某混合动力汽车能量管理控制策略研究

陈梦青 刘宏江 张运泰 李连豹 韦 虹

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

混合动力汽车以其灵活的布置形式、多元化的架构、优良的控制策略，在实现高热效率的同时，兼具卓越的燃油经济性，成为当前汽车企业的市场战略之一。能量管理控制策略作为混合动力汽车的核心控制算法，是整车动力性、经济性、舒适性及部件安全可靠性的重要保障。通过合理地分配驱动能量，协调制动与能量回收的关系，以满足不同的整车功率需求[1]。因此，对能量管理控制策略进行研究对提高混合动力系统的效率，实现车辆的节能减排目标具有重要的指导意义。

本文以某品牌混合动力汽车为研究对象，利用底盘测功机和CAN 信号解析方法获取整车性能数据，分析其混合动力系统的控制架构、控制逻辑、关键控制参数以及驱动模式切换阈值；对样车进行固定车速、固定加速踏板开度试验，解析在加速踏板开度、电池SOC、车速等发生变化的条件下，整车运行状态与关键子系统的转矩分配输出机制；测试滑行与制动工况下的能量回收，分析其能量管理策略并筛选出主要影响因素。

1 试验工况设计

本文所选取的某品牌混合动力汽车主要参数见表1。

表1 汽车主要参数

以车速、加速踏板开度、制动踏板开度和电池SOC 等为变量设计试验工况，见表2。

2 测试方法

2.1 信号获取

获取整车测量信号的方式分为2 种，一种是要求精度高的信号，可通过安装传感器直接测量，例如半轴转矩、高压电池母线电流、低压蓄电池电流和电压、整车累计油耗等关键信号；另一种是无法直接测量的关键信号，可通过发送诊断数据请求，解析整车CAN 总线信号，结合诊断请求信号和CAN 信号进行数据采集。将获取到的传感器测量信号与CAN 信号同步到多路CAN 通讯设备，便于后续数据的处理与分析[2]。CAN 信号清单见表3。

表3 CAN 信号清单

2.2 底盘测功机设置

根据GB 18352.6-2016 《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[3]要求，将车辆固定于底盘测功机。根据车辆的驱动模式和能量回收特性设置测功机，使车辆保持前轮驱动，后轮随动运行状态。

3 工作模式

车辆的工作模式分为3 种，如图1 所示。

图1 车辆驱动模式

1）纯电动模式。仅电池、驱动电机工作，发动机和发电机不工作。

2）串联模式。发动机、发电机工作，驱动电机驱动或发电，电池可充电、可放电。

3）发动机直接驱动模式。发动机工作，离合器接合，直接驱动车辆，发电机和驱动电机不工作。

4 驱动能量管理控制策略

4.1 固定车速

在底盘测功机上，采用转毂-车速控制模式，观察不同加速踏板开度下SOC 的平衡规律。

60 km/h 的固定车速下，加速踏板开度较小时，不同加速踏板开度下，SOC 的平衡规律如图2 所示。

图2 60 km/h 车速下SOC 平衡规律（周期波动）

从图2 可以看出，60 km/h 的固定车速下，加速踏板开度恒定10%，当SOC 为30%时，发动机运行，起动功率为17～21 kW，电池包充电功率为9～12 kW；当SOC 高于41%时，发动机停机。加速踏板开度恒定25%，当SOC 低于37%时，发动机运行，起动功率为20～26 kW，电池包充电功率为5～10 kW；当SOC高于49%时，发动机停机。由此可知，同一车速下，加速踏板开度较小时，不同加速踏板开度下，SOC 呈现周期性波动。

60 km/h 的固定车速下，加速踏板开度较大时，不同加速踏板开度下，SOC 的平衡规律如图3 所示。

图3 60 km/h 车速下SOC 平衡规律（稳定）

从图3 可以看出，60 km/h 的固定车速下，40%加速踏板开度时，SOC 最终稳定在41%，发动机转速维持在2 950 r/min，整车维持匀速状态所需的功率大于电池可放电功率，电池处于充放电平衡状态。50%和60%加速踏板开度时，电池均处于充放电平衡状态，SOC 均稳定在23%。

由此可知，固定车速下，整车需求功率较小时，当SOC 低于最小阈值，发动机起动，通过发电机给驱动电机提供能量以驱动车辆，多余的能量给电池包充电，车辆进入串联模式；当SOC 高于最大阈值，发动机停机，进入纯电动模式。整车需求功率较大时，发动机输出的能量通过发电机，主要用于提高驱动电机的输出功率，电池处于充放电平衡状态。相同车速下，随着加速踏板开度的增大，发动机起动时的SOC 最小阈值增大；当加速踏板开度高于30%时，SOC 进入稳定状态。

4.2 固定加速踏板开度

在底盘测功机上，模拟道路阻力，通过控制加速踏板开度，分析不同加速踏板开度下的pedal map（车辆加速度或动力总成输出转矩随加速踏板开度和车速变化而变化的一种关系图），以研究车辆的驱动能量管理策略。Normal 模式下车辆加速度的pedal map 如图4 所示。

图4 Normal 模式下车辆加速度的pedal map

由图4 可知，Normal 模式下，5%～15%加速踏板开度，加速度较低，有利于低速工况的车速控制，此时车辆主要在串联与纯电动模式之间切换，通过提高发动机转速使发动机工作在高效区间，实现降低整车油耗和排放的目的；50%加速踏板开度，加速度曲线均匀分布；60%～80%加速踏板开度，加速度大小基本相当；80%加速踏板开度以上，整车侧重于加速性能，以满足驾驶需求，此时车辆主要工作在串联模式，通过多能量源实现高的功率输出。

