插电式混合动力汽车控制策略与建模

宫唤春

（燕京理工学院，北京 065201）

1 引言

插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV）是基于传统混合动力汽车衍生出的一种车辆，该类型汽车可以直接接入电网进行充电，纯电动模式下续驶里程更远，同时统发动机更省油等优点，已经成为电动汽车领域重点研发的产品之一[1-2]。插电式混合动力汽车对动力传动系统的设计及能量管理系统控制等要求较高从而使得其工作模式与传动混合动力汽车相比更为复杂。因此，合理设计动力系统并进行参数匹配对插电式混合动力汽车的动力性、经济性以及排放性有着重要的影响，虽然国内外学者对此进行了广泛研究并获得了一些成果，但是依然还没有找到最佳的能量管理策略和动力系统参数匹配方法[3]。基于实验数据利用MATLAB/SIMULINK 软件，建立了某插电式混合动力汽车仿真模型，根据该车动力传动系统结构参数类型开发与之相匹配的能量管理控制策略。

2 插电式混合动力汽车结构与建模

插电式混合动力汽车结构，如图1 所示。

图1 插电式混合动力汽车结构Fig.1 Plug-in Hybrid Vehicle Structure

从图1 可知插电式混合动力汽车系统由发动机、湿式多片离合器、ISG 电机、无级变速器、主减速器、电动机控制器和动力电池组成。通常ISG 电机、无级变速器和主减速器及湿式多片离合器集成一体，结构小巧便于发动机前置前驱动。湿式多片离合器无压力供给状态下处于分离状态，ISG 电机单独驱动车辆行驶的纯电动模式；车辆制动时ISG 电机实现制动能量回收为动力电池组充电模式；湿式多片离合器供给压力时，发动机与ISG 电机机械相连，实现ISG 电机起动发动机，可以发动机单独驱动运行、ISG电机和发动机共同驱动运行以及行车充电等三种运行方式[4]。

选取的插电式混合动力汽车主要装置参数如下：1.5LVVT直列四缸电喷发动机，最大功率为90kW，ISG 电机为永磁同步电机最大功率45kW，无级变速器传动比范围为（0.451～2.389），主减速器传动比为5.162，车载电源由110 个磷酸铁锂电池串联组成，总电压380V。插电式混合动力汽车的发动机、ISG 电机以及电池组等系统结构复杂，难以建立准确的数学模型，采用理论模型及实验数据相结合的方法进行建模，利用MATLAB/SIMULINK软件建立插电式混合动力汽车发动机、ISG 电机、无极变速器以及动力电池组仿真模型，为后续整车控制策略制定与分析奠定基础。通过实验建模法建立发动机模型，该方法是通过发动机实验室数据进行拟合建立仿真模型，发动机不同工况下的特性参数是通过查询数值表格[5]的方式计算得出，其准确性高且应用性强而普遍应用。发动机特性参数模型，如图2 所示。

图2 发动机特性参数模型Fig.2 Engine Characteristic Parameter Model

发动机转矩特性曲线图，如图2（a）所示。对这里的1.5LVVT发动机进行台架测试获取实验数据并通过三次样条插值[6]拟合得出发动机转矩与转速及节气门开度三者之间的关系，发动机油耗变化关系模型，如图2（b）所示。通过将发动机节气门开度与转速相对应的比油耗实验数据转换成发动机转矩和转速输入的比油耗数值曲线图，再利用插值法计算出发动机在不同工况下的燃油消耗率。ISG 电机模型是将电机及其控制器视为一个整体进行建模，根据采用的永磁无刷电机实验数据利用插值法计算出电机效率与转矩和电机转速的特性关系曲线，如图3 所示。无级变速器模型主要集中于无级变速器传动效率模型，无级变速器传动效率影响因素众多，且理论建模复杂难以精确体现无级变速器的实际运行过程，通过实验法对无级变速器进行动力测试重点关注其整体传动效率，利用实验数据拟合出无级变速器传动效率与变速器传动比和转矩的特性曲线，如图4 所示。

图3 ISG 电机模型Fig.3 ISG Motor Model

图4 无级变速器传动效率模型Fig.4 CVT Efficiency Model

图5 动力电池组模型Fig.5 Power Battery Model

磷酸铁锂电池模型，如图5 所示。内阻模型通过理论与实验相结合的方法建模，如图5（a）所示。动力电池组电动势特性模型，如图5（b）所示。利用实验数据拟合出动力电池电动势与电池温度和电池荷电状态（SOC）的变化特性，由图中可以看出动电池SOC 的变化会显著引起电池电动势的改变，而电池温度变化对电池电动势的影响较小。动力电池充电内阻和放电内阻与电池温度及SOC 的变化特性图，如图5（c）、图5（d）所示。需要在插电式混合动力汽车运行过程中实时监控电池组的SOC 及温度变化。

