串联混合动力汽车车载供电系统的设计及验证*

孙逸神，程 伟

(上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部，上海 201804)

前言

当前社会面临愈发严重的常规能源短缺和环境持续污染两大问题，向新能源方向转型是必然趋势。各大汽车公司的新能源战略主要聚焦在电动汽车的研发，包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。各种新能源汽车的主要特点［1］如表1所示，其中混合动力汽车可以兼顾续驶里程与成本问题，是当前阶段最接近大规模产业化的新能源汽车。

串联混合动力汽车的发动机工况与路况完全解耦，因此可使发动机始终运行于低油耗、低排放区域。与其它形式的混合动力结构相比，串联系统的结构和控制相对简单，实现方便。

车载供电系统作为插电式串联混合动力汽车的关键部件，直接影响车辆的节油效果和能量管理。本文中介绍车载供电系统的设计与匹配，并通过仿真和台架试验进行分析和验证。

表1 各种新能源汽车的优缺点比较

1 车载供电系统的设计

插电式串联混合动力汽车动力系统的结构［2］如图1所示。车载供电系统主要由发动机和发电机组成。作为车辆的辅助动力单元，车载供电系统可在动力电池SOC低时为其充电，也可在整车有大功率需求时，与动力电池共同驱动车辆。发动机与发电机之间采用直接的机械连接，发动机转速与发电机转速保持一致。

车载供电系统的设计目标为:①满足输出足够电功率的需求;②运行在最佳燃油经济性曲线;③可通过发电机快速起动。

车载供电系统的输出功率特性需求由驱动电机和动力电池共同决定，在此基础上确定发电机和发动机的设计参数。其设计原则如下。

(1)发电机输出功率即为车载供电系统的输出功率，发动机功率范围应略大于发电机输出功率。

(2)发动机的工作区域应兼顾燃油经济性和NVH性能，而发电机的高效区应与发动机匹配。

(3)为满足快速起动发动机的要求，发电机应具备驱动功能且有足够大的起动转矩。在保证起动转矩的前提下，可不要求其具有过载功能。

(4)在满足车载供电系统功率需求的基础上，应尽可能降低发电机的转矩需求而提高其工作转速，以提高发电机的功率密度，减小发电机控制器容量。

将某B级车设计为效率优化型的中度串联混合动力汽车，车速与需求功率曲线如图2所示。为保证车辆在馈电情况下能以120km/h车速运行，考虑各附件的需求功率和一定的功率裕量，设定车载供电系统的最大输出电功率为35kW。

根据上述设计原则，可得车载供电系统的选型和主要设计参数如表2所示。

表2 车载供电系统设计方案

2 车载供电系统建模与仿真

为设计验证车载供电系统控制策略，建立了发动机、发电机和控制器等模型。

2.1 发动机平均值模型

发动机平均值模型［3-4］不考虑复杂的燃烧模型和各缸曲轴转角的差异，而着眼于研究发动机工作的动态特性。在发动机控制的研究中常采用此模型。平均值模型由进气动力学、油膜动力学和曲轴动力学3个子模型组成。

进气动力学子模型主要描述节气门与进气道内的空气流量和压力状态。

油膜动力学子模型主要分析燃油形成蒸气的过程。从喷油嘴喷出的燃油一部分形成燃油蒸气与空气混合进入气缸燃烧，另一部分则附着于进气歧管表面形成油膜，油膜再蒸发后形成蒸气进入气缸燃烧。

为方便转矩分配、管理和协调，曲轴动力学子模型现多采用基于转矩平衡的动力输出模型。

式中:Jice为发动机转动惯量;ω为发动机旋转角速度;Tf为摩擦阻力矩;Tp为泵气阻力矩;Tload为负载力矩;ηi为指示热效率;Hu为燃油热值。

影响指示热效率的因素很多，其中主要有点火提前角、空燃比、转速和进气压力等。泵气阻力和摩擦阻力主要由试验数据拟合而得。

2.2 发电机模型

发电机选用永磁同步电机，数学模型［5］为

式中:id、iq为 d、q 轴电流;Lq、Ld为 d、q 轴电感;ud、uq为d、q轴电压;ωr为转子角速度;λ为感应磁通量幅值;r为定子绕组电阻值;p为极对数;Te为电磁转矩;Tm为机械转矩;F为定子与负载的摩擦因数;Jgen为发电机转动惯量。

