纯电动汽车驱动电机与电动附件的综合能量管理策略*

秦大同，陈淑江，胡明辉

(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)



2015226

纯电动汽车驱动电机与电动附件的综合能量管理策略*

秦大同，陈淑江，胡明辉

(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

针对动力电池在低SOC、低温等工作条件下输出功率较小，难以同时满足车辆动力性、安全性和舒适性的功率需求的问题，对动力电池的功率输出特性和电动附件对整车动力性的影响进行了研究。在此基础上，提出了一种综合考虑动力性、安全性和舒适性的纯电动汽车驱动电机和电动附件的能量管理策略。该策略以电池放电功率与驾驶员需求功率的关系为判断条件，将纯电动汽车能耗系统的工作状态分为正常、一级欠功率和二级欠功率3类，并针对能量管理较复杂的一级欠功率工作状态，提出了“特殊工况安全优先，非特殊工况协调控制”的解决方案。仿真结果表明，该能量管理策略在低SOC、低温等工作条件下既优先考虑了整车安全性又兼顾了动力性和舒适性。

电动汽车;综合能量管理;动力性;安全性;舒适性

前言

动力电池功率密度和能量密度低是制约纯电动汽车发展的主要因素。近年来，随着各国对纯电动汽车发展越来越重视，动力电池功率密度和能量密度均有所提高。以镍氢电池为例，目前其功率密度可达到160～230W/kg，能量密度可达到60～80W·h/kg[1]。按照上述数据，根据标准GBT 28382—2012匹配某纯电动汽车的动力电池能量为20kW·h，该动力电池可能的输出功率为40～76kW，而车辆动力性、安全性和舒适性的需求总功率为39kW。表面上即使动力电池输出功率为最低值40kW也可以满足功率要求，但是实际上动力电池在低SOC和低温等工作条件下输出功率有明显下降，难以同时满足车辆动力性、安全性和舒适性对功率的需求。考虑到成本和整车质量的因素，一般纯电动汽车匹配动力电池时只能保证常用温度范围和SOC范围内的输出功率满足要求。因此，动力电池在低SOC和低温等工作条件下的输出功率往往难以同时满足车辆动力性、安全性和舒适性对功率的需求。又由于有些特殊工况下的动力性和舒适性问题可能会转变成安全性问题，如起步、急加速、大坡道爬坡等动力性不足可能会导致起步过慢、超车失败、大坡道爬坡失败等安全隐患，直接影响整车安全性，本文中将这类特殊工况定义为动力性特殊工况；车内温度过高或过低会使驾驶员驾驶状态受到影响，成为安全隐患，间接影响整车安全性，本文中将这类特殊工况定义为舒适性特殊工况。所以，对综合考虑动力性、安全性和舒适性的纯电动汽车电动附件与驱动电机的能量管理策略进行综合研究是必要的。

目前针对纯电动汽车电动附件研究主要有两类：一类是只针对电动附件本身的研究，包含电动空调系统的匹配设计和控制策略研究[2-3]，电动助力转向系统动力学和控制策略研究[4-5]等；一类是考虑电动附件的整车参数匹配[6-7]。而对电动汽车电动附件和驱动电机的能量管理策略进行综合研究的文献较少。

本文中对动力电池的功率输出特性以及电动附件对整车动力性的影响进行了研究，在此基础上，提出了一种综合考虑动力性、安全性和舒适性的纯电动汽车电动附件和驱动电机的综合能量管理策略。仿真结果表明，该能量管理策略在低SOC和低温等工作条件下既能优先考虑整车安全性又能兼顾动力性和舒适性。

1 基础研究

1.1 动力电池的功率输出特性

动力电池在不同SOC、不同温度状态下，可以输出的最大功率不同，将动力电池最大输出功率随着SOC和温度变化的特性称为动力电池的功率输出特性，表示为

Pdis=f(SOC,θbat)

(1)

式中：Pdis为动力电池最大输出功率；SOC为动力电池荷电状态；θbat为动力电池温度。

动力电池的功率输出特性可以通过理论推导和试验两种方法获得，由于理论推导过于复杂且精度不高，所以一般采用试验的方法。图1为通过试验方法获得的镍氢电池组功率输出特性，其基本参数如表1所示。

