增程式乘用车动力选型与控制策略建模

李基凤 张 毅 许雨涛

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

随着油耗法规的加严及乘用车双积分政策的施行[1]，增程式车辆作为一种节能型车辆，越来越受到乘用车行业的重视，因此研究增程式车辆的动力总成选型，包含电池、电机与发动机选型更有意义。研究增程式车辆在新型油耗测试循环，即WLTC（世界轻型车试验循环）下，不同阶段的油耗表现，对于研究增程式车辆的节油机理与适用市场具有指导作用。

1 动力总成选型

根据车辆性能指标，即最高车速、最大爬坡度、0～100 km/h 加速时间及续驶里程等确定电机、电池及发动机主要性能参数。

本文基于一款增程式车辆性能指标，对电机、电池及发动机进行动力匹配选型，确定最终选用的电机、电池及发动机。

1.1 动力电池参数匹配

动力电池的参数匹配考虑能量匹配、功率匹配及容量匹配3 方面。

1）电池能量EB，需要满足纯电续驶里程。

式中：m 为车质量，kg；f 为轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；v 为车速，km/h；DOD 为放电深度，%；ηt为传动效率，%；ηm为电机效率，%；ηb为电池效率，%；ηa为附件能量消耗比例系数；Sev为纯电续驶里程，km。

2）电池功率PBat_max，需要满足驱动电机最大需求功率。

式中：Pmax为车辆驱动功率需求，kW；ηm为电机效率，%；PA为附件功率，kW。

3）电池容量，需要同时考虑能量和功率需求。

式中：EB为电池能量，kJ；UE为直流母线电压，V；PBat_max为电池峰值功率，kW；k 为蓄电池最大放电倍率。

1.2 驱动电机参数匹配

驱动电机直接驱动车辆，与车辆的性能直接相关，根据车辆的动力性参数（最高车速、爬坡度及加速性能等）确定驱动电机的峰值功率、额定功率、最高转速、额定转速、峰值转矩和额定转矩。

1）驱动电机功率，驱动电机的峰值功率应满足车辆动力性的需求。

最高车速需求功率：

式中：m 为车质量，kg；f 为轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；vmax为最高车速，km/h；η 为电机效率，%。

最大爬坡度需求功率（某一车速下）：

式中：m 为车质量，kg；f 为最大爬坡度需求功率（某一车速下）：轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；v 为车速，km/h；η 为电机效率，%；αmax为最大爬坡度。

加速需求功率：

式中:m 为车质量，kg；f 为轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；vb为加速到车速，km/h；η为电机效率，%；t 为加速时间，s；dt为迭代步长。

驱动电机峰值功率：

驱动电机额定功率：

式中：λ 为过载系数，取2～4。

2）驱动电机转速匹配。

车辆最高车速取决于驱动电机转速与主减速比，故可通过最高车速与主减速比确定电机最高转速：

式中：r 为轮胎滚动半径，m；β 为扩大恒功率系数，一般取2～4；nb为驱动电机额定转速，r/min。

3）驱动电机转矩匹配。

驱动电机的峰值转矩应满足车辆起步转矩和最大爬坡度的需求：

式中：m 为车质量，kg；f为轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；v 为车速，km/h；η 为电机效率，%；r 为轮胎滚动半径，m；αmax为最大爬坡度。

驱动电机转矩需要根据加速性能要求进一步校核。

1.3 发电机参数匹配

发电机连接在发动机输出端，将机械能转化为电能，发电机的转速取决于发动机转速与速比，发电机功率取决于发动机功率。此外，还需要考虑发电机起动发动机的需求功率。

1.4 发动机参数匹配

发动机的输出功率需要满足巡航工况、循环工况及极限加速工况。在巡航工况行驶并长时间爬坡时，电池处于电量维持状态，发动机提供驱动功率。在循环工况行驶时，为保证车辆在整个循环功率下，发动机具有维持电池电量平衡的能力，发动机输出功率应大于循环功率的平均功率。在极限加速工况下，由发动机提供功率需求。

巡航功率需求：

爬坡功率需求：

式中：m为车质量，kg；f为轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；v 为车速，km/h；ηt为传动效率，%；vi为爬坡车速，km/h；i 为爬坡度，%。

