新能源混合動力汽車能量管理策略研究

摘要：文章以并聯(lián)式新能源混動汽車作為研究對象，根據(jù)其工作模式提出一種能量管理策略，實(shí)現(xiàn)工作模式的平穩(wěn)切換及混動系統(tǒng)的動力分配。通過Matlab/Simulink軟件建立整車控制策略數(shù)學(xué)模型，對所設(shè)計(jì)邏輯門限能量管理策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的新能源混合動力汽車能量管理策略可以在滿足車輛行駛性能的同時，有效提高24.2%的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。關(guān)鍵詞：并聯(lián)式混動汽車；能量管理策略；動力分配；燃油經(jīng)濟(jì)性0引言隨著能源資源短缺和環(huán)境問題日益突出，低排放、低油耗的新能源汽車成為當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。新能源汽車主要包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動汽車三種。其中純電動汽車可以實(shí)現(xiàn)無排放，是最理想的新能源汽車。在我國，由于電池技術(shù)的不斷提升和節(jié)能減排政策的引導(dǎo)，純電動汽車技術(shù)發(fā)展較快，市場占比也逐年提高。但目前純電動汽車雖然可以滿足日常通勤，但在長途運(yùn)輸或者惡劣環(huán)境下的續(xù)航能力仍有不足；燃料電池汽車技術(shù)難度大，功率密度低且成本較高，難以大范圍推廣；而混合動力汽車既有純電動汽車的優(yōu)點(diǎn)，又可以利用石油燃料比功率高的特點(diǎn)，提高車輛的續(xù)航能力，因此該技術(shù)也越來越受到國內(nèi)外主機(jī)廠的關(guān)注?；旌蟿恿ζ嚲哂须姍C(jī)和發(fā)動機(jī)兩個動力源，其技術(shù)難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)匹配動力系統(tǒng)使汽車性能處于最佳狀態(tài)，在保證電池效率的同時，提高續(xù)航能力，減少廢氣排放。因此合理有效的能量管理策略對于提高車輛行駛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及續(xù)航里程具有重要的作用，也成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)?；靹悠嚨哪芰靠刂撇呗灾饕幸?guī)則策略和優(yōu)化策略兩種。利用混動汽車工作時的電量狀態(tài)和功率需求來制定能量規(guī)則控制策略，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略可以在不同的工況下合理分配轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)和發(fā)動機(jī)效率。設(shè)計(jì)并對比了混動汽車隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及基于規(guī)則的能量管理策略的優(yōu)劣性。對邏輯門限能量管理策略進(jìn)行研究和仿真，驗(yàn)證了該策略的有效性。提出一種混合功率分配策略，使用超級電容提高車輛的性能和續(xù)航能力?；诖?，本文以并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，設(shè)計(jì)一種邏輯門限能量控制策略，并利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)能量控制策略的有效性。1

并聯(lián)式混動汽車模型1.1整車動力學(xué)模型混合動力汽車根據(jù)動力系統(tǒng)連接方式的不同分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式。其中混聯(lián)式和復(fù)合式由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本和控制難度高，目前還未推廣使用；串聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單，控制精度好，但能量利用率低，燃油經(jīng)濟(jì)性較差。因此本文選用并聯(lián)式混合動力汽車作為研究對象。根據(jù)車輛動力平衡方程式（1）建立縱向動力學(xué)模型：式中：Ft

為驅(qū)動力；f

為滾動阻力系數(shù)；m

為汽車總質(zhì)量；θ

為道路坡度；CD

為風(fēng)阻系數(shù)；A

為迎風(fēng)面積；v

為車輛行駛速度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為1.1；a為車輛行駛加速度。變速器輸入端扭矩為：式中：Treq