参数数值额定电压/V240单体电压/V1.2总容量/(A·h)80总能量/(kW·h)20组合方式串联

本文以SOC为50%时的功率输出特性为基准，将输出功率大于其最大值的80%的区域定义为电池的常温区，将输出功率小于其最大值的80%的区域定义为电池的低温区或高温区，如图2所示。以电池温度为20℃时的功率输出特性为基准，将输出功率大于其最大值的80%的区域定义为正常SOC区，将输出功率小于其最大值的80%的区域定义为低SOC区，如图3所示。

由图1～图3可以看出，动力电池的SOC和温度对其输出功率的影响较大，特别是在低温、高温和低SOC状态时，动力电池的输出功率受到很大的限制。

1.2 电动附件对整车动力性能的影响

电动附件可以分为3类：(1)舒适性电动附件，如电动空调；(2)安全性电动附件，如电动助力转向、电动助力制动等行车电动附件；(3)其他电动附件，如车载收音机等，由于能耗较小，在综合能量管理策略中可暂不考虑。

因此，本文中只研究舒适性电动附件和安全性电动附件对整车动力性能的影响，也就是要对电动空调与行车电动附件均不开启、行车电动附件单独开启、电动空调单独开启和电动空调及行车电动附件均开启4种工况进行研究。

经过仿真计算，可以得到动力电池在上述4种工况的整车动力性能，如图4～图6所示。图4～图6中的图(a)为所有电池状态下的动力性能；图(b)为图(a)中温度为20℃时的截面；图(c)为图(a)中SOC为50%时的截面。其中，曲线1～4分别表示电动空调及行车电动附件均不开启、行车电动附件单独开启、电动空调单独开启和电动空调及行车电动附件均开启4种工况时的整车动力性能。另外，为了更清楚地观察4种工况的整车动力性能之间的差别，将0-50km/h加速时间和50-80km/h加速时间超过50s的以50s代替。

由图4～图6可见，动力电池的SOC和温度对整车动力性影响较大，特别是在低温、高温和低SOC状态时，由于动力电池的输出功率受到限制，导致整车动力性能严重下降。同时，在低温、高温和低SOC状态时，电动空调的开启对整车动力性的影响很大，行车电动附件的开启对整车动力性的影响相对较小。

2 电动附件与驱动电机能量管理策略

2.1 驾驶员需求功率的识别

驾驶员需求功率主要由3部分组成，计算公式为

Preq=Pm_req+Pa_req+Ps_req

(2)

式中：Preq为驾驶员总需求功率；Pm_req为驱动需求功率；Pa_req为舒适性电动附件(空调)需求功率；Ps_req为安全性电动附件需求功率。

(1) 驱动需求功率

本文中研究的重点是电动附件与驱动电机的能量管理，所以驾驶员驱动需求功率的识别选择较为简单的线性驱动控制策略，具体方法见文献[8]。

(2) 舒适性电动附件(空调)需求功率

对电动空调采用PID控制，电动空调需求功率计算模型如图7所示。

(3) 安全性电动附件需求功率

电动助力转向和电动助力制动等安全性电动附件对动力性能影响相对较小，但是对整车安全性影响较大。基于整车安全性的考虑，动力电池必须长期为安全性电动附件备有足够的可用功率，即安全性电动附件需求功率等于所有安全性电动附件的额定功率之和。

2.2 纯电动汽车能耗系统工作模式划分

根据动力电池最大放电功率与驾驶员需求功率的关系，可以将纯电动汽车能耗系统的工作状态分为正常、一级欠功率和二级欠功率3类，见表2。

表2 纯电动汽车能耗系统工作状态

正常和二级欠功率两种工作状态下，不存在动力性、安全性和舒适性综合考虑的问题，能量管理都比较简单，每种状态下只有一种工作模式，分别是正常模式和禁止模式。

一级欠功率状态下，动力性、安全性和舒适性的需求功率不能同时得到满足，能量管理较为复杂。针对此问题，提出了“特殊工况安全优先，非特殊工况协调控制”的解决方案，此处特殊工况是指前言中所述的动力性特殊工况和舒适性特殊工况。该方案应遵循5条原则：