3 能量管理控制策略

插电式混合动力汽车主要有5 种工作模式：（1）频繁的起动和低速运行工况，以ISG 电机纯电动驱动；（2）加速及高速工况，发动机与ISG 电机联合驱动；（3）减速或制动工况，ISG 回收能量给车载电池组充电；（4）巡航工况发动机单独驱动；（5）停车充电工况，若电池组SOC 较低接入电网为车载电池组充电。目前从动力电池组的能量管理角度可以把插电式混合动力汽车的能量管理控制策略分为基于纯电动行驶里程的控制策略和混合控制策略，基于纯电动行驶里程的控制策略对于ISG 电机驱动功率参数要求更高，车辆动力传动系统更适用于混合控制策略，从控制算法的角度，能量管理控制策略又分为基于规则的能量管理控制和基于优化算法的能量管理控制两种方法。基于规则的能量管理控制策略方法简单便于使用，基于优化算法的能量管理控制策略过于复杂虽然车辆经济性控制效果较好但是应用上限制较多。因此，插电式混合动力汽车采用基于规则的混合控制策略。插电式混合动力控制模式[7]主要有三种分别是：停车模式、行车模式和倒车模式。通过循环工况法对插电式混合动力汽车能量管理策略进行分析，主要对行车模式进行重点关注和分析。行车模式下根据插电式混合动力汽车电池SOC 的变化状况[8]可以分成电量消耗模式（Charge Depleting，CD）和电量保持模式（Charge Sustaining，CS）。因此，重点对上述两种模式控制策略进行分析。

3.1 CD 模式

CD 模式是将纯电动模式和混合驱动模式综合使用，主要以发挥动力电池组的电能为目标。当车辆低速及中速行驶时以消耗动力电池电能的纯电动模式为主，当车载转矩超出纯电动模式工作范围时，唤醒发动机采用联合驱动模式。CD 模式工作情况划分，如图6 所示。

图6 CD 工作模式划分图Fig.6 CD Working Mode Division Diagram

由图6 可知，CD 工作模式是以车载输出转矩为依据进行划分的，图6 中，T_CD_ISGmax 表示纯电动模式下最大输出转矩，计算方法，如式（1）所示。

式中：K_CD_m—纯电动模式下控制系数；T_ISGmax—纯电动模式下输出的最大转矩（N·m）

3.2 CS 模式

CS 模式主要以发动机驱动为主，ISG 电机驱动为辅，与CD模式不同。CS 模式主要目标是ISG 电机辅助驱动下能够将纯电动模式、行车充电模式、发动机单独驱动模式以及联合驱动模式合理使用，并改善发动机燃油经济性降低废气排放确保发动机处于高效区域运行。CS 模式工作情况，如图7 所示。

图7 CS 工作模式划分图Fig.7 CS Working Mode Division Diagram

当车速较低时车辆以纯电动模式运行，如图7 所示。当车速超过某个限定车速时则以整车经济性为目标选取工作模式。图7中T_CS_ISGmax 表示CS 工作模式下纯电动模式的最大输出转矩，T_CS_ecmax 为CS 工作模式下行车充电模式的最大输出转矩，T_CS_emax 为CS 工作模式下发动机单独驱动模式的最大输出转矩，计算方法如下所示为：

式中：K_CS_m—CS 工作模式下纯电动模式的控制系数；

K_CS_ec—CS 工作模式下行车充电模式的控制系数；

K_CS_e—CS 工作模式下发动机单独驱动模式的控制系数；

T_ecmax—行车充电模式下的最大输出转矩；

T_emax—发动机单独驱动的最大输出转矩。

4 仿真分析

第二部分基于实验数据建立了插电式混合动力汽车仿真模型，第三部分建立了基于规则的插电式混合动力汽车能量管理控制策略，利用上述模型和相关能量管理控制策略对插电式混合动力汽车进行计算仿真，分析整车动力性和经济性，并验证能量管理控制策略是否有效。新欧洲行驶循环工况（NEDC）仿真计算结果，如图8 所示。由图8 中可知车辆实际运行车速与NEDC 工况[9]目标车速较为一致，随动较好，证明建立的插电式混合动力汽车仿真模型较为可靠。

图8 NEDC 行驶工况计算仿真分析Fig.8 Simulation Analysis of NEDC Driving Condition Calculation

对7 个NEDC 工况连续循环计算仿真下动力电池SOC 参数、发动机输出转矩及车速变化曲线，如图9 所示。

图9 NEDC 工况计算仿真分析Fig.9 Simulation Analysis of NEDC Working Condition Calculation

由图9 可以得知，插电式混合动力汽车处于CD 工作模式是NEDC 工况为前5 个的时候，此时ISG 电机驱动为主，发动机为辅，且发动机仅在高速或高负荷下才被唤醒运行。同时可以看出CD 工作模式时，除去较少的能量回收以外，动力电池组主要是放电模式，电池组SOC 参数持续降低。当SOC 下降到某个限值时，车辆转入CS 工作模式，此时发动机驱动为主，动力电池组SOC参数保持在一个平稳的范围，如图10 所示。由此可以得知建立的能量管理控制策略的规则是合理的。图10 可以看出NEDC 循环工况下发动机工况点绝大部分位于效率为23%之上的区域，可以得知这里的能量管理控制策略能够确保发动机处于高效区域运行。发动机燃油消耗计算仿真结果为4.6L/100km，与原车装配1.5L 排量的发动机油耗6.21L/100km 相比较，降低了25.9%，燃油经济性得到显著改善，再次说明建立的仿真模型和能量管理策略是可靠的。

图10 NEDC 工况下发动机工况点分布图Fig.10 Engine Operating Point Distribution Map Under NEDC Condition

5 结论

以某插电式混合动力汽车为例基于实验数据利用MATLAB/SIMULINK 软件建立了插电式混合动力汽车仿真模型，并根据该车的工作模式建立了基于规则的能量管理控制策略。通过计算仿真分析结果显示建立的仿真模型和能量管理控制策略能够确保发动机处于高效区域运行，显著改善了燃油经济性，所建立的能量管理策略合理有效控制效果较好。