插电式混合动力SUV车控制策略研究

张 志，杨芸芸

(1.中国汽车工程研究院股份有限公司部件试验研究部，重庆 400039;2.武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070)

插电式混合动力汽车(plug－in hybrid electric vehicle，PHEV)可以利用外部电网通过充电装置对车载电池组进行充电，从而增加纯电动续驶里程，大大减少对燃油的依赖，同时还可以降低车辆的废气排放，是目前电动汽车领域研究的热点之一[1]。与普通混合动力电动车相比，插电式混合动力车须保证全电力续驶里程，故对其动力总成各部件提出了不同的要求。

插电式混合动力电动汽车动力系统参数的选择不仅与车辆的整车动力性和经济性要求有关，还与控制策略以及车辆行驶的工况密切相关。笔者以一款传统SUV为原型，设计并联式Plug－in混合动力车，在普通混合动力车的电辅助控制策略的基础上，设计适合插电式混合动力电动车的控制策略，应用前向/后向仿真软件 ADVISOR(advanced vehicle simulator)2002建立相应的模型，对不同的电机、AER(all electric range)和动力电池容量进行优化设计。通过分析仿真结果，对该方案的可行性和有效性进行了验证。

1 参数匹配

1.1 系统结构图和整车动力参数

目前插电式混合动力车辆大多采用串联结构，考虑到该车辆的布置以及运行工况，采用单轴并联式结构。该插电式混合动力汽车动力系统结构图如图1所示。该SUV车辆的整车动力参数如表1所示。

图1 插电式混合动力汽车动力系统结构图

表1 SUV整车动力参数

设计该插电式混合动力SUV车时的首要目标是满足车辆的动力性能，故需要满足以下3个条件:

(1)起步加速性能。即车辆能在设定时间内由静止持续加速到额定车速的性能。

(2)以额定车速稳定行驶的能力。对于并联混合动力车辆来说，发动机应该能够提供车辆以额定车速稳定行驶的全部功率，并能克服坡度大于3%的路面阻力。

(3)以最高车速稳定行驶的能力。在插电式并联混合动力汽车上，电机和发动机的输出功率应分别能满足车辆以最高车速行驶时的功率需求。

车辆行驶时所需的功率为:

式中:Pe为车辆所需的功率;ηT为传动系机械效率;G为车辆总重力;f为滚动阻力系数;ua为车速;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;δ为旋转质量换算系数;m为车辆总质量;为加速度;i为坡度。

1.2 发动机参数选择

对于并联式混合动力车的发动机，若功率选择偏大，则车辆的排放性能和燃油经济性就差;若功率选择偏小，后备功率就小，就必须依靠电机提供更多的驱动功率，这会造成电机和电池组容量的取值增大以及整车质量增加，同时还会使车辆成本增加，整车布置难度加大。

由于插电式混合动力车与以往的混合动力车的不同点在于车辆在纯电动工况的运行时间比较长，而依靠发动机工作的时间比例减少，故选择发动机的原则是在经济巡航车速uc下，发动机在其万有特性图上的经济区工作。巡航车速uc与平路匀速阻力功率Pc的对应关系如下[2]:

根据SUV车的运行工况，取uc为70 km/h。

在计算巡航功率时，还应加上空调、压缩机等附件功率Pacc约为3 kW、1% ～2%的爬坡功率裕量Pi和 10%(经验值)的充电功率裕量 Pchr[3]，即:

巡航功率P实际上是一个功率带，应保证这一功率带穿越发动机万有特性图上经济性较好的区域。根据上述条件，最终选择的发动机参数如表2所示。

1.3 电机参数选择

并联式混合动力车的电机最大功率Pmmax与发动机最大功率Pemax之和应能满足车辆的最大功率Pvmax的需求，即满足下列不等式:

表2 插电式混合动力SUV车动力系统参数

不同于普通的混合动力车，插电式混合动力车的电机不仅能在车辆起步和低速行驶时驱动车辆，当车辆高速行驶以及加速时也能够单独驱动车辆，则电机的最大功率Pmmax应大于车辆在高速运行时的功率需求。最终选取的电机参数如表2所示。

1.4 电池组参数的选择

选择的动力电池组的电压和电流范围必须满足电机的电压和电流的工作范围，放电功率范围必须覆盖电机驱动和再生制动的最大功率范围，电池组的容量还应满足插电式混合动力车纯电动续驶里程对能量的需求。

