新能源混合動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)力汽車能量管理策略可以在滿足車輛行駛性能的同時(shí)，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(dòng)汽車；能量管理策略；動(dòng)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(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車三種。其中純電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力汽車既有純電動(dòng)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?dòng)力汽車具有電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，其技術(shù)難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)匹配動(dòng)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(shí)，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(dòng)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)。混動(dòng)汽車的能量控制策略主要有規(guī)則策略和優(yōu)化策略兩種。利用混動(dòng)汽車工作時(shí)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(dòng)機(jī)效率。設(shè)計(jì)并對比了混動(dòng)汽車隨機(jī)動(dòng)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?；诖耍疚囊圆⒙?lián)式混合動(dòng)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(dòng)汽車模型1.1整車動(dòng)力學(xué)模型混合動(dòng)力汽車根據(jù)動(dòng)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(dòng)力汽車作為研究對象。根據(jù)車輛動(dòng)力平衡方程式（1）建立縱向動(dòng)力學(xué)模型：式中：Ft

為驅(qū)動(dòng)力；f

為滾動(dòng)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(dòng)半徑；jg、j0

為變速器和主減速器傳動(dòng)比；ηg、η0

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

主要?jiǎng)恿Σ考Ｐ?.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及燃油消耗等數(shù)據(jù)建立發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。圖1發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線Fig.1Theuniversalcharacteristiccurveoftheengine表1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1Engineparameters

發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；ω

為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度。1.2.2電機(jī)模型混動(dòng)汽車中的電機(jī)有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)模型傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)處理車輛的動(dòng)力學(xué)信號(hào)，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(dòng)踏板信號(hào)。油門和制動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩。在建立駕駛員模型時(shí)，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(dòng)力汽車的工作模式可分為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、行車充電和再生制動(dòng)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(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)力進(jìn)行合理分配。并聯(lián)式混合動(dòng)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(dòng)力源輸出動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)作為補(bǔ)充動(dòng)力；同時(shí)利用電機(jī)饋能的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)整發(fā)動(dòng)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)。基于規(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(dòng)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(dòng)機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，完成整車的驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)門限參數(shù)主要有發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)最大效率轉(zhuǎn)矩Tmopt這三個(gè)參數(shù)，該參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)的工作實(shí)時(shí)變化，需要通過輸入的發(fā)動(dòng)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(dòng)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(shí)，若蓄電池組的SOC值大于SOCmin

時(shí)，切換為電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(shí)，若蓄電池組的SOC值大于的SOCmin

時(shí)，切換為電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)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(shí)，此時(shí)切換為電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式，共同輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)未工作，此時(shí)由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，處于純電動(dòng)模式；進(jìn)入800s后的市郊工況后，此時(shí)車速較高，轉(zhuǎn)矩需求也較大，發(fā)動(dòng)機(jī)開始參與輸出轉(zhuǎn)矩，工作模式切換為混合驅(qū)動(dòng)。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(shí)，SOC值迅速下降，整個(gè)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(dòng)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