PHEV驱动系统结构分析与仿真研究

孙钦云，商高高

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

纯电动汽车具有零排放、电能来源广泛等优点，但受制于电池技术，尚无法大规模使用，而传统混合动力汽车 (HEV)无论哪种结构形式，主要还是通过内燃机来驱动车辆或给电池充电，导致节油率较低.插电式混合动力电动汽车 (Plug-in hybrid electric vehicle，简写为PHEV)结合了纯电动车和HEV的特点，在电池电量充足时，以纯电动车方式行驶;在电量较低和特殊工况时才开启发动机，提高了节油率，降低了排放，成为近期研发的热点，通用的volt和丰田的插电式prius都已上市销售.

虽然PHEV是在传统HEV的基础上改变电驱动系统而得到的，但其工作模式有别于传统的HEV.因此，对其不同结构形式进行分析比较，确定何种驱动系统结构更适用于PHEV具有特别重要的意义.

由于混联系统成本相对较高，文中对串联和并联PHEV进行分析研究，对比了两种结构对车辆性能、电能需求和行驶里程等方面的影响[1].

1 串、并联PHEV驱动系统建模

为了满足驱动力矩需求，串联PHEV具有较大的电机和电池，此结构中发动机仅用于发电，不直接驱动车辆，因而可使发动机工作在最高效率区间.在并联PHEV中，控制策略可根据不同工况选择驱动形式，既可由电机单独驱动又可由发动机单独驱动，还可共同驱动，从而在满足车辆功率需求的前提下，获得较高的效率.图1、2分别为串、并联PHEV驱动系统结构图.

为了便于对比串、并联驱动系统结构对PHEV的动力性、经济性等方面的影响，串联PHEV的动力系统除增加的发电机外，其余参数与并联PHEV相同.对中型SUV进行建模，参考某款中型SUV和市售动力电池质量，确定整车参数，结果如表1所示.

根据文献资料，中国私家车工作日平均行驶里程为52.8 km[2]，因此，驱动系统的设计满足当电池充满电时，可以以低车速纯电动行驶60 km，驱动系统参数设计结果见表2.

表1 整车部分参数

表2 驱动系统参数

2 PHEV控制策略

控制策略的目标是在满足车辆动力性的前提下，降低车辆油耗和排放.根据PHEV的特点，将控制策略分为两部分，如图3所示:电荷消耗(CD)模式和电荷保持 (CS)模式[3].PHEV运行时，先以 CD模式运行，当电池荷电状态(SOC)低于设定值后，车辆以CS模式运行，其中，CS模式与传统HEV相似.

图3 PHEV运行模式图

仿真时，采用的循环工况里程为64.47 km，车辆行驶在CD模式范围内，因此，仅对CD模式进行介绍.

电荷消耗时的控制策略采用恒温控制策略和功率跟随控制策略相结合的方法，此控制策略设置较大的SOC变化区间，可将电池深度放电，以充分发挥能量存储系统的作用.串、并联PHEV仿真时，SOC初始值的设置相同，虽然两者结构不同，导致控制策略的具体实施方式不同 (串联PHEV通过发电机将发动机输出的机械能转化为电能，供给驱动电机以驱动车辆;并联PHEV发动机与驱动轴机械连接，输出的能量直接参与驱动车辆)，但发动机的开启逻辑相同，如下所示:① SOC低于设定阀值时，发动机开启.②车辆需求功率大于电池驱动电机所能提供的功率并且持续时间大于设定值时，发动机开启.

CD模式控制策略设计的原则是优先使用电池存储的能量，发动机只在电池不能满足车辆需求时使用.

3 PHEV仿真与结果分析

为了保证可对比性，仿真选择了4次城市循环工况和1次高速循环工况，总里程64.47 km.如图4所示.

图4 循环工况图

UDDS城市循环工况与其它城市循环工况相比，启停次数较多，也可检验再生制动能力.高速工况选择了HWFET循环.循环工况统计结果如表3所示.

表3 循环工况统计表

串联PHEV初始SOC值选择为0.9，并联式电池参数和初始SOC设置和串联PHEV相同.电荷消耗模式结束SOC阀值设置为0.3，两者驱动系统参数相同[4].图5、图6为串、并联PHEV电机运行点仿真结果.

从图可以看出，串联结构电机运行范围比并联大，同时在低速高转矩区域，串联比并联使用频率高，而此区域电机效率较低，导致串联形式电机运行效率比并联低.这是因为两者的运行原理不同，串联结构中，电机是唯一提供驱动车辆扭矩来源，并联结构中，发动机可以在低扭矩区域驱动车辆，以减少电机的低效率运行时间.在高转速区域，并联的电机运行点更集中于电机高速和高效率区间，而串联的较为分散，此外，再生制动方面，并联的再生制动点集中于高效率区间，而串联结构相比较低.

车辆动力系统效率、燃油经济性、排放和车辆的加速性能仿真结果统计如表4所示.

表4 车辆性能仿真统计表

结果表明并联PHEV的燃油经济性、传动系整体效率都比串联PHEV高，而发动机效率稍低，这是因为在并联结构中，加速等特殊工况需要发动机更加频繁开启所致.并联PHEV加速性能比串联PHEV好，但也导致了排放的增加.串联式的缺点还表现在车辆的性能受电池和电机功率的限制，而并联PHEV可将发动机和电机的功率结合，一起驱动车辆.

将电池参数改变后再进行仿真，以判断当电池容量增加后，串、并联PHEV仿真结果是否仍然和前面结果一致.电池容量选择为70 Ah，其质量按比例增加，动力系统其它参数不变，仿真结果统计如表5所示.

表5 电池容量增大后驱动系统效率统计表

表5表明驱动系统效率发生较大变化，虽然并联PHEV只有电池参数改变，但由于质量增加，发动机的燃油经济性却下降.可以看出:在未改变控制策略的情况下，并联PHEV未能更多的利用增加的电能.而串联PHEV可以在纯电动驱动下完成整个循环，不消耗燃油.

改变电池容量后串、并联PHEV电池SOC变化和发动机排放仿真结果如图7、图8所示.

表5和图7、图8表明，在日常行程范围内，串联结构的PHEV对增大电池容量具有良好的适应性.

4 结论

利用前/后向仿真软件Advisor，对PHEV驱动系统结构进行了仿真研究.仿真结果表明:在设定的控制策略和工况下，选用电池容量较小时，并联式的整体效率、动力性、燃油经济性均优于串联式，但当电池容量大幅增加后，串联PHEV能更好的利用增加的电能，获得较好的效率和燃油经济性，随着电池技术的提高，串联PHEV在城市日常出行方面也将具有较大发展潜力.

[1] StevenJenkins，MehdiFerdowsi.HEV to PHEV Conversion Compatibility[C].Harbin:IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC)，2008.

[2] 刘 昕，罗禹贡，付晓丹，等.电动汽车电池容量与充电设施布置调查分析[J].公路与汽运，2011(3):5-7.

[3] Aymeric Rousseau， Sylvain Pagerit.Plug-in Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Parameter Optimization[R].UChicago:Argonne National Laboratory，2008.

[4] Harpreetsingh Banvait，Sohel Anwar，Yaobin Chen.A Rule-based Energy Management Strategy for Plug-in Hybrid Electric Vehicle [C].St.Louis:Proceedings of the American Control Conference，2009.