插电式混合动力车型控制策略优化

杨河洲，王志红,2a,2b，张　飞,2a,2b，赵红宇



插电式混合动力车型控制策略优化

杨河洲1，王志红1,2a,2b，张飞1,2a,2b，赵红宇1

(1.郑州日产汽车有限公司，河南 郑州 450016；2.武汉理工大学 a.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；b.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

摘要：控制策略对整车燃油经济性起着重要作用，以某辆插电式混合动力汽车(PHEV)为研究对象，对原有的二阶段(CD-CS)控制策略进行了研究。针对该策略存在的问题，进行了控制策略优化设计，并制定了四阶段控制策略。通过仿真软件GT-drive建立整车动力模型并进行仿真分析，结果表明：在行驶里程已知的情况下，四阶段控制策略能够使得荷电状态(SOC)长时间保持在高效区，相比CD-CS控制策略更加节油，每100 km油耗减少了8.2%。实车验证结果表明：优化后的四阶段控制策略同样适用于实车运行。

关键词：插电式混合动力汽车；二阶段控制策略；四阶段控制策略；GT-drive软件

0引言

由于插电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)存在两种以上的动力源和多种工作模式，且各个动力源之间又存在复杂的耦合模式，所以必须根据不同的工况对电机和发动机进行合理的能量分配，以达到车辆最佳的动力性能、燃油经济性和排放性能[1-3]。目前，控制策略分为规则控制策略和最优控制策略。规则控制策略因其控制简单，可以很好地嵌入系统而被广泛应用。最优控制策略主要注重于优化建模与求解[4]。

在传统混合动力汽车确定性规则控制策略中，文献[5]按电池荷电状态(state of charge,SOC)划分工作区域，在各个工作区域内，分别控制发动机和电机，使其工作点处于最佳工作曲线上。文献[6]基于功率跟随策略将整车划分为9个工作模式，根据当前需求功率、SOC值、车速和负荷等参数来选择合适的车辆工作模式。文献[7]以SOC值为目标，通过设定上下限值，实现发动机单独启动、发动机工作且为电池充电、发动机和电机共同驱动车辆等模式。文献[8]以加速踏板位移和SOC值为变量，制定了串联式混合动力汽车功率跟随控制策略。

插电式混合动力汽车确定性规则控制策略，主要由电量消耗和电量维持两种模式组成[9]。文献[10]提出的插电式混合动力汽车的控制策略采用发动机作为主要动力源，利用电动机和电池进行功率调节，当发动机不能提供所需功率时，电机通过提供剩余功率使系统满足动力性需求。

虽然二阶段控制策略即电量消耗-电量维持(charge depleting-charge sustaining,CD-CS)控制策略，可以很好地实现整车的控制，但无法保证SOC值长时间处于高效区域。本文对插电式混合动力汽车控制策略进行了研究，在CD-CS控制策略的基础上进行了优化设计，可提高整车的燃油经济性。

1CD-CS控制策略

本文研究的插电式混合动力汽车，采用的是目前插电式混合动力汽车常用的并联式混合动力系统，即传统的发动机驱动系统和电机驱动系统。车辆驱动力由发动机和电机供给。小负荷时由电池驱动电动机，单独驱动车轮；当车辆处于加速，大负荷时，发动机联合电动机共同驱动车轮。在行驶过程中发动机可根据情况向蓄电池充电，制动时电动机也可转换为发电机实施制动能量回收。

整车有3种运行模式：纯电动(electric vehicle，EV)模式、混合动力(hybrid electric vehicle,HEV)模式和制动模式。在HEV模式中根据电机的作用又可分为辅助模式和发电模式。

图1　CD-CS控制策略

原车基于规则控制策略，以SOC值和需求转矩为参考值，制定了CD-CS控制策略，该策略由电量消耗和电量维持两个阶段组成，如图1所示。

车辆充电完毕以较高SOC值启动，当需求转矩小于电机最大转矩时，车辆优先工作在纯电动模式，依靠动力电池提供的能量行驶，虽然制动再生的能量会使得SOC值不断波动，但SOC值总体呈下降趋势，该阶段属于电量消耗(charge depleting,CD)阶段；当动力电池SOC值下降到0.25，为了避免SOC值继续下降至危险区域，车辆进入HEV模式，发动机在提供驱动力的同时，给动力电池充电，使得SOC值维持在一定范围内，该阶段属于电量维持(charge sustaining,CS)阶段。

原车制定的CD-CS控制策略主要利用电池电能，尽可能使车辆处于纯电动模式行驶，电机提供大部分能量，发动机在整个工况中仅在少数情况下启动。然而CD-CS控制策略也存在弊端，当实际行驶里程大于纯电动里程时，车辆很早地进入CS阶段，动力电池长时间处于低SOC值状态。磷酸铁锂电池充放电效率会随着SOC值的下降而下降，长时间工作在过低SOC值，会大大影响电池寿命。

2四阶段控制策略

针对CD-CS控制策略存在的弊端，对四阶段(four-state)控制策略进行了研究。四阶段控制策略是在CD-CS策略的基础上进行的改进，目的是保证车辆在行驶里程内，动力电池长时间处于高效区域并且在行程结束时SOC值处于低值下限，尽可能地利用电能。