(1)由电机最大输出功率选择电池数:

式中:Pemax为电机最大功率;Pbmax为电池最大输出功率;ηe为电机工作效率，计算中取0.9;ηec为电机控制器工作效率，取0.9。

(2)根据纯电动续驶里程AER选择电池数目:

式中:L为车辆的纯电动续驶里程;W为车辆行驶1 km所需的电池能量;Us为单体电池电压;Cr为单体电池的额定容量;Dh为电池放电深度，锂电池取80%。该电池组的动力参数如表2所示。

2 控制策略

2.1 电辅助控制策略

并联式混合动力车上使用的规则控制策略(rule based energy management strategy，RBS)实际上是一个电辅助控制策略[4－7]。以下为电辅助控制策略的具体内容:

(1)当车速低于发动机驱动的速度下限值且电池的SOC值(荷电状态)高于其下限值时，由电机单独驱动车辆，车辆为纯电动模式行驶;

(2)当车辆需求的功率超过发动机最大功率且电池的SOC值高于其下限值时，则由电机补充缺少的那部分功率，由电机和发动机共同驱动车辆;

(3)当车辆需求的功率高于发动机在该转速下的经济区功率且电池的SOC值低于其下限值时，则由发动机单独驱动车辆;

(4)当车辆需求的功率低于发动机在该转速下的经济区功率且电池的SOC值低于其下限值时，则发动机工作在其经济区驱动车辆，多余的功率用来给电池充电;

(5)当车辆需求的功率为负且电池的SOC值低于其上限值时，则进行能量回收给电池充电。

2.2 以电为主的规则控制策略

由于插电式混合动力车拥有高容量的电池组，且电池中的电能来源于普通电网，因此要充分利用电池中的能量以降低燃油的消耗。故对于插电式混合动力汽车，规则控制策略中车辆行驶时的大部分能量来源于电池，其余的则由发动机提供。

插电式混合动力车中的发动机开关由以下的规则控制策略控制[8－9]:

(1)当电池的SOC值低于其下限值且车辆需求为正功时，发动机开启;

(2)当电池的SOC值高于其下限值且车辆需求的正功功率低于电机能够提供的最大功率时，关闭发动机;

(3)当电池的SOC值高于其下限值且车辆需求的正功功率高于电机能够提供的最大功率时，开启发动机;

试验地设在南昌市南昌工程学院生物技术实验基地。南昌工程学院位于南昌市东部，紧邻艾溪湖湿地公园和瑶湖森林公园。南昌市地处江西中部偏北，赣江、抚河下游，濒临鄱阳湖西南岸，位于东经115°27′～116°35′、北纬28°09′～29°11′，属亚热带湿润季风型气候，气候湿润温和，日照充足，降雨量充沛，夏季多偏南风，冬季多偏北风，年无霜期长、冰冻期短。

(4)当车辆需求的功率为负值且电池的SOC值低于其上限值时，关闭发动机。

插电式混合动力车的工作模式有电量消耗模式和电量维持模式。车辆的工作模式定义如下:

(1)当电池的SOC值高于其下限值且车辆需求的功率能够由电机单独驱动时，则车辆在纯电动模式下运行;

(2)当电池的SOC值高于其下限值且车辆需求的功率不能由电机单独驱动时，则电机输出其最大功率，由发动机补充驱动车辆所缺少的那部分功率;

(3)当电池的SOC值低于其下限值且车辆需求的功率低于发动机工作在其经济区能够提供的功率时，发动机工作在它的最优工作点，多余的功率用来给电池充电;

(5)当电池的SOC值低于其下限值且车辆需求的功率为负值时，进行制动能量回收给电池充电。

3 仿真结果及分析

在ADVISOR中对发动机、电机和蓄电池等部件进行建模，在上述两种控制策略下对PHEV的性能进行仿真分析。在选择仿真循环工况时，考虑到一般SUV车的行驶工况，选择代表城市路况的美国城市循环工况UDDS－EPA进行仿真[10]。该工况全程11.99 km，时间1 369 s，最高车速为91.25 km/h，平均车速为31.51 km/h，有多次的启停和急加速、急减速，有助于研究混合动力车辆的制动能量回收性能。由于一个循环的路程较短不能较好地体现不同控制策略的优缺点，故采用不同的循环次数进行仿真，得到该插电式混合动力SUV车辆的百公里油耗值如表3所示。

