插电式混合动力车基于最佳燃油效率的能量管理策略及仿真分析

周玮

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

前言：插电式混合动力汽车可以利用夜间的市电低谷进行充电，平时在市区行驶时可以以纯电动方式工作，完全不消耗燃油，有效降低使用成本和污染。而当行驶距离较长或需高速行驶时，又可以像普通混合动力汽车一样，通过发动机来提供主要动力输出。文中介绍了一种以最佳燃油效率为基础的PHEV能量管理策略，并在Cruise所建立的车辆模型环境中对策略进行了仿真，最后与传统车辆的仿真结果进行了比较分析。

1 PHEV工作模式介绍

本文中的驱动控制策略包括以下三种驱动模式：

1.1 纯电动模式：插电式混合动力汽车由于可以外接充电，所以其可用纯电动模式行驶。在电量充足且电机功率满足需求的条件下，该车均工作于纯电动模式。

1.2 传统模式：在某些情况下，需要发动机单独驱动车辆行驶。比如在较高车速下，发动机工作在高效负荷区，而此时电池电量又比较充足无需进行充电，为了保持整个系统的高效，仅需发动机单独工作。另外，当电驱动系统出现故障时，为了保证车辆能够继续行驶，也要求发动机单独驱动车辆。

1.3 混合模式：当电池电量较低或车辆需求功率较大时，车辆工作于混合模式中，根据需求转矩与发动机工作于高效区时发出的转矩进行比较，混合模式又可以分成以下几种子模式：

1.3.1 电动助力模式：为了使发动机的工作区域稳定在高效区，需要电机对功率不足的部分进行补偿。随着车速的升高，电动机达到最大输出功率后，则发动机不再保持在高效区域工作，而是提高输出功率，此时控制策略优先保证满足车辆的功率需求。

1.3.2 混合发电模式：在此模式中，驱动控制策略根据驾驶员的油门踏板信号来计算驱动车辆所需的功率，然后计算当前转速下发动机的最佳效率工作点，当需求功率小于发动机最佳工作效率点处所发出的功率时，驱动控制策略计算此时发动机最佳效率点处的功率与需求功率的差值，并根据现在的电池与电机状态计算此差值经过一轮充放电循环后，可以保留的有效功，进而计算这种情况下的单位燃油效率，其结果与发动机仅产生当前需求功率时的燃油效率进行比较，如果电机进行多余能量回收时燃油效率高，则令发动机工作在最佳效率点处，电动机对多余能量进行回收，否则令发动机单独驱动车辆，电动机不进行能量回收。

2 使用Cruise进行仿真

图1 （Cruise中建立的整车模型）

Cruise是由AVL公司发布的一款整车性能仿真分析软件，其自带多种车辆标准零部件模块，通过拖放的方法可以迅速建立车辆的整车模型，并对其进行动力性和经济性仿真。并可与Simulink软件进行通信，方便使用Simulink建立控制策略模型。图1是本文使用Cruise3.0建立的PHEV整车模型。该车具有发动机和电机两套动力装置，采用并联式结构，发动机和电机可以分别或同时驱动车辆。发动机通过超越离合器与电机机械连接。由于超越离合器只能单向传递扭矩（从发动机向电动机）所以当由电机单独驱动车辆时，电机无需反拖发动机，减少了无谓的能量消耗及机械磨损。模型中发动机参数为1.1L、额定功率48kW，电机最大功率25kW，电池组容量330V/22Ah。

本文中为了表现车辆在行驶时，各个部件的工作情况，特地选取了代表车辆的中高速行驶的EUDC工况，可以反映PHEV在混合工作模式下的表现；以及代表市区内行驶的UDC工况，可以反映PHEV在城市内以纯电动模式行驶时的表现。

PHEV与对照的传统车辆在EUDC工况下的发动机工作点分布见图2。

图2 发动机工作点分布

从图中我们可以看出，在动力电池电量充足的条件下，插电式混合动力汽车发动机的工作点主要分布在高效区，范围集中，工作转速范围在2000～3500转之间。低速时，发动机不工作。在EUDC循环工况中，发动机仅有28.39%的时间工作。在怠速和低速工况时，控制策略能够成功关闭发动机。而传统车辆的发动机工作点分布较为分散，工作转速范围较宽。车辆有12.96%的时间处于怠速状态，且有43.3%的时间工作在低负荷区域，这对发动机的燃油经济性有很大的影响。从仿真结果来看，在EUDC工况下，PHEV与同排量的传统车相比，燃油消耗降低21.05%。

而在UDC工况中，最高车速为50km/h，可以用来测试插电式混合动力汽车平时的主要工作模式--纯电动模式。从仿真结果来看，当PHEV工作在纯电动模式下时，与传统汽车相比可以显著降低油耗，等效百公里油耗仅有1.59L，降低了78.24%。体现出了巨大的节能优势。按照现在的93号汽油6.56元/升的价格来计算，传统车每百公里燃油成本为50元；PHEV在纯电动模式下行驶时百公里耗电14.586度，按当前0.49元每度的电价计算，考虑充放电损失，成本约在10元/百公里左右。

表1 循环工况油耗对照表

总结。根据仿真结果可以看出，本控制模型可以有效降低车辆的油耗。但尚存在一些不足：当车速波动时，可能造成发动机频繁启动；控制策略对发动机等的实验数据要求较高，并且无法及时反应参数的变化，导致控制效果降低；本策略计算量较大，需要使用成本较高的芯片。

因此本策略尚有改进空间：加入发动机起动频率的控制，减少发动机短时间内起动的次数；加入道路预判断功能，优化发动机的工作时间；加入参数自动校正功能。

[1]汪斌，李峥，彭红涛，朱禹.CRUISE软件在混合动力汽车性能仿真中的应用 [J].汽车科技，2007，(5):38-40.

[2]王锐，何洪文.基于Cruise的整车动力性能仿真分析 [J].车辆与动力技术，2009，114(2):24-26，36.

[3]王园，贺岩松，王保华.基于CRUISE的PHEV控制策略参数仿真 [J].重庆大学学报，2006，(12):22-25，29.