图2　四阶段控制策略

图2为四阶段控制策略。四阶段控制策略由4个阶段组成：CD1、CS1、CD2、CS2。与原车CD-CS控制策略相比，增加了1个CD-CS阶段。

车辆同样以高SOC值启动，优先进入纯电动模式行驶，此时为CD1阶段，电量不断消耗，SOC值降至SOClow1。进入CS1阶段，电量维持在SOClow1与SOChigh1之间，动力电池保持在高效充放电状态。当车辆运行至Tshift时，系统检测到车辆可以靠当前电量以纯电动模式跑完剩下行程时，车辆进入CD2阶段。在CD2阶段之后预留1个CS2阶段，当实际里程大于预估里程时，车辆保证行驶结束时SOC值尽可能低。

在行驶工况已知的情况下，确定CS1至CD2的切换点Tshift是四阶段控制策略研究的重点。系统需要根据当前行驶工况对纯电动续驶里程进行计算。目前对纯电动续驶里程的研究多数是根据能量守恒原则，即车辆能量源输出的能量与行驶消耗的能量相等，从而对续驶里程进行估算[11]。

所选择的电池模型中电池电压随SOC值线性下降，电池的剩余能量为：

(1)

Q=△SOC×C，

(2)

其中：Wb为电池的剩余能量，kWh；Vt为t时刻电池电压，V；Vd为终止时刻电池电压，V；Q为t时刻剩余电量，Ah；C为电池额定容量，Ah；△SOC为从t时刻开始至行程结束SOC变化量。

由汽车行驶理论可知，行驶的车辆消耗功率P为：

(3)

其中：G为汽车重力，N；va为车速，km/h；f为摩擦因数；i为坡度因数；A为迎风面积，m2；CD为空气阻力因数；∂为汽车质量换算因数。

所研究的四阶段控制策略是建立在行驶工况已知的情况下，以1个新的欧洲循环工况(new European driving cycle，NEDC)为例，车辆循环工况需求功率见图3。由图3可知在1个工作循环内，任意时刻车辆所需要的瞬时功率P。

图3　车辆循环工况需求功率图

车辆从t1时刻～t2时刻所需要的能量Wv可以通过对该时间段的功率进行积分得到：

(4)

其中：t为时间，s；Wv为电池在一定时间段消耗的能量，kWh。

利用车辆能量源输出的能量与行驶消耗的能量相等的原则，建立等式：

Wb=Wv。

(5)

为了更好地利用电能，控制策略尽可能地使得行程结束时，电量低至最低限值，因此在计算Tshift时，t2根据循环工况得到，t1即为Tshift。

3仿真分析

图4　　　　CD-CS控制策略与四阶段控制策略　　　荷电状态变化图

为了更好地比较CD-CS控制策略与四阶段控制策略对燃油经济性的影响，利用仿真软件GT-drive建立整车仿真模型。

图4为CD-CS控制策略与四阶段控制策略的SOC变化图。由图4可知：在不同的控制策略下SOC值以不同的趋势变化，当行驶里程大于纯电动行驶里程时，CD-CS控制策略下，动力电池长时间处于SOC值过低状态，而四阶段控制策略中动力电池在行驶的中间过程，SOC处于较高值状态。将两者20个NEDC循环的油耗进行对比可知：在四阶段控制策略下，燃油经济性得到一定提高，每100 km油耗相较CD-CS控制策略，减少了8.2%。

4样车试验

仿真结果表明：制定的四阶段控制策略具有良好的燃油经济性，但样车实际工作情况是否和仿真结果吻合，所制定的控制策略能否为样车的开发提供理论依据，这些都需要进行实车的验证。由于目前仅为初期阶段的研究，样车为性能样车，因此，实车的验证仅仅在轮毂试验台上进行燃油经济性测定。

参照GB/T 19233—2008《轻型汽车燃油消耗量试验方法》[12]进行试验，试验车辆应行驶3 000～15 000 km。试验前，车辆置于温度为20～30 ℃的室内进行处理，处理期至少为6 h，直到发动机的轮滑油和冷却液温度达到室温的±2 K范围内。试验过程中，按照试验循环工况设置换挡、加速和制动等程序，尽可能地与实际工况相吻合。

燃油消耗试验工况如图5所示。1个完整的循环工况历时1 184 s，由4个市区运行循环和1个市郊运行循环组成。市区循环工况总行程11 km，最高车速50 km/h，平均车速19 km/h，适用于市区内的车辆行驶情况。市郊工况每个循环为400 s，最高车速120 km/h，平均车速63 km/h。

图5　燃油消耗试验工况图

在排气取样方法上，采用的是1978年欧洲经济委员会采用的定容取样法。这是一种接近于汽车排气扩散到大气中实际状态的取样方法，又称为变稀薄度取样法。它是将排气与稀释气体相混合，再以固定不变的容积流量输入分析系统，用以测定排气成分的真实溶度。

为了与仿真结果更好地进行比较，底盘测功机油耗试验同样采用20个循环。在CD-CS控制策略下，样车测试结果为每100 km耗油6.22 L。在四阶段控制策略下，样车测试结果每100 km耗油5.80 L。

5结束语

在行驶工况已知的情况下，制定的四阶段控制策略比原有的CD-CS控制策略节油8.2%。制定的四阶段控制策略同样适用于实车运行，实现了良好的燃油经济性，可为后续的开发提供理论基础。车辆在实际运行过程中，行驶工况往往是未知的，如何将四阶段控制策略与未知路况联系起来是接下来的研究方向。

参考文献：

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[12]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车燃油消耗量试验方法:GB/T 19233—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

基金项目：河南省重大专项基金项目(151100210200)

作者简介：杨河洲(1970-),男,河南温县人,高级工程师,硕士,硕士生导师,主要研究方向为整车设计与集成.

收稿日期：2016-03-14

文章编号：1672-6871(2016)05-0025-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.006

中图分类号：U469.72

文献标志码：A