表3 不同循环的百公里油耗

从表3的结果可以看出，对于同样配置的PHEV，车辆在充满电后行驶相同的路程，以电为主的规则控制策略与电辅助控制策略相比，经济性得到了提高。行驶5个和8个UDDS－EPA循环工况时，总路程不到100 km，PHEV的电池SOC值处于较高水平，此时采用以电为主的规则控制策略充分利用了蓄电池的电能，只在电机不能单独驱动车辆时才开启发动机，故车辆的百公里油耗仅为2.60 L左右，而采用电辅助控制策略则以发动机驱动为主，百公里油耗为6.60 L左右，大大高于以电为主的规则控制策略。而当车辆运行15个循环，总路程为179.80 km，车辆行驶到后几个循环时，电池的SOC值越来越低，尤其是以电为主的规则控制策略，其SOC值更低，对电能的依赖慢慢减少，发动机运行的时间变长，百公里油耗比前8个循环增大了53.8%，与电辅助控制策略间的油耗值差距有所减小，但是其节油的优势依然明显。

两种控制策略下电机工作点分布图如图2所示。由图2可知，采用以电为主的规则控制策略的充电式混合动力车充分利用了电机的低速高转矩特点，且工作点更多地分布在高效区，可取得更好的经济性。

图2 两种控制策略下电机工作点分布图

该充电式SUV车采用以电为主的规则控制策略在UDDS－EPA工况下连续运行15个循环的仿真结果如图3所示。其中图3(a)为该工况需求车速与实际车速图，从该图中可以看出该车辆的实际车速与需求车速完全吻合。图3(b)为电池SOC值变化曲线，图3(c)为电机输出转矩图，图3(d)为发动机输出转矩图。在蓄电池SOC值较高(0.7)时，为了维护电池，不进行制动能量回收，车辆在电量消耗模式下运行，主要由电机驱动车辆，发动机只起辅助功能，以电能的消耗代替燃油的消耗以降低油耗;车辆在运行了7个UDDS－EPA循环后，电池SOC值下降到0.4，车辆进入电量维持模式运行，由发动机和电机共同工作;当电池的SOC值达到下限值0.2时，则由发动机单独驱动车辆，电机不驱动。

图3 以电为主的控制策略在UDDS－EPA工况下运行15个循环的仿真结果

采用以电为主的规则控制策略得到的整车动力性仿真结果为:最高车速为166 km/h;0～100 km/h的加速时间为13.9 s;最大加速度为4.3 m/s2;车速 v=88.5 km/h时，爬坡度为15.6%。从仿真结果可看出，该混合动力电动汽车的动力性不仅满足混合动力车的技术指标，而且性能高于一般的传统内燃机汽车。

由于电机参数和电池组容量对整车的经济性影响最大，在此对这两个参数在ADVISOR中进行优化，得到的结果如图4所示。从图4中可以看出，随着电池容量增大油耗越来越低，电池容量比例因子对油耗的影响在[0.5，1.0]区间比在[1.0，1.5]区间大。而电池的容量对车辆成本的影响很大，故当电池容量比例因子为1.0(即为前面匹配的60 A·h)时既能获得较好的燃油经济性，又不至于增加车辆的成本。当电机的转矩比例因子为0.9时得到了最低的油耗值，但是在[0.8，1.2]区间对油耗的影响差异很大，故匹配最大转矩为表2中最大转矩的0.9倍(即0.9×252=226.8 N·m)的电机能够获得更低的油耗。

图4 电机及电池参数对油耗的影响图

4 结论

笔者对插电式混合动力SUV车进行动力计算，包括发动机、电机、蓄电池和变速箱在内的动力系统进行设计选型，并在已有的电辅助控制策略的基础上提出了以电为主的规则控制策略。通过在仿真软件ADVISOR 2002中对该车辆进行仿真，对比两种控制策略，可以看出笔者提出的以电为主的规则控制策略包括电量消耗模式和电量维持模式，与电辅助控制策略相比，大大提高了车辆的经济性。因此插电式混合动力车采用该控制策略比较合适。

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