基于多工况的并联混合动力汽车的能量管理策略研究

徐益强

摘要：针对某一并联式混合动力汽车，鉴于其工况的实时变化和工作模式的频繁切换，设计了整体以依据发动机稳态效率图和电池的充放电内阻曲线的基于逻辑门限方法的PHEV能量管理策略为主，在混合驱动模式下以基于模糊逻辑的模糊能量管理策略为辅的双重能量管理策略，用以实现混合动力系统的不同工作模式间的动态切换，同时优化发动机、电机及电池的工作效率。仿真研究表明，该能量管理策略在满足车辆动力性能指标的前提下有效地降低混合动力汽车的燃油消耗，并能将电池组电池荷电状态维持在合理的范围内。

关键词：并联混合动力汽车；能量管理策略；逻辑门限；模糊控制

引言

并联式混合动力汽车（PHEV）一般采用发动机和电动机两套独立的驱动系统，是一种十分具有发展前景的混合动力汽车结构形式。目前由于全局优化和瞬时优化能量管理策略算法复杂且计算量较大，逻辑门限方法虽无法达到最优效果但是快速简单、实用性强，模糊能量管理策略主要依靠经验可以表达难以精确定量表达的规则、鲁棒性好，因此本文针对混合动力汽车运行的不同工况和工作模式提出了以发动机稳态效率图和电池的充放电内阻曲线为依据的逻辑门限管理策略为主，以模糊控制策略为辅的双重能量管理策略。

1 PHEV动力总成构型及工况和工作模式分析

本文研究采用的是双轴前置并联式混合动力系统，将变速箱置于动力耦合装置与主减速器之间，利用变速箱同等比例的提高了发动机和电机的输出转矩。

混合动力汽车的实际运行工况十分复杂，主要包括：起步、加速、巡航、上坡、下坡、制动、停车、倒车等。其在运行中有6种基本工作模式，分别为怠速/停车、纯电动模式、纯发动机模式、行车充电、混合驱动模式、再生制动模式。

2 逻辑门限能量管理策略

2.1 逻辑门限参数的选择

本文基于传统发动机特性进行分析，基于某发动机万有特性曲线，将等功率曲线 、 之间的最佳经济性曲线作为发动机的工作范围，选择 、 作为发动机的逻辑门限参数。

另外，本文的PHEV采用的是镍氢电池，为了提高其充放电效率。延长电池寿命，将电池SOC的工作区间置于内阻相对较低的区域 ，以减少电池的充放电损失，其中 =0.4， =0.6。

2.2 功率门限值的计算

由于静态参数不能适应工况的动态变化，本文通过比较发动机直接驱动和使用电机单独驱动的能量转换效率来设定可变合理的功率门限值 、 ，更大程度提高车辆的燃油经济性。

发动机直接驱动的能量转换效率为

（1）

式中 为发动机效率， 为传动系机械效率

由于没有外部辅助充电电机驱动的能量，除小部分来自制动时回收的能量外均来自燃料，因此电机驱动的能量转换效率为

（2）

式中 为电机效率， 為电池的充放电效率，ε为因制动时能量回收产生的额外的效率提高。

将 作为发动机单独驱动车辆允许的最低能量转换效率，由此可得发动机最低效率值，基于发动机效率曲线和等功率曲线可求得功率门限值 、 。当SOC过高时合理调整 、 ，适当缩小发动机的工作区域；繁殖应该扩大发动机的工作区域，从而维持电池SOC平衡。

2.3 工作模式切换

切换规则采用简单逻辑判断方法，主要原则如下：

（1）当车辆行驶速度低于 或需要的功率低于 ，且S高于 ，电机单独驱动

（2）当工况需求功率介于发动机优化区域中，发动机单独驱动；

（3）当需求功率超过 且S高于 ，实行混合驱动；

（4）当S低于 ，且需求功率小于 ，实行行车充电模式；

（5）制动时，如果S小于 ，电机尽可能多地回收再生制动能量。

3 试验与仿真结果

本文基于Advisor环境，在NEDC试验工况下进行。

3.1 基于逻辑门限能量管理策略的仿真

从图1发动机工作点分布情况可以看出，当SOC值及需求车速变化时，该能量管理策略能够调整发动机和电动机的输出转速，以满足混合动力汽车的动力性要求。从电池SOC变化曲线可以看出，该能量管理策略能够在不同的初始SOC值下，将SOC值维持在一个合理的工作范围内变化。

图1 逻辑门限策略初始SOC=0.7的发动机工作点的分布

图2 初始SOC=0.7时的电池SOC变化曲线

3.2 基于逻辑门限能量管理策略的仿真及其比较

在混合驱动模式下，将逻辑门限能量管理策略和模糊能量管理策略进行比较，从发动机工作点分布看出，模糊控制策略更能明显地调整发动机工作点，使得尽可能向发动机高效工作区靠近。

图3 模糊控制策略下电池SOC变化

如图3所示，模糊控制策略下电池SOC在整个循环始末变化都小于0.05，在工况循环的过程中其波动幅度在控制在很小范围内波动，从而保证了电池的荷电状态在正常范围内的平衡，延长了电池的使用寿命。

5 结论

以发动机稳态效率图和电池的充放电内阻曲线为主要依据，设计动态逻辑门限能量管理策略，相比于静态逻辑门限能量管理策略，提高了燃油经济性。在较为复杂的混合驱动模式下，模糊能量管理策略在满足动力性的前提下，保证了电池SOC在合理范围内变化的情况，获得更低的燃油消耗。但是，在其他工作模式中引入基于不同隶属函数和控制规则的模糊控制策略以进一步提高燃油经济性还有待进一步的研究。

参考文献：

[1] M 米奇克著. 汽车动力学A 卷第二版[M]. 陈荫三译北京： 人民交通出版社， 1992

[2] 赵子亮，刘东泰，刘明辉，等.并联混合动力汽车控制策略与仿真分析研究[J].机械工程学报，2005

[3]（波兰）SzumanowskiA著. 混合电动车辆基础[M].陈清泉，孙逢春译.北京：北京理工大学出版 社，2001