并联式混合动力整车控制策略研究

梁 建 伟

(石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081)

并联式混合动力整车控制策略研究

梁 建 伟

(石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081)

以ISG并联式混合动力汽车为主要研究对象，以整车经济性为优化目标，依托发动机的油耗率分布曲线，以电池的充放电内阻曲线为参照，根据工况状态对混合动力系统的参数和控制策略参数进行了优化.从发动机运行状态、电机工作区域、电池优化工作区间三方面分析了并联式混合动力汽车的整车控制策略.

混合动力汽车；并联式；控制策略；优化

并联式混合动力汽车燃油的经济性和排放性是由单个子系统的优化设计和多个系统的协调共同决定的.并联式混合动力整车控制策略决定了混合动力的能量分配方式，协调发动机、电机、动力电池和机电耦合装置的共同工作,是混合动力系统的控制中枢[1].

1 混合动力系统构成

整车控制策略要有利于实现整车各系统之间的协调控制，使车辆的动力性能在约束条件下达得最佳，并获得燃油的经济性.本文研究的对象为“勇士”并联式混合动力汽车，其系统组成如图1所示.

图1 混合动力系统的构成

1.1 柴油机及其控制系统

柴油机作为关键的动力源，其油耗特性直接关系到系统的能耗.其控制系统除了要响应整车控制策略的要求外，还需要对其本身进行优化控制.柴油机控制系统是一个开放的系统，可进行二次开发，它运用的是转矩控制策略.转矩控制策略除能对柴油机的控制更为精确、灵活外，还要能与整车转矩分配策略很好地衔接.本系统采用北汽福田开发的4JB1型电控高压共轨柴油机，其特性参数为：最大功率87 kW，最大转矩269 N·m，最大功率燃油消耗率小于250 g/kW·h，全负荷最低燃油消耗率小于220 g/kW·h.

1.2 电动/发电机及其控制系统

电动/发电机作为唯一的电驱动元件，不但要具有高效、控制灵活、响应迅速的特点，同时也要能提供足够大的转矩和功率，且能对系统的波动和工况响应产生良好的补偿作用.这对混合动力整车控制策略本身和进一步研究特征区域优化都有极其重要的意义.系统选用的电机参数如下：额定功率14 kW，峰值功率22 kW，最大工作转速大于4000 r/min，发电持续功率12 kW，峰值18 kW.

1.3 储能系统

系统的电能调节装置是动态功率补偿和能量管理优化的关键，同时也决定了纯电动静音续驶里程.电池SOC(state of charge，荷电状态)作为整车控制逻辑的一个重要参数，对工况策略切换和能量流向都起关键作用.系统选用镍氢动力电池组，母线额定电压336 V，最低280 V；电池模块数量280，动力电池组输出峰值功率至少为20 kW.为满足纯电动静音续驶里程10 km的要求，选用电池的容量为8 Ah.

2 整车控制策略

提出控制策略的主要目的是获得整车最佳燃油经济性和排放性.需要通过对发动机系统需求转矩和电池目标SOC的优化，将发动机控制在高效区，并使电池的荷电状态保持在一定的范围内.从效率角度看，整车控制策略就是要在并联式混合动力系统运行的过程中，使从动力源的能量到车辆动能的转换效率最大.

根据发动机燃油经济性、对工况的敏感性以及电池SOC对应内阻的效率特性，整车控制策略包括发动机最佳工况区控制、电池SOC控制和电机高效工作区控制[2].

2.1 发动机运行状态

控制发动机的运行工况和特定工况点的运行状态是整车控制策略的关键.工况点的不同直接决定了发动机工作效率的不同，也决定了整车的能量效率.根据发动机工作区域的不同，可以把工况点的控制方式分为最优工作点控制、最优工作线控制和最优工作区域控制[3].

2.1.1 最优工作点控制

最优工作点控制又称为发动机最佳燃油消耗点控制或Thermostat控制.采用这种方法可确定发动机燃油消耗率的最低点.当通过电池SOC和整车状态判断发动机满足起动条件后，发动机起动，并始终工作在这个稳态的工况点上.

2.1.2 最优工作线控制

基于发动机的万有特性曲线，在发动机油耗率等高线上，通过拟合，可以得到发动机燃油消耗率以转速和转矩为变量的函数曲线，而这比单纯把各个转速下发动机最佳燃油消耗点连接在一起得到的曲线更加平滑，且在发动机工况变动时，状态切换更加流畅.采用最低燃油消耗率曲线的方法，可根据系统的转矩需求控制发动机运转在最佳燃油消耗率曲线上；同时可调整电机转矩，使系统转矩耦合后满足整车动力需求，并保持电池SOC在正常水平.

