插电式混合动力农业运输车驱动工况控制及仿真

何 璐，尹爱勇

(铜陵职业技术学院，安徽 铜陵 244000)

0 引言

插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)，是指可以使用输电网对动力电池进行充电的混合动力汽车。PHEV纯电动行驶距离长，动力电池容量大，动力性和燃油经济性得到提高。

插电式混合动力汽车的电池组工作模式包括电量耗尽模式(Charge Depleting，CD)和电量维持模式(Charge Sustaining，CS)，常用的控制策略可以分为基于规则的逻辑门限值控制策略、基于模糊控制的智能型控制策略和基于优化算法的动态控制策略三大类[1]。合肥工业大学钱立军等[2]提出一种模糊逻辑控制策略，考虑了电池充放电平衡和发动机燃油经济性，应用ADVISOR2002仿真软件建立控制策略模型并进行仿真。结果表明，模糊逻辑控制有较好的鲁棒性，能合理分配发动机和电动机的转矩，并保持电池SOC的变化在误差范围内。吉林大学张博等[3]应用PSAT前向仿真软件，基于双离合器式并联PHEV仿真模型，对不同全电力续驶里程和动力电池类型的PHEV动力总成进行优化。其结果表明，动力电池容量的设计对整车成本影响最大。

本文以插电式并联混合动力农业运输车为研究对象，基于各部件效率特性和汽车行驶工况特征，制定出关于插电式并联混合动力农业运输车的驱动工况控制策略，并建立仿真模型进行燃油经济性仿真分析。

1 数学模型

1.1 PHEV动力传动系统结构和基本参数

插电式并联混合动力农业运输车结构如图1所示。

图1 插电式并联混合动力农业运输车结构简图

插电式并联混合动力农业运输车整车主要参数如表1所示。

表1 整车主要参数

1.2 整车动力学模型

当只考虑车辆纵向运动的前提下，由汽车的驱动力与行驶阻力之间的平衡关系可以建立汽车的行驶方程式如公式(1)

(1)

式中：Ft为牵引力，N；m为汽车质量，kg；g为重力加速度因子，m·s-2；f为滚动阻力系数；α为路面坡度角；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ua为汽车行驶速度，km·h-1；δ为汽车旋转质量换算系数。

1.3 发动机油耗模型

发动机油耗模型通过台架试验数据建立，可得到发动机燃油消耗率随发动机转速和转矩的变化关系，如图2所示。

图2 发动机燃油消耗三维模型图

1.4 电机效率模型

电机效率模型通过台架试验数据建立，可得到电机效率随电机转速和转矩的变化关系，如图3所示。

图3 电机效率三维图

1.5 电池充放电模型

电池与电机之间的工作原理如图4所示。

图4 电池与电机共同工作原理

此处采用内阻模型，将电池看作一个理想电压源和一个内阻串联的等效电路。其中，E(SOC)是电池开路电压，Uess是电池端电压，R(SOC)是电池等效内阻，I是电池放电/充电电流。

2 控制策略设计

针对插电式并联混合动力农业运输车的行驶特点，采用基于规则的逻辑门限值控制策略[4]。基于规则的逻辑门限值控制策略其基本出发点是尽量使发动机工作在效率较高的区域内，并使电池SOC尽量维持在对电池效率和寿命有利的范围内。

根据电池的内阻特性，电池组SOC工作范围限定在0.35～0.95之间。即SOCin为电池SOC的初始值，取0.95；SOChi为电池处于电量维持模式的SOC上限值，取0.45；SOClo为电池处于电量维持模式的SOC下限值，取0.35。根据电池的两种不同工作模式，电量消耗模式和电量维持模式制定控制策略。

2.1 电量消耗模式

此时电池SOC在0.45～0.95之间，发动机工作区域如图5所示Tr为需求转矩；Tmax为发动机的最大转矩；考虑到混合动力运输车在纯电动模式和发动机单独驱动模式之间不停切换会造成发动机反复起停，增加燃油消耗，因而，设置Tmin和Tmin_1两条最小转矩界限线，形成一个缓冲带，可以避免发动机反复起停，输出转矩不停波动的现象。Tmin为混合动力运输车从纯电动工作模式切换到发动机单独驱动模式时的发动机最小转矩；Tmin_1为混合动力运输车从发动机单独驱动模式切换到纯电动工作模式时的最小转矩。

图5 电量消耗模式时发动机工作区域

1)当n

Te=0，Tm=Tr；

2)当n≥n_min时，如Tr

Te=0，Tm=Tr；

3)当n≥n_min时，如Tmin≤Tr

Te=Tr，Tm=0；

4)当n≥n_min时，如Tr逐渐减小至Tmin_1，由电动机提供全部的驱动力矩，发动机关闭，为发动机单独驱动模式切换为纯电动驱动模式，此时，发动机转矩为0，电动机转矩等于汽车需求转矩

