双电机串联驱动PHEV能量管理策略研究

金士伟，马超，闫德超，高洁

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255000）

前言

随着全球能源短缺，环境污染问题愈加严重，新能源汽车的普及与推广便显得更为重要。插电式混合动力汽车作为由传统燃油车到纯电动汽车的过渡方案[1]，在电池技术瓶颈尚未突破之前，相对纯电动汽车有着长续驶里程的优势；同时其与燃油车相比，节能效果又显著提高。因此，插电式混合动力汽车有着较好的研究意义。为了使插电式混合动力汽车充分发挥其特点和优势，其动力系统的构型[2-4]与能量管理策略[5-7]的研究便显得极为重要。本文提出一款以行星齿轮动力耦合机构为基础的双电机PHEV构型，该结构实现多种工作模式，避免了功率冗余现象，经济性提升显著。

1 整车构型与动力学特性分析

1.1 整车构型

本文所提插电式混合动力汽车构型，如图1所示。其构型主要由电机1、电机2、发动机以及行星齿轮机构组成。其中，电机1与行星齿轮机构太阳轮相连，电机2与齿圈相连。以电量消耗优先原则，在蓄电池电量充足时，实现了电机 1驱动，电机2驱动和双电机转速耦合驱动三种纯电动模式；在电量不足时，离合器处于分离状态，发动机带动ISG电机（启动发电一体机）实现行车发电，为车辆的行驶提供所需能量。

图1 整车构型图

1.2 动力学分析

利用杠杆分析法，系统各工作模式动力学特性分析如下。

纯电动模式：电机1单独驱动时，齿圈锁止，动力由太阳轮输入，行星架输出，式（1）-（2）所示；电机2单独驱动时，太阳轮锁止，动力由齿圈输入，行星架输出，式（3）-（4）所示；双电机转速耦合驱动时，电机 1，电机 2同时工作，电机1作用于太阳轮，电机2作用于齿圈，动力经耦合后，再由行星架输出，其动力学关系如式（5）-（6）。

式中：T为扭矩；ω为转速；c为行星架；zr，zs分别为行星齿轮齿圈与太阳轮齿数；i1为电机2到齿圈的减速比。

混动模式（串联模式）：当动力电池电量不足时，驱动车辆动力仍由电机1与电机2提供，其动力学关系如上式（1）-（6），此时 ISG电机启动发动机，发动机带动 ISG电机发电，给蓄电池补充能量，实现串联驱动。与纯电动模式类似，串联驱动模式同样有电机1与发动机组合，电机2与发动机组合驱动，双电机转速耦合下的串联驱动三种模式，其中发动机与ISG电机转速转矩关系如下。

式中：isg为 ISG电机；eng为发动机；iisg为发动机到ISG电机的减速比。

再生制动模式：制动时，以上电机根据对应工作模式，分别工作于发电状态，将减速过程中的能量储存在蓄电池当中；当需求制动力较高时，采用机械制动与再生制动相结合的联合制动方式。

2 控制策略搭建

2.1 整车参数选取

本文着重于动力学特性以及控制策略的分析，鉴于参数匹配方面已有较多详细的研究，不再赘述。根据整车动力性经济性指标选取整车参数如表1所示。

表1 整车参数表

2.2 整车控制策略

基于双电机串联驱动构型的多种工作模式：纯电动模式（电机1，电机2，以及双电机转速耦合），串联驱动（电机1，电机2，以及双电机转速耦合）以及再生制动等工作模式。建立基于规则的逻辑门限值能量管理策略如下。

图2 整车控制策略流程图

如上图2所示，当车辆不处于驱动状况下，检测需求制动力Freq_b是否小于电机制动力Fm_b，当电机制动力能满足需求制动力时，采用再生制定模式；否则，采用联合制动模式。SOCmin为电池电量最低值，当低于0.3时，此时该车辆由纯电动模式转变为串联驱动模式，v1，v2为两个速度切换阈值。

3 仿真结果与分析

在整车参数与控制策略确定后，基于MATLABSimulinkStateflow平台搭建整车模型与控制策略，将选取数据输入模型，运行模型。

图3 车速跟随与电池SOC状况图

设置电池初始SOC为0.8，此时电量较高为纯电动驱动，在NEDC工况下，其仿真车速与电池SOC状态如图3，电机扭矩状态如图4。

在图3中，车速跟随状态较好，电池SOC总体呈下降趋势。工况车速减速时，电池SOC略有上升，制动能量回收有效；车速较高时，车辆需求功率变大，电量损耗较多，电池SOC下降较快。如图4所示，电机扭矩随车速变化呈交替作用，当车速较高时，双电机同时工作，为车辆提供所需动力，间接证明了模型与能量管理策略的正确性。

图4 电机转矩图

4 结论

该构型避免了传统单电机混合动力汽车模式单一，效率低下问题。提出双电机构型，并且采用大小不同两个电机，使该构型车辆在面对不同工况下，尽可能高效运行，减少了功率冗余。基于 MATLABSimulink建立基于规则的能量管理策略，实现了合理的模式转换，能有效提升整车经济性，具有较好的研究意义。