(1) 安全性电动附件优先得到满足；

(2) 起步、急加速和大坡道爬坡等动力性特殊工况时必须优先满足动力性；

(3) 车内温度过高或过低等舒适性特殊工况时必须优先满足舒适性；

(4) 动力性的优先级高于舒适性。

(5) 动力性和舒适性均无优先权时，应协调控制。

根据以上原则，定义了6种优先工况，如表3所示。

表3 优先权状态识别

表3中：v为车速；α为加速踏板行程；θreal为车内温度。

根据“特殊工况安全优先，非特殊工况协调控制”的原则，以能耗部件的开启状态和优先权状态为判断条件，可以将一级欠功率状态下的工作模式划分为电机优先、空调优先、协调控制、电机单独工作和空调单独工作5种，如表4所示。

表4 一级欠功率状态下的工作模式划分

综上所述，纯电动汽车能耗系统共有7种工作模式：正常工作状态下的正常模式、一级欠功率状态下的5种工作模式和二级欠功率状态下的禁止模式。

2.3 能量管理策略

纯电动汽车电动附件与驱动电机能量管理策略针对前面所述的7种工作模式分别制定，具体如下。

(1) 正常模式下，驱动电机与电动附件的需求功率均能得到满足，功率分配算法为

Pm=Pm_req

(3)

Pa=Pa_req

(4)

Ps=Ps_req

(5)

式中：Pm为电机可用功率；Pa为空调可用功率；Ps为安全性电动附件可用功率。

(2) 电机优先工作模式下，要优先满足电机和安全性电动附件的需求功率，安全性电动附件的需求功率可按照式(5)计算，电机与空调的功率分配算法为

(6)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(7)

(3) 空调优先工作模式下，要优先满足空调和安全性电动附件的需求功率，安全性电动附件的需求功率可按照式(5)计算，电机与空调的功率分配算法为

(8)

Pm=Pdis-Pa-Ps_req

(9)

(4) 协调控制工作模式下，要优先满足空调和安全性电动附件的需求功率，安全性电动附件的需求功率可按照式(5)计算，电机与空调的功率分配须要遵循如下原则：车辆不能因为协调控制而减速，即要优先满足当前车速平路匀速行驶对电机的需求功率。

在进行电机与空调的功率分配之前，首先作如下定义。

定义1 总需求功率满足比K为

(10)

定义2 动力渴望度M为

M=α

(11)

定义3 空调渴望度N为

(12)

式中：θh为空调温度设置上限，一般取为30℃；θl为空调温度设置下限，一般取为16℃；θtar为目标温度。

定义4 空调需求功率满足比Ka为

(13)

空调需求功率满足比Ka的取值范围是[0,1]，若根据式(13)计算得到的值大于1，则将其值置为1；若小于0则将其值置为0。

根据上述定义，综合考虑电机与空调功率的分配原则，可以将协调控制工作模式下的功率分配分为以下4种情况。

①若Pdis-Ps_req-KaPa_req≥Pm_req，则可以对电机与空调功率进行如下分配：

Pm=Pm_req

(14)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(15)

②若Pm_req>Pdis-Ps_req-KaPa_req≥Pv，则可以对电机与空调功率进行如下分配：

Pa=KaPa_req

(16)

Pm=Pdis-Pa-Ps_req

(17)

式中：Pv为当前车速平路匀速行驶的需求功率，计算公式为

(18)式中：vcur为当前车速；m为整车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积；ηT为传动系统效率。

③若KaPa_req+Pv>Pdis-Ps_req>Pv，则可以对电机与空调功率进行如下分配：

Pm=min(Pv,Pm_req)

(19)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(20)

④若Pv>Pdis-Ps_req>0，则可以对电机与空调功率进行如下分配：

Pm=min(Pm_req,(Pdis-Ps_req))

(21)

Pa=Pdis-Pm-Ps_req

(22)

(5) 电机单独工作模式下，按照式(5)和式(6)为安全性电动附件与电机分配功率。

(6) 空调单独工作模式下，按照式(5)和式(8)为安全性电动附件与空调分配功率。

(7) 禁止模式下，只允许安全性电动附件工作。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了纯电动汽车电机驱动系统与电动附件系统综合仿真模型，如图8所示，其中车室温度场模型参照文献[9]和文献[10]，电池温度场模型参照文献[11]。