循环工况功率需求：

式中：Pwh（t）为轮端功率需求，kW；Tcyc为循环时间，s；ηt为传动效率，%。

极限加速功率需求：

式中：m 为车质量，kg；f 为轮胎滚阻系数；CD为风阻系数；A 为迎风面积，m2；v 为车速，km/h；vm为加速终点车速，km/h；ηt为传动效率，%；tm为加速时间，s。

发动机功率：

2 车辆模型与控制策略建立

本文基于AVL Cruise 与Matlab/Simulink 分别建立了车辆模型与控制策略，通过联合仿真实现了增程式车辆性能仿真计算。

2.1 车辆模型

车辆模型包含发动机、驱动电机、发电机、电池、轮胎及车辆参数等，详细输入参数如表1 所示。

图1 是增程式车辆模型，在AVL Cruise 中完成车辆模型搭建。

表1 输入参数

图1 增程式车辆模型

2.2 控制策略

根据车速、电池SOC、加速踏板及制动踏板等参数将车辆运行模式划分为纯电模式、增程模式、制动回收、机械制动、停机及停机充电[2-3]。图2 是控制策略中模式划分流程图，图3 是在stateflow 中实现的模式划分。

图2 控制策略流程图

图3 模式划分实现（Stateflow）

驱动模式含纯电模式和增程模式[4]，在电池SOC较高，车速较低，电池能量可以满足需求功率的条件下，进入纯电模式；电池SOC 较低或车速较高，电池能量不满足需求功率的条件下，进入增程式驱动模式。

制动模式划分为机械制动和制动回收模式。制动时优先进入制动回收模式，回收制动能量储存在电池中，用于驱动。在车速低于10 km/h、电池SOC 较高的情况下或紧急制动时采用机械制动。

车辆停机状态时，若电池SOC 较低，会进入停机充电模式，发动机和发电机运行，给电池充电至SOC限值，保证在车辆启动时电池SOC 处于合理的运行区间。

3 仿真结果分析

3.1 运行工况点

增程式车辆的发动机不直接参与驱动，故发动机可以运行在指定工况点。图4 是增程式与传统车辆运行工况点对比，增程式车辆发动机运行工况点主要集中在低油耗区域。

3.2 WLTC 循环仿真结果分析

以国六中采用的WLTC 循环（含低速、中速、高速及超高速）为例，表2 是WLTC 循环参数，表3 是WLTC 循环仿真结果。增程式较传统车循环油耗下降约21%，油耗下降主要出现在低、中速区域。原因是低、中速时传统车发动机运行负荷较低，处于高油耗区域，增程式车提高了发动机运行负荷，使发动机运行在低油耗区域。传统车与增程式车超高速段油耗差异不大，原因在于高速时传统车发动机运行在较高负荷，与采用增程式车的油耗差异不大。

图4 增程式与传统车辆运行工况点对比

表2 WLTC 循环

表3 WLTC 循环仿真结果

图5 是发动机、发电机及驱动电机的运行工况。驱动电机直接驱动车辆，其转速随车速变化，转矩与轮端需求转矩成速比关系。发动机和发电机在SOC较低或车速较高的情况下运行。

图5 发动机和电机运行工况

图6、图7 是增程车和传统车的能量分布，系统能量损失主要是发动机损失，采用增程后，系统效率提升6%左右。

图6 能量分布（增程车）

图7 能量分布（传统车）

4 结论

本文基于某款增程式车辆的动力性能指标对电机、电池及发动机主要参数进行匹配选型，用AVL Cruise 搭建车辆模型，Simulink 建立控制策略模型，通过联合仿真实现增程式车辆性能仿真计算，结论如下：

1）在WLTC 循环，增程式车辆循环油耗较传统车下降21%左右，主要原因是增程式车辆发动机不直接参与驱动，可以调整发动机运行工况，使其主要运行在低油耗区域。

2）WLTC 前3 个阶段采用增程式节油效果较明显，主要是前3 个阶段的平均车速较低，传统车发动机运行负荷较低，采用增程后提升发动机负荷，运行在低油耗区域。

3）通过车辆能量分布可知，车辆系统损失主要存在于发动机损失，对比传统车与增程车的能量分布，采用增程后，发动机损失降低约11%，系统效率提升约6%。