為變速器輸入端需要的扭矩；r

為車輪滾動半徑；jg、j0

為變速器和主減速器傳動比；ηg、η0

為變速器和主減速器傳動效率。根據(jù)上式在Matlab/Simulink軟件中建立整車縱向動力學(xué)模型。1.2

主要動力部件模型1.2.1發(fā)動機(jī)模型建立發(fā)動機(jī)模型的方法為理論建模法和實(shí)驗(yàn)建模法兩種。本次研究采用簡單有效的實(shí)驗(yàn)建模法，以實(shí)驗(yàn)采集的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗等數(shù)據(jù)建立發(fā)動機(jī)外特性關(guān)系，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到的萬有特性圖1建立發(fā)動機(jī)模型。發(fā)動機(jī)的參數(shù)如表1所示。圖1發(fā)動機(jī)萬有特性曲線Fig.1Theuniversalcharacteristiccurveoftheengine表1發(fā)動機(jī)參數(shù)Tab.1Engineparameters

發(fā)動機(jī)燃油消耗質(zhì)量為：式中：rcr

為實(shí)驗(yàn)得到的燃油消耗率；T

為發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；ω

為發(fā)動機(jī)角速度。1.2.2電機(jī)模型混動汽車中的電機(jī)有發(fā)電機(jī)和電動機(jī)兩種工作模式，為保證電機(jī)正常工作，計(jì)算電機(jī)的最大功率：式中：Ff為滾動阻力，F(xiàn)i

為坡度阻力。由式（4）計(jì)算得到電機(jī)的最大功率為16.05kW，因此選用額定功率為12kW，峰值功率為18kW的永磁同步電機(jī)作為混動汽車工作電機(jī)，并根據(jù)所用電機(jī)的外特性曲線建立電機(jī)模型。1.2.3電池組模型忽略蓄電池在充、放電過程中的非線性電化學(xué)反應(yīng)，只考慮電池的外特性，采用串聯(lián)阻容模型，根據(jù)式（5）計(jì)算電池SOC值：式中：SOC（t0）為電池組初始SOC值，Qmax為電池最大容量；I為電池組總電流。1.2.4傳動系統(tǒng)模型傳動系統(tǒng)的作用是改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)式（6）可得輸入軸與輸出軸的關(guān)系：式中：T0、Tg

為主減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩和變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩；ω0、ωg

為主減速器輸出軸轉(zhuǎn)速和變速器輸入軸轉(zhuǎn)速。1.2.5駕駛員模型混合動力汽車仿真方法分為正向仿真和逆向仿真兩種。其中正向仿真屬于閉環(huán)仿真，可以動態(tài)處理車輛的動力學(xué)信號，仿真精度較高，因此本文選擇正向仿真，需要建立駕駛員模型，用于模擬輸入油門和制動踏板信號。油門和制動踏板開度角α和β由式（7）計(jì)算：式中：Temax

和Tmmax

為電機(jī)和發(fā)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；Tbmax

為最大制動轉(zhuǎn)矩。在建立駕駛員模型時，可以使用PID控制器模擬，控制器參數(shù)取為Kp=10，Ki=1.2，Kd=1。2

能量管理策略仿真2.1

能量管理策略設(shè)計(jì)與建模并聯(lián)式混合動力汽車的工作模式可分為純電動驅(qū)動、發(fā)動機(jī)驅(qū)動、混合驅(qū)動、行車充電和再生制動五種，因此需要對工作模式進(jìn)行切換策略設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)和電機(jī)動力進(jìn)行合理分配。并聯(lián)式混合動力汽車的能量管理策略的設(shè)計(jì)思想主要是：以電機(jī)作為主要的動力源輸出動力，發(fā)動機(jī)作為補(bǔ)充動力；同時利用電機(jī)饋能的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)整發(fā)動機(jī)的負(fù)荷使其盡量在高效區(qū)工作，起到“削峰填谷”的作用。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，本文選用并設(shè)計(jì)基于規(guī)則策略的邏輯門限能量管理策略，以下將對該策略進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谝?guī)則策略的邏輯門限值能量管理策略主要是以最優(yōu)的整車燃油經(jīng)濟(jì)性和蓄電池電量平衡作為優(yōu)化目標(biāo)，通過選擇合適的工作模式和工作策略來使發(fā)動機(jī)和電機(jī)處于最優(yōu)工作區(qū)間[8]。以行駛車輛的車速作為輸入量，控制對象為車輛的需求轉(zhuǎn)矩和蓄電池的SOC值，通過能量管理策略控制發(fā)動機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，完成整車的驅(qū)動力的合理分配。邏輯門限值能量管理策略首先需要確定邏輯門限參數(shù)。其中靜態(tài)門限參數(shù)主要包括蓄電池組SOC值的上下限SOCmax