2.1.3 最优工作区域控制

最优工作区域控制策略能将发动机工作点控制在一定的区域内.该区域有两个转矩限值确定，即转矩下限Torque_LowTarget_C和转矩上限Torque_HighTarget_C.当发动机工况偏离出这个区域，但仍满足发动机运行条件时，控制策略将控制发动机进入区域，并通过电机进行转矩补偿，即当发动机的系统需求转矩低于Torque_LowTarget_C时，多余的转矩由发电机转换为电能；当需求转矩高于Torque_HighTarget_C时，优先为电机提供驱动转矩；电机能力不足或SOC过低时，要进一步提高发动机的输出转矩.

2.1.4 三种控制方式比较

这三种控制方式各有优劣，具体情况如表1所示.

表1中，Te为发动机输出转矩，单位为N·m;Te-opt为发动机设定点输出转矩，单位N·m；Topt为系统为发动机设定的转矩，单位为N·m；ne为发动机转速，单位为r/min；nopt为设定点转速，单位为r/min；Treq为系统需求转矩，单位为N·m；Tm为电机转矩，单位为N·m.

表1 不同发动机工况点控制方式对比

2.2 电机工作区域

电机受自身功率特性限制，其工况也被限制在一定的区域内，系统匹配过程主要考虑两方面的因素.

2.2.1 电机效率

电机效率通常是指由电能转换为机械能的效率，即用电机输出做功功率除以直流端电流功率.而对于ISG(Integrated starter and generator)电机来说，其发电效率云图和电机做功云图基本上与电流零线对称.虽然电机效率远大于发动机效率，但其效率较低区域仍需要在转矩匹配策略中考虑.保持直流端电压为310 V试验测定电机效率的分布如图2所示，在低转速、高电流区域，电机效率仅为65%，此时如需要纯电运行模式或发动机起动，电机的高转矩运转状态就不可避免，所以，避免发动机频繁起停，从电机工作效率角度看有节能环保意义.在混合驱动模式下，主要工作转速区域为1000～2000 r/min，电机的效率为80%～90%，且变化不大.在混合驱动模式下进行能量匹配时，可以忽略电机效率带来的影响.

2.2.2 电机转矩输出能力

电机转矩输出能力限制指要保证系统匹配的电机补偿目标转矩和再生制动目标转矩在电机的工作能力范围内.电压310 V的电机转矩分布情况如图3所示.

图2 电压310 V电机效率分布

图3 电压310 V电机转矩分布

由图3可知，电机输出转矩范围和再生转矩范围对称分布.转矩在-20 N·m～20 N·m的数据部分在试验中没有测定.在能量匹配过程中，要保证电机工作在转矩需要的范围内.

2.3 电池优化工作区间

图4为镍氢电池组的充放电内阻与电池电荷状态的关系.可以看出，电池的内阻与其SOC值有直接关系.由于内阻的存在，在电池组成的闭环系统中，充放电过程中有部分能量消耗在内阻上，所以提高电池在充放电过程中的有效输出能量效率，电池的工作区间就应选择在低内阻区间，即电池应工作的SOC值在图4中标识的工作区范围内.DOD(Depth of Discharge，放电深度)与电池寿命曲线见图5.

电池荷电状态

图5 DOD与电池寿命曲线

如果电池DOD接近100%， 那么理论上电池的寿命仅为几百次的充放电循环.而通常DOD可以认为是用1减去SOC的值.从电池寿命因素考虑，电池应尽量工作在SOC较高的区域.因此，应设定参数SOC值的最大门限值、最小门限值和中值，以保证电池始终工作在SOC最大限值和最小限值之间，当SOC值小于中值时，电池应主动充电.

3 结语

本文以“勇士”混合动力汽车为研究对象，以整车经济性为研究目标，从发动机运行状态、电机工作区域、电池优化工作区域三方面分析了并联式混合动力汽车的整车控制策略，为进一步研究混合动力汽车奠定了基础.

[1] CHAU K T，WONG Y S.Overview of Power Management in Hybrid Electric Vehicles[J].Energy Conversion and Management,2002(43):1953-1968.

[2] 邢杰．混合动力汽车遗传模糊控制策略和工况识别研究[D]．北京：北京理工大学，2011．

[3] 吴剑.并联式混合动力汽车能量管理策略优化研究[D]．济南：山东大学，2008.

责任编辑：金 欣

A research on the control strategy of parallel hybrid electric vehicle

LIANG Jian-wei

(Department of Mechanics and Electrics, Shijiazhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

ISG parallel hybrid electric vehicle is taken as the principal research object, and the whole economy as the optimization objectives, the curve of engine fuel consumption rate and distribution, and battery charge and discharge as references. And hybrid power system parameters and control strategies are optimized. The vehicle control strategy of parallel hybrid electric vehicle is analyzed from three aspects of engine operating, motor operating area and battery optimization.

hybrid vehicle; parallel; control strategy; optimization

2017-03-03

梁建伟(1980-)，男，河北石家庄人，石家庄职业技术学院讲师,硕士，研究方向：车辆工程.

1009-4873(2017)02-0031-04

U469.7

A