增程式电动环卫车能量管理策略仿真研究*

解少博刘玺斌王佳魏朗

（1.陕西汽车集团有限责任公司；2长安大学）

增程式电动环卫车能量管理策略仿真研究*

解少博1,2刘玺斌1王佳1魏朗2

（1.陕西汽车集团有限责任公司；2长安大学）

基于Matlab/Simulink搭建了增程式电动环卫车正向仿真模型，在我国典型城市公交工况下，对增程器的开关模式、持续运行模式、恒定功率输出模式和功率随动输出模式等4种能量管理策略进行100 km的连续仿真，结果表明，增程器开关模式和持续运行模式均可使电池组SOC维持在合理的区间，但恒定功率输出模式比功率随动输出模式的等效百公里油耗小，最小为29.13 L；设置较小的增程器输出功率能够使电池SOC变化平稳，避免电池组的频繁充、放电现象。

1 前言

由于纯电动汽车的电池能量密度小，无法满足较长续驶里程的要求，因而限制了市场对其接受程度，为此，能有效延长续驶里程的增程式电动汽车得到了越来越多的研究[1～5]。增程式电动汽车由于配置了可外接充电的动力电池，能够像纯电动汽车一样在市区内以纯电动模式行驶，而在需要较大续驶里程时，可使电池组荷电状态降至一定限度进入增程模式，利用发动机-发电机组成的增程器为车辆提供能量，同时还可为电池组辅助充电，达到延长续驶里程的目的。

增程式电动汽车通常包含电池组的电量消耗和电量维持2个阶段[6]，因此，增程式电动汽车存在多种能量管理方式。本文针对一款正在研发的增程式电动环卫车，分别对其4种能量管理策略进行了仿真，并分析其各自特点，为整车控制策略的制定提供参考。

2 增程式电动环卫车系统建模

该增程式电动环卫车为后轮驱动，其总长×总宽×总高为7830mm×2470mm×2760mm，整备质量为10 800 kg，总质量为16 000 kg，主减速器减速比为6.733，轮胎半径为507 mm，其拓扑结构如图1所示。工作时，驱动电机通过主减速器将动力传递给驱动轮；发动机与ISG电机组成的增程器与动力电池串接在直流母线上，给驱动电机提供功率，同时为动力电池充电。

2.1 驱动电机模型

驱动电机为永磁磁阻电机，额定转速为800r/min，最高转速为3 000 r/min，在电动和发电状态下的扭矩和功率外特性见图2，其额定功率最大可达100 kW，峰值功率最大可达200 kW，对应的扭矩分别为1 250 N·m和2 500 N·m。驱动电机的效率特性如图3所示，效率大于85%的工作区域占整个工作区域的80%以上。

2.2 增程器模型

增程器由发动机和发电机构成，其控制方式选择为功率控制方式，即根据整车控制策略计算增程器的发电功率需求，通过CAN总线发送给增程器控制器，增程器控制器根据接收到的目标功率进行目标转速和扭矩的解析并分别控制发动机和发电机。发动机选择排量为2.776 L的柴油机，其额定功率为96 kW，最大扭矩为360 N·m，最低燃油消耗率为210 g/kW·h，其油耗特性如图4所示。

对于发动机的动态响应特性，将其对目标转速的响应视为一阶环节[7]，即

式中，ne为发动机的实际响应转速；nt为增程器控制器发送给发动机ECU的目标转速；s为拉氏算子；τ和a为系统常数，仿真中分别取为0.1和1。

发电机为永磁磁阻电机，额定转速和峰值转速分别为2000r/min和3000r/min，额定功率和峰值功率分别为60kW和90kW，其发电效率特性如图5所示。

2.3 电池组模型

动力电池组由168组电压为3.2 V的磷酸铁锂电池单体串联而成，其标称容量为180 Ah，最大充放电倍率分别为1C和3C。仿真中将电池单体视为一个开路电压和等效内阻构成的等效电路，即Rint模型。

3 仿真和分析

3.1 能量管理策略

增程式电动汽车行驶过程中分为纯电动模式和增程模式。当动力电池组的SOC高于0.35时，车辆工作在纯电动模式；当电池组的SOC低于0.25时增程器开启进入增程模式。在该环卫车处于增程模式时，增程器的工作状态可分为开关模式和连续工作模式；当增程器工作时，其功率输出方式分为功率恒定输出和功率随动输出2种模式，即增程器的工作模式和功率输出方式可分为4种能量管理策略，见表1。