和SOCmin，由電池組參數(shù)決定；動態(tài)門限參數(shù)主要有發(fā)動機(jī)在工作高效區(qū)的最大和最小轉(zhuǎn)矩Tmmax、Tmmin

以及發(fā)動機(jī)最大效率轉(zhuǎn)矩Tmopt這三個參數(shù)，該參數(shù)隨發(fā)動機(jī)的工作實(shí)時變化，需要通過輸入的發(fā)動機(jī)外特性關(guān)系數(shù)據(jù)得到。邏輯門限參數(shù)完成設(shè)置后，需要建立控制規(guī)則，以并聯(lián)式混合動力汽車的工作需求建立如下工作模式切換控制規(guī)則：（1）當(dāng)車輛行駛的輸入需求轉(zhuǎn)矩Treq

大于Tmmin時，若蓄電池組的SOC值大于SOCmin

時，切換為電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式，否則電機(jī)切換為發(fā)電機(jī)模式，回收能量對蓄電池進(jìn)行充電。（2）當(dāng)車輛行駛的輸入需求轉(zhuǎn)矩Treq

大于Tmopt時，若蓄電池組的SOC值大于的SOCmin

時，切換為電機(jī)與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動模式，否則電機(jī)切換為發(fā)電機(jī)模式進(jìn)行充電。（3）當(dāng)車輛行駛的輸入需求轉(zhuǎn)矩Treq

大于Tmmax時，此時切換為電機(jī)與發(fā)動機(jī)混合驅(qū)動模式，共同輸出驅(qū)動力。根據(jù)以上所設(shè)計(jì)的工作模式切換控制規(guī)則，在Matlab/Simulink軟件中編寫M文件，完成能量管理策略模型的建立。2.2

能量管理策略仿真為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)能量管理策略的有效性，對所建整車控制模型進(jìn)行仿真。仿真設(shè)置的平均車速v為30km/h，仿真路況選用新歐洲駕駛循環(huán)工況（NEDC），如圖2所示，仿真的有效行駛時間為1180s，行駛距離為10.87km。

圖2NEDC行駛循環(huán)試驗(yàn)工況Fig.2

NEDCdrivingcycletestconditions設(shè)定蓄電池組的初始SOC值為0.7，仿真得到的結(jié)果如圖3~4所示。圖3發(fā)動機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩對比Fig.3Comparisonofengineandmotortorque圖4蓄電池組SOC值變化Fig.4ChangeofSOCvalueofbatterypack由圖3可知，車輛行駛在前800s的市區(qū)路況時，發(fā)動機(jī)未工作，此時由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，處于純電動模式；進(jìn)入800s后的市郊工況后，此時車速較高，轉(zhuǎn)矩需求也較大，發(fā)動機(jī)開始參與輸出轉(zhuǎn)矩，工作模式切換為混合驅(qū)動。由圖4可知，由于電機(jī)一直在工作，SOC值一直減低，尤其進(jìn)入車速較高區(qū)域時，SOC值迅速下降，整個行駛循環(huán)試驗(yàn)工況SOC值降到0.53左右，電能消耗量為1.72kW·h，通過計(jì)算得到的百公里油耗為5.18L，與同等動力的傳統(tǒng)汽車百公里油耗對比后，使用所設(shè)計(jì)的邏輯門限值能量管理策略提高車輛2