要求更高。在不降低整车性能的前提下，多动力源件间的协同工作需采用有效的能量管理策略，从而实现节能减排的功效。针对此问题，本文在Matlab/Simulink环境下建立串联混合动力汽车模型，并采用发动机开/关控制策略，实现多动力部件间的协调工作，以优化整车的控制效果和工作效率，从而实现良好的燃油经济性。

2 串联式混合动力汽车

随着混合动力汽车多元化发展，按动力总成与组合方式的不同，其可分为：串联式、并联式及混联式。

如图1所示，发动机与驱动轮之间没有直接的机械连接，发动机的工作状态与整车速度、加速度之间无直接关系，可连续运行在最佳转速和转矩区间，有利于降低燃油消耗，减少污染物排放。在多停车—起步的市区行驶工况下，电传动系统需采用不同的控制模式，具体如下[2]：

1）纯电动模式：该模式仅由电池组为驱动电机提供电能，发动机处于关闭状态，属于零排放模式。

2）发动机单独工作模式 ：该模式下发动机/发电机组为驱动电机提供电能，电池并不输出电能，仅用于调节发动机工作点。

3）双动力源工作模式 ：该模式下发动机/发电机组与电池组协同工作，电池组在提供动力的同时调节发动机工作点，使发动机维持在效率最优工作区域。

4）再生制动模式：在车辆减速时，驱动电机用作发电机，将车辆动能转化为电能，向电池组充电，完成制动能量回收。

图1 串联式混合动力汽车结构图

图2 串联式混合动力汽车模型

3 串联式混合动力汽车建模

如图2所示，本文基于MATLAB/Simulink仿真环境建立串联式混合动力汽车模型，该模型包括驾驶员模型、整车控制器模型、发动机模型、电力系统模型（电动机、发电机、变换器及蓄电池等）及整车动力学模型[1]。

由于本文采用前向仿真建模，整车能量传递的路线和方向与实际汽车行驶过程中传递的方向相一致。在驾驶员模型中，根据实际车速与循环工况给定的参考车速之间的偏差来调节加速踏板和制动踏板开度，以满足预定的车速要求。驾驶员输出的扭矩需求传递至整车控制器，根据控制策略决定各个动力源的输出功率和扭矩，经由传动系统传递至车轮，对外输出每一时刻的实际车速，形成一个闭环控制系统。

4 整车能量管理控制策略

在系统结构与各部件参数确定后，需要对整车能量管理控制策略进行设计，以便合理地控制各动力源的功率输出，充分发挥串联式电动汽车的节能潜力。

在低载荷运行工况下，发动机/发电机可轻易使峰值电源充至全电平状态，进而导致其输出功率小于其最佳工况值。在该条件下，宜采用发动机开/关或恒温控制策略[3]。如图3所示，发动机/发电机的运行状况由峰值电源 (Peak Power Supply，PPS)的SOC值予以控制。在汽车运行过程中，电池SOC下降至最低阈值时，发动机/发电机将启动并向蓄电池充电。为获得较高的燃油效率，发动机在高效率运行区域内工作，提供恒值功率为蓄电池充电，直至其达到预设SOC值，发动机/发电机关闭[4]。

图3 发动机开/关控制策略

图4 UDDS城市运行工况

图5 电机输出功率

5 仿真结果分析

结合UDDS城市循环工况，对所建立的混合动力汽车模型进行仿真。如图4所示，通过观察发现实际车速与目标车速相差很小，两条速度变化曲线几乎重合。

在车辆运行过程中，电机力矩跟随驾驶员踏板信号发生变化， 在车辆减速阶段电机输出功率为负值，表示在进行制动能量回收，如图5所示。

当SOC值低于0.6时，发动机启动并驱动发电机向蓄电池充电，直至SOC值达到0.7，发动机关闭，如图6所示。

综上所述，本文所建系统模型具有良好的仿真效果，适合用于混合动力汽车控制领域的仿真研究。

图6 电池SOC仿真结果

6 结束语

根据串联混合动力汽车的结构特点，在Matlab/Simulink环境下建立混合动力汽车模型。通过采用发动机开/关控制策略实现发动机与电池组的高效运作，提高系统的经济性。