表1 增程式电动环卫车能量管理策略

在软件Matlab/Simulink中搭建整车正向仿真模型，在模块Simulink/Stateflow中实现增程器的启停控制。同时考虑了行驶过程中的制动能量回收，当制动踏板在0～25%开度区间时，电机制动力按照线性规律变化，开度大于25%时电机制动力达到最大值。制动过程中，电机最大力矩的确定根据电池组最大充电电流和驱动电机发电能力来确定，经计算最大力矩值取为420 N·m。

考虑到环卫车经常在市区内行驶，所以仿真过程基于我国典型城市公交工况进行[8]，并且利用约100 km的连续循环工况来模拟真实的行驶过程。

3.2 仿真结果与分析

动力电池的初始SOC设为0.5，仿真持续时间约为2.23×104s。

3.2.1 能量管理策略一

在策略一中，环卫车增程器工作在开关模式并且恒定地输出功率，得到的仿真结果如图6～图10所示。由图6可看出，由于驾驶员模型在行驶过程中不断调整油门踏板和制动踏板开度，所以很好地跟踪了设定的城市工况；由图7可看出，在前0.56×104s，环卫车运行在纯电动模式，直到SOC首次降至设定的下限值0.25时进入增程模式；增程器恒定地输出40kW的功率，发动机工作在转速为1 700 r/min、扭矩为250 N·m的工作点，整个过程中增程器开关5次，功率变化如图8所示；电池组的充放电电流在-190～200 A内变化，如图9所示；行驶过程中发动机的燃油消耗如图10所示，行驶结束共消耗燃油22.74 L，电池组SOC由0.5变为0.31。将消耗的电池组电能折算为增程器的柴油消耗得到增程式电动环卫车等效百公里燃油消耗为29.13 L。

3.2.2 能量管理策略二

在策略二中，增程器工作在开关模式，但输出功率随行驶工况的需求不断变化。为了避免发动机的频繁起停并考虑到城市工况的平均功率，设置增程器的最小功率为20kW，最大功率为40kW，并且发动机沿最低燃油消耗曲线工作。图11～图16为能量管理策略二的仿真结果。由图11可看出，驾驶员模型对工况的跟随较好；由图12可看出，车辆在前0.56×104s运行在纯电动模式，此后进入增程模式，并且增程器的输出功率跟踪了工况需求功率，整个行驶过程中增程器开关3次（图13）；从图14可看出，电池组的充放电电流在-150～200A内变化；发动机的油耗曲线见图15。循环结束时，电池组SOC由0.5变为0.27，燃油消耗量为22.50L，发动机工作区域如图16所示，车辆在整个循环中的等效百公里燃油消耗为30.25L。

3.2.3 能量管理策略三

在策略三中，增程器持续地输出恒定功率，为了充分使用动力电池的电能并维持电池组荷电状态，增程器功率设置为18kW，发动机转速为1400r/min，扭矩为150 N·m，对应的比油耗为215 g/（kW·h）。图17～图21为能量管理策略三的仿真结果。由图17可看出，驾驶员模型对工况跟随较好；由图18可看出，在0.56×104s时车辆由纯电动模式进入增程模式并持续工作直到循环结束；电池组充、放电电流在-150～180 A内变化，见图20；发动机燃油消耗曲线如图21所示。循环结束时，发动机燃油消耗为21.78 L，电池组SOC变为0.27，由此计算得到的环卫车等效百公里油耗为29.53 L。

3.2.4 能量管理策略四

在策略四中，考虑到增程器工作在持续模式，为了尽可能利用电池组的电能从而使SOC维持在合理水平，同时考虑适当提高发动机的负荷以提高燃油经济性，设置增程器输出功率的上、下限分别为20 kW和25 kW，并且发动机沿最低燃油消耗曲线工作。