图5 为Normal 模式下半轴转矩的pedal map。

图5 Normal 模式下半轴转矩的pedal map

由图5 可知，Normal 模式下，半轴转矩曲线的变化趋势与车辆加速度曲线的变化趋势基本一致。从图4 和图5 可以看出，当加速踏板开度为100%时，最大加速度为4.7 m/s2，最大半轴转矩为2 100 N·m。此时，车辆工作在串联模式，整车需求功率较高，发动机与电池共同作为能量源，提高驱动电机的功率输出，以克服阻力驱动车辆。

5 能量回收管理控制策略

能量回收是通过电机将车辆多余的机械能转化为电能，储存在高压电池中，用于驱动车辆。能量回收管理极大地提高了混合动力汽车的能量利用率，有利于降低整车油耗[4]。

5.1 滑行能量回收

滑行能量回收是指汽车行驶过程中，松开加速踏板，依靠惯性作用行驶，通过能量管理控制策略实现能量回收[5]。

图6 为60 km/h 初始车速，D 挡滑行的能量回收状况。

图6 60 km/h 初始车速，D 挡滑行的能量回收状况

从图6 可以看出，60 km/h 初始车速，D 挡滑行，驱动电机转矩由正变负，回收车辆动能，给高压电池充电，最大充电功率为5.8 kW；发动机与发电机不工作；当车速降至10 km/h，驱动电机回收转矩迅速减小，直至进入蠕行，车辆切换成纯电动模式，高压电池放电，驱动电机转矩由负变正，克服阻力使车辆前进。

不同初始车速下（以20 km/h 为间隔），混合动力汽车的滑行能量回收量如图7 所示。图7 中，纵坐标上的负值越大，说明回收的能量越多。

图7 不同初始车速下滑行能量回收量

分析图7 可以发现，随着初始车速的增加，驱动电机回收能量越多，给动力电池充电的能量越多。初始车速为120 km/h 时，驱动电机回收能量最多，为443kJ；平均能量回收强度约为76%。

5.2 制动能量回收

制动能量回收是指汽车行驶过程中，踩制动踏板，将动能转化成电能，通过能量管理控制策略实现能量回收[6-7]。

5.2.1 小强度制动工况

10%制动踏板开度（小强度制动工况），制动能量回收状况如图8 所示。

图8 10%制动踏板开度制动能量回收状况

分析图8 可知，10%制动踏板开度（小强度制动工况），发动机转速迅速下降至停机，驱动电机转矩由正变负，进行能量回收，最大回收转矩为132 N·m，此时车辆以电机再生制动为主。

5.2.2 中等强度制动工况

30%制动踏板开度（中等强度制动工况），制动能量回收状况如图9 所示。

图9 30%制动踏板开度制动能量回收状况

分析图9 可知，30%制动踏板开度（中等强度制动工况），驱动电机制动能量回收量减少，回收转矩维持时间较短，通过液压制动与电机制动，减少能量损失的同时，达到快速停车的目的。

5.2.3 高强度制动工况

40%制动踏板开度（高强度制动工况），制动能量回收状况如图10 所示。

图10 40%制动踏板开度制动能量回收状况

分析图10 可知，40%制动踏板开度（高强度制动工况），驱动电机制动能量回收量极少，以液压制动为主，保证制动安全。

不同制动踏板开度下（以5%制动踏板开度为间隔），混合动力汽车的制动能量回收量如图11 所示。图11 中，纵坐标上的负值越大，说明回收的能量越多。

图11 不同制动踏板开度下制动能量回收量

分析图11 可以发现，随着制动踏板开度的增加，驱动电机回收的制动能量减少。10%制动踏板开度，制动能量回收量为465 kJ；30%制动踏板开度，制动能量回收量为270 kJ；40%制动踏板开度，制动能量回收量为35 kJ。当制动踏板开度大于40%时，驱动电机几乎不再进行能量回收，以制动安全为主。

5.3 SOC 对制动能量回收的影响

高压电池的SOC 是影响混合动力汽车整车性能的重要参数之一，电池在不同的SOC 下，充电功率和效率各不相同[8]。为控制单一变量，排除其他因素的干扰，设定相同初始车速为100km/h，设计试验矩阵，探讨SOC 对制动能量回收的影响。相同初始车速下，同一制动踏板开度，SOC 对制动能量回收影响的试验结果见表4。表4 中，回收能量栏中，负值越大，说明回收的能量越多。

表4 SOC 对制动能量回收影响试验结果

对表4 中的数据进行对比分析可知，相同初始车速下，同一制动踏板开度，SOC 的高低影响发动机的启停状态，对制动能量回收无太大影响。

当SOC 处于较低水平时，踩下制动踏板前，发动机仍处于工作状态；制动后，发动机转速逐渐下降，驱动电机进行能量回收。

当SOC 极高时，踩下制动踏板前，发动机已停机；制动后，驱动电机开始进行能量回收。

6 结论

1）混合动力汽车发动机的启停与加速踏板开度和车速紧密相关，SOC 呈现周期性的规律变化或维持稳定状态。

2）Normal 模式下的pedal map 线性分布有利于维持车辆的驾驶性能及工作模式的切换，在兼顾动力性的同时，可实现节能减排目标。

3）初始车速影响滑行能量回收，初始车速越高，回收的能量越多。

4）制动过程中，电机制动和液压制动相互动态协调。同一制动初始速度条件下，随着制动踏板开度的增大，电机再生制动占比降低，回收的能量减少。

5）制动能量回收受制动踏板开度的影响较大。在一定范围内，制动踏板开度越大，回收的能量越少。

6）SOC 的高低对制动能量回收无太大影响。

国家科研机构要以国家战略需求为导向，着力解决影响制约国家发展全局和长远利益的重大科技问题，加快建设原始创新策源地，加快突破关键核心技术。

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话