在所搭建的仿真模型上对纯电动汽车电动附件与驱动电机能量管理策略进行了低SOC和低温条件下的仿真研究。仿真车辆的电动附件状态为：空调开启，安全性电动附件开启；仿真车辆的运行工况为NEDC循环工况；环境温度为0℃，动力电池初始温度为0℃，车内初始温度为0℃，空调设置温度为25℃。仿真结果如图9所示。仿真中的主要整车参数如表5所示。图9(a)中实线为目标车速，虚线为实际车速；图9(b)中实线为空调目标温度，虚线为空调实际温度；图9(d)中实线为整车需求功率，虚线为动力电池最大放电功率；图9(f)中实线为电机需求功率，虚线为电机实际功率；图9(g)中实线为空调需求功率，虚线为空调实际功率。

由图9(d)可以看出，低SOC和低温条件下动力电池能够输出的功率较小，在跟踪NEDC循环工况的过程中多次出现需求功率不足的情况。

结合图9(b)～图9(e)可以看出，动力电池最大放电功率大于需求功率时，纯电动汽车处于正常模式，即工作模式1；动力电池最大放电功率小于需求功率，且加速踏板行程和车速没有满足电机优先条件、车内温度没有满足空调优先条件时，纯电动汽车处于协调控制工作模式，即工作模式4；动力电池最大放电功率小于需求功率，且加速踏板行程和车速满足电机优先条件时，纯电动汽车处于电机优先工作模式，即工作模式2。

表5 整车主要参数

结合图9(e)～图9(g)可以看出，纯电动汽车处于电机优先工作模式时，属于动力性特殊工况，分配给空调的功率为0，所有的功率均用于满足安全性电动附件和电机，优先考虑了整车安全性，实现了“特殊工况安全优先”的控制策略；纯电动汽车处于协调控制工作模式时，属于非特殊工况，安全性电动附件需求功率首先得到满足，剩余功率则根据动力渴望度与空调渴望度进行协调分配，在优先考虑整车安全性的前提下兼顾了动力性与舒适性，实现了“非特殊工况协调控制”的控制策略。

4 结论

(1) 通过对动力电池的功率输出特性和电动附件对整车动力性的影响规律的研究发现，低温、高温和低SOC状态时，动力电池的输出功率受到很大限制，此时电动附件的开启对整车动力性有较大影响。

(2) 提出了一种综合考虑动力性、安全性和舒适性的纯电动汽车电动附件与驱动电机能量管理策略。该策略将纯电动汽车能耗系统的工作状态分为正常、一级欠功率和二级欠功率3类，并针对能量管理较复杂的一级欠功率工作状态，提出了“特殊工况安全优先，非特殊工况协调控制”的解决方案。

(3) 仿真结果表明，该能量管理策略能够在低温和低SOC等恶劣工作环境下优先考虑整车安全性并兼顾动力性和舒适性，实现了“特殊工况安全优先，非特殊工况协调控制”。

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A Comprehensive Energy Management Strategy for Drive Motor andElectrical Accessories in Battery Electric Vehicles

Qin Datong, Chen Shujiang & Hu Minghui

ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400044

Aiming at the difficulty in concurrently meeting the power requirements of vehicle safety, comfort and power performances due to the low output power of power battery in low SOC / low temperature working condition, the influences of the power output characteristics of power battery and electrical accessories on the power performance of vehicles is studied. Based on this, an energy management strategy for the drive motor and electrical accessories is proposed with concurrent consideration of power, safety and comfort performances of battery electric vehicle (BEV). With the relation between the discharge power of battery and the desired power of driver as judging condition, the strategy divides the working states of the energy consuming system of BEV into three categories (normal, 1st level power inadequacy and 2nd level power inadequacy) and a solving scheme of “giving priority to safety in special condition while adopting coordinated control in non-special condition” is proposed for the working state of 1st level power inadequacy, a more complicated one in energy management. The results of simulation show that the energy management strategy proposed can not only gives priority to vehicle safety but also balances power and comfort performances in low SOC / low temperature condition.

electric vehicles; comprehensive energy management; power performance; safety; comfort

*国家863计划项目(2008AA11A145)和重庆市自然科学基金重点项目(2011BA3019)资助。

原稿收到日期为2013年9月6日，修改稿收到日期为2014年5月30日。