发电机模型采用矢量控制，其主要模块如图3所示，包括dq-abc变换模块、基于bang-bang控制的电流调节器、角度变换模块和开关控制模块。

2.3 控制器模型

车载供电系统由一独立的控制器控制，该控制器根据整车的功率需求指令，协调发动机控制器和发电机控制器，实现转速与功率的解耦控制，可快速、稳定、准确地输出电功率，并使系统工作于最佳油耗区域。

为保护发动机并减少油耗，车载供电系统起动后高怠速运行一段时间，直至发动机水温达到一定阈值后，再输出需求功率。在关闭前，系统在低速低负荷状态下稳定运行一段时间，以延长发动机的使用寿命。

使用Matlab/Simulink软件对车载供电系统进行建模和仿真。基于Simulink/Stateflow设计系统的控制策略，控制器模型结构如图4所示。

仿真结果如图5和图6所示。可见在该控制策略下，转速始终跟随目标值，车载供电系统在起动和关机时均在低负荷下运行一段时间，而在正常工作时能够及时稳定地输出需求电功率。

2.4 燃油经济性仿真分析

以某B级车为平台开发插电串联式油电混合动力系统。根据表2中参数，采用Advisor软件进行燃油经济性仿真。以连续9个NEDC循环工况为路面负荷条件，初始SOC值为0.9，采用恒温器与功率跟随相结合的策略，在系统运行过程中，使SOC保持在0.4～0.6之间。9个NEDC循环工况、SOC值和车载供电系统的输出电功率如图7所示。

将消耗的电量折合成油耗后，整个工况车载供电系统的燃油经济性为100km油耗8.0L。

3 车载供电系统台架试验

为验证控制策略的功能和燃油经济性仿真的可靠性，进行车载供电系统台架试验。整个试验台架由车载供电系统、供油系统、冷却系统、电子负载和控制器组成。

试验结果如图8～图10所示。图8为车载供电系统输出功率与目标值的对比曲线，图9为转速与目标值的对比曲线。从图中可以看出，转速始终跟随目标值。在暖机后和卸载前的正常工作状态下，车载供电系统输出功率跟随目标值，超调量小于3kW，稳态误差小于1kW。

图10为车载供电系统连续运行9个NEDC循环工况需求输出功率与实际输出功率的曲线对比。车载供电系统从冷机状态开始持续运行，实测燃油经济性为100km油耗8.1L，与仿真计算值基本一致。与原车100km油耗10.5L的燃油经济性相比，应用车载供电系统的串联混合动力汽车可节油22.9%。

4 结论

(1)车载供电系统可以实现既定的各项功能:发电机快速起动发动机;实现工作模式切换;快速准确地输出需求电功率;具备一定的故障诊断和处理能力。

(2)应用此车载供电系统的串联混合动力汽车，在NEDC循环工况下整车燃油经济性可比原车提高22%以上。

［1］自動車マーケティンググループ.2010年版燃料電池自動車の現状と将来性［R］.総合技研株式会社，2010.

［2］程伟，税方，路华鹏.插电式串联混合动力汽车系统设计及仿真研究［J］.上海汽车，2009(12):8-11.

［3］Elbert Hendricks，Spencer C Sorenson.Mean Value Modelling of Spark Ignition Engines［C］.SAE Paper 900616.

［4］严明.汽油机平均值模型的建立及试验研究［D］.镇江:江苏大学，2009.

［5］Permanent Magnet Synchronous Machine，Matlab Help［G］.1984-2006 The MathWorks，Inc.