图22～图27为能量管理策略四的仿真结果。由图22可看出，该仿真过程中驾驶员模型能够较好地跟随工况；由于电池组初始SOC为0.5，同前3种控制策略一样，在0.56×104s时环卫车由纯电动模式进入增程模式，SOC变化过程如图23所示，可看出设置的增程器输出功率除了满足工况需求的功率外，还有部分给电池组进行充电，电池组SOC在进入增程模式后不断提高；增程器输出功率的变化如图24所示；电池组充、放电电流的变化范围为-150～200 A，见图25；燃油消耗曲线在整个行驶过程中不断上升，如图26所示；发动机的工作区域如图27所示。在循环结束时，SOC变为0.40，燃油消耗量为26.45 L，等效的百公里燃油消耗为29.82 L。

从油耗角度对比4种能量管理策略可知，策略一和策略三因发动机在最低油耗点附近工作，燃油消耗分别小于功率随动模式下的策略二和策略四；定量比较4种能量管理策略的燃油消耗可知，在策略一中，增程器工作在开关—恒功率输出模式，整车的等效百公里油耗最小，为29.13 L；在策略三中，尽管增程器工作在恒功率输出模式，但发动机负荷率较小，工作点的比油耗相对稍高一些，致使其等效百公里油耗比策略一有所提高。

从电池组SOC的变化角度来看，增程器输出功率设置较大时（如策略一），电池组SOC的增长率较迅速，增程器除满足工况的功率需求还能给电池进行充电；而当增程器输出功率较小时（如策略三），能够使电池组SOC较为平稳地变化，从而避免电池组的频繁充放电并达到延长使用寿命的目的。

4 结束语

在软件Matlab/Simulink中搭建了增程式电动环卫车正向仿真模型，基于我国典型城市公交工况，分别对增程器开关模式、持续工作模式、增程器功率恒定输出和功率随动输出4种能量管理策略进行了仿真。增程器在恒功率输出模式下发动机可以在油耗较低的工作点附近运行，燃油消耗率分别小于功率随动模式时的油耗，其中增程器开关—功率恒定输出策略下的等效百公里油耗最小，可达到29.13 L。设置较小的增程器输出功率，能够使电池组SOC较为平稳地变化，从而避免电池组的频繁充放电现象，有利于延长其使用寿命。

1陈汉玉，左承基，滕勤，等.增程式电动轿车动力系统的参数匹配及试验研究.农业工程学报，2011，27（12）: 69～73.

2周苏，牛继高，陈凤祥，等.增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究.汽车工程，2011，33（11）:924～929.

3李献菁，孙永正，邓俊，等.插电式串联混合动力汽车发动机起停控制策略的优化.汽车工程，2011，33（2）: 112～117.

4吴晓刚，卢兰光.插电式串联混合动力汽车的系统匹配与仿真.汽车工程，2013，35（7）:573～618.

5胡明寅，杨福源，欧阳名高，等.增程式电动车分布式控制系统的研究.汽车工程，2012，34（2）:197～202.

6Rousseau A，Pagerit S，Gao D.Plug-in hybrid electric control strategy parameter optimization.23rd International Electric Vehicle Symposium，EVS23，2007.

7Wu Xiaogang，Lu Languang.Comparsion of two APU configurations for series HEV.Journal of University of Science and Technology of China，42（10）:820～827，2012.

8中国汽车技术研究中心.QC/T759—2006汽车试验用城市运转循环.中华人民共和国行业标准，2006.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2013年12月17日。

Simulation and Research of Energy Management Strategy for A Range-extended Electric Sanitation Truck

Xie Shaobo1，2，Liu Xibin1，Wang Jia1，Wei Lang2
（1.Shaanxi Automobile Group;2.Chang′an University）

Based on Matlab/Simulink，the forward simulation model is conducted for a range-extended electric sanitation truck.Four energy management strategies of range-extender，including switching mode，continuous operating mode，constant power output mode and power servo output mode are simulated continuously for 100 km in typical urban public transport conditions.The results show that both the switching mode and the continuous operating mode can make the battery SOC work on a reasonable interval;but the constant power output mode has less fuel consumption than the power servo output mode with the minimum of 29.13 L.In addition，setting low output power of the range-extender can keep the state-of-charge of battery pack vary stably and avoid the frequent switch between the charge and discharge.

Range-extended sanitation truck,Energy management strategy,Simulation

增程式电动环卫车能量管理策略仿真

U469.72

A

1000-3703（2014）07-0048-06

国家高技术研究发展计划项目（2012AA111106）。