增程式混合动力车辆能量控制策略研究

袁凯，孟蓉歌，史强，陈国栋，魏特特

增程式混合动力车辆能量控制策略研究

袁凯，孟蓉歌，史强，陈国栋，魏特特

（陕西汽车集团技术中心，陕西 西安 710021）

基于CRUISE/Simulink软件对某款增程式混合动力车辆进行建模仿真，对三种可行的増程器能量控制策略进行对比分析。结果表明：单点控制策略具有最佳的燃油经济性，两点控制策略的等效燃油消耗量与功率跟随控制持平，较单点跟随控制策略高1%。功率跟随控制策略保证最低的能量转换损耗，两点控制策略能合理分配动力电池和増程器的能量，综合考虑整车能量利用率和动力电池使用寿命，最大程度发挥增程式混动系统的优势。

增程式混合动力；能量控制；仿真分析

1 前言

增程式混合动力车辆是指由两个电能源向单个电动力装置供电，推进车辆的驱动系统[1]。当动力电池电量可用时以纯电动形式运行，电量较低时既可以从电网中补充能量，也可以启动増程器补充能量，保证车辆的行驶需求，同时维持电池电量平衡[2]。较纯电动及传统燃油车辆，增程式混合动力车辆既克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，也避免了传统燃油车辆的高油耗高排放。在动力电池技术领域没有革命性突破时，增程式混合动力系统可作为新能源商用车应用的重要驱动形式。

增程式混合动力系统结构通过多能量源及能量分配控制实现燃油经济性和排放性能的较大改善。本文基于整车性能仿真软件AVL CRUISE及MATLAB对一款增程式混合动力车辆进行整车建模，结合不同的増程器控制逻辑，在MATLAB/Simulink/Stateflow中制定基于门限逻辑的单点、两点和功率跟随控制策略，在整车模型环境下仿真对比不同控制策略对増程器、动力电池工作状态和整车经济性的影响，为整车开发提供理论指导和技术支持。

2 整车结构、参数及模式

增程式混合动力车辆具备两种能量源（发动机和发电机组成増程器、动力电池）整车的动力系统结构如图1所示。

图1 增程式混合动力车辆动力系统结构

2.1 整车参数

本文研究对象增程式车辆的动力传动系统主要参数如表1所示。

表1 车辆动力传动系统主要参数

2.2 工作模式

车辆工作过程包含电量消耗阶段(Charge Depleting)和电量维持阶段(Charge Sustaining)两部分[3-4]，如图2。根据两种能量源不同的能量分配方式，车辆的基本运行模式有：纯电动模式、混合动力模式、行车充电模式、制动能量回收模式等。

图2 增程式混合动力车工作状态示意图

3 増程器控制策略

増程器控制策略不仅影响到整车的经济性，而且对动力电池充放电特性也有较大影响。有效的増程器控制策略可以合理分配动力电池和増程器能量，在发挥两大系统的各自的性能优势的同时，最大限度的提升整车能量利用率，并保护动力电池[5]。

从车辆实际开发应用角度考虑，基于规则的能量控制策略有助于缩短产品开发周期[6-7]，结合前期仿真验证及工程经验，可以作为増程器的能量控制策略，本文提出三种基于规则的单点、两点和功率跟随能量控制策略。

图3 单点控制策略工作模式

单点控制策略：电池SOC单独决定増程器启停，当SOC达到设定的门限值SOCmin时，増程器启动并定点工作，提供恒定输出功率。当SOC上升到设定的SOCmax时，増程器关闭，实现电量维持。

两点控制策略：设定基准区间(SOCmin,SOCmax)为CS阶段动力电池工作区间，同时各设定5%的阈值区间，进行车辆行驶模式判定。根据整车轮边需求功率，选取増程器的工作功率为30kW和50kW，并根据SOC区间范围来调整増程器的工作状态，进行模式切换。当SOC达到SOCmin时，増程器开启并以30kW的功率工作；若SOC持续降低，为保证SOC平衡，増程器输出功率变为50kW，直至SOC达到设定上限SOCmax，然后増程器停止工作，车辆进入纯电模式。

功率跟随控制策略：将发动机的万有特性MAP和ISG电机的效率MAP数据合成，得到增程器系统的工作效率MAP和最优能耗曲线。功率跟随区间定义为30kW-50kW内的最佳油耗曲线。

图4 功率跟随控制策略工作模式

当SOCSOCmax，増程器停止工作；在[SOCmin，SOCmax]之间，需要根据整车功率需求及前一时刻发动机工作状态进行判断：

①若前一时刻发动机没有工作，则继续保持，直至SOC低于SOCmin；

②若前一时刻发动机处于工作状态，根据整车需求功率进行判断：若需求功率<30kW，车辆进入低功率工作模式，以30kW功率点进行输出；若30kW≤需求功率≤50kW，车辆进入功率跟随模式；若需求功率＞50kW，车辆进入高功率工作模式，以50kW功率点进行输出。

4 结果分析

采用2次重复的C-WTVC循环作为试验循环，记录连续6次仿真过程的△SOC和油耗，并计算等效燃油消耗量。

根据仿真结果得出以下结论：单点控制策略可以保证増程器系统的最优的工作效率，有利于整车的经济性，两点控制策略的等效燃油消耗量与功率跟随控制持平，较单点跟随控制策略高1%，但可以降低发动机启停次数及动力电池电流波动。

表2 不同控制策略电量维持阶段的等效燃油消耗量

5 结论

本文针对增程式混合动力车辆提出了三种可行的能量控制策略方案。并基于CRUISE和Simulink软件搭建了增程式混合动力车辆的联合仿真模型，提出了等效燃油消耗量的整车经济性评价指标，对三种控制方案进行了对比分析。

増程器单点控制策略能保证发动机始终工作在效率较高的工作点，但由于动力电池的电流波动较大，导致电池能量损耗高，影响电池组的使用寿命。

两点控制策略的等效燃油消耗量略高于单点控制，与功率跟随控制持平，较单点跟随控制策略高1%，一定程度减少了电池的电流波动和发动机启停次数，有助于改善车辆的整体性能。

功率跟随控制策略能够保证増程器随整车工况变化不断调整输出功率，有效减少电池的电流波动，提高能量利用率，但同时对増程器动态响应特性及控制策略提出了较高的要求。

[1] MehrdadEhsani, YiminGao, Ali Emadi. 现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车基本原理、理论和设计[M].机械工业出版社,2010.

[2] Song Wen, Zhang Xin,Tian Yi. A charging management - based intelligent control strategy for extended-range electric vehicles[J]. Journal of Zhejiang University- SCIENCE A(Applied Physics& Engineering),2016,17(11):903-910.

[3] Wirasing S G,Emadi A. Classification and review of control strategies for plug-in hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transaction on vehicular Technology. 2011,60(1):111-122.

[4] Patrick M Walsh, et al. An Extended-Range Electric Vehicle Control Strategy for Reducing Petroleum Energy Use and Well-to-Wheel Greenhouse Gas Emissions[C].SAE Paper 2011-01-0915.

[5] Wei Chen,YunqingZhang,Yuan Liang and Liping Chen. Multi-objec -tive Optimization of Parallel Hybrid Electric Vehicle Based on Fuzzy Logic Control[J].Vehicle Autonomous Systems,Vol.6,No.3, 2008.

[6] 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[J].汽车工程,2011(11),924-929.

[7] 杨森,仇斌,塔拉,李理光[J],汽车技术,2017(7),No502,37-42.

Research on Range-Extended Hybrid Electric Vehicle Energy Control Strategy

Yuan Kai, Meng Rongge, Shi Qiang, Chen Guodong, Wei Tete

( Shaanxi Automobile Group Technology Center, Shaanxi Xi’an 710021 )

In this paper, modeling and simulation of a range-extended hybrid electric vehicleis implemented with AVL-CRUISE and MATLAB/Simulink,three feasible energy control strategies of APU(Auxiliary Power Unit) are compared and analyzed. The simulation results illustrate that:the single-point control strategy has the best fuel economy; the optimal operation line control strategy ensures the lowest energy conversion loss. The two-point control strategy can allocate the battery energy andAPU energy reasonably,which can comprehensively consider the energy utilization rate and battery cycle life, takes the full advantage of series range-extended hybrid system.

Range-extended hybrid;Energy control;Simulation analysis

U469.7

A

1671-7988(2019)18-45-03

U469.7

A

1671-7988(2019)18-45-03

袁凯，工学硕士，工程师，就职于陕西汽车集团技术中心，主要从事新能源汽车领域整车控制策略开发与应用研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.016