Te=0，Tm=Tr；

5)当n≥n_min时，如Tr≥Tmax，由发动机和电动机联合提供全部的驱动力矩，此时，发动机转矩，电动机转矩由下式计算

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax

2.2 电量维持模式

此时电池SOC在0.35～0.45之间。发动机工作区域如图6所示。

图6 电量维持模式时发动机工作区域

Tcut为发电机向电池充电的充电转矩。

1)当电池SOC满足以下关系SOClo≤SOC≤SOChi，如n

Te=0，Tm=Tr；

2)当电池SOC满足以下关系SOClo≤SOC≤SOChi，如n≥n_min，分为以下几种情形：

①当Tr

Te=0，Tm=Tr；

②当Tmin≤Tr

Te=Tcut，Tm=Tr-Tcut；

③当Tr逐渐减小至Tr

Te=0，Tm=Tr；

④当Tcut≤Tr

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax；

⑤当Tr≥Tmax时，由发动机和电动机联合提供全部的驱动力矩，此时，发动机转矩，电动机转矩由下式计算

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax

3)当电池SOC

①当Tr

Te=Tmin，Tm=Tr-Tmin；

②当Tr满足以下关系Tmin≤Tr

Te=Tcut，Tm=Tr-Tcut；

③当Tcut≤Tr

Te=Tmax，Tm=Tr-Tmax；

④当Tr≥Tmax时，由发动机提供全部的驱动力矩，电动机关闭，即从发动机向电池充电模式切换为发动机单独驱动模式，此时，发动机转矩等于运输车需求转矩，电动机转矩为0

Te=Tr，Tm=0；

2.3 控制策略逻辑框图

根据上述制定的插电式并联混合动力农业运输车控制策略，表达成逻辑图如图7所示。

图7 插电式并联混合动力农业运输车控制策略逻辑框图

3 燃油经济性仿真

3.1 仿真模型

采用后向仿真方法来建立插电式并联混合动力农业运输车仿真模型并进行燃油经济性计算。根据插电式并联混合动力农业运输车动力传动系统中各部件数学模型和整车动力学模型，利用Simulink和Stateflow软件平台，建立插电式并联混合动力农业运输车驱动工况燃油经济性仿真模型如图8所示，仿真模型包括输入模块、整车模块、控制策略模块、发动机模块、电机和电池模块等组成。图9为控制策略采用Stateflow软件进行仿真的局部放大图。

图8 插电式并联混合动力农业运输车驱动工况燃油经济性仿真图

图9 插电式并联混合动力农业运输车控制策略Stateflow仿真局部放大图

3.2 仿真结果分析

针对插电式并联混合动力农业运输车，仿真计算工况选择中国典型城市循环工况，分别计算2个循环工况和30个循环工况。

图10是2个中国典型城市循环工况下的仿真结果图。

图10 2个循环工况仿真结果图

从图中可以看出，在循环工况车速较高时，发动机才参与工作，其他时间都关闭，因此发动机在一段时间内输出转矩为零，只在高效率区域内运行；当汽车起步、怠速或小负荷运行时，电动机参与工作，而当运输车车速以较高车速稳定运行时，电动机关闭，不输出转矩；当整车减速或制动时，电机发电，给动力电池充电，回收制动能量。

图11是30个中国典型城市循环工况下的仿真结果图。

图11 30个循环工况仿真结果图

原型基础车油耗为38 L·(100 km)-1，仿真结果在2个和30个中国典型城市循环工况下的百公里油耗如表2所示。

表2 百公里油耗

从表2可看出，节油效果比较明显，表明所制定的插电式并联混合动力农业运输车驱动工况控制策略是有效的。

从图10(a)中可以看出，发动机工作点主要集中在发动机转速为中、高速附近，说明制定的控制策略主要使发动机工作在高效率区域，提高了发动机的使用效率和燃油经济性；从图10(b)中可看出，电机的正负转矩工作点相对比较平均，而且工作点基本集中在高效率区域，说明电机能很好地满足动力与能量回收的需要；从图10(c)中可以看出，当电池SOC值较大时，电池以电量耗尽型模式工作，当电池SOC值下降到一定范围内时，电池处于不停的充/放电的电量维持阶段。图11(d)是在30个中国典型城市循环工况下仿真的百公里油耗结果。

3.3 整车参数对燃油消耗影响

车辆的燃油消耗不仅与发动机的万有特性、运输车行驶工况和运输车附件的使用等有关，同时，整车相关参数如整备质量、空气阻力系数、电池容量等的变化也会影响整车油耗。下面根据车辆在30个中国典型城市循环工况行驶的仿真计算结果，讨论各个参数对整车油耗的影响。

1)原车整车质量为m=16 000 kg，整备质量为ms=11 500 kg，将整备质量分别减小5.00%和8.00%，此时整车质量m分别为15 425 kg和15 080 kg，得出的百公里油耗，电池SOC如表3所示。

表3 百公里油耗与整车质量关系

2)原车空气阻力系数CD=0.63，将CD分别降低为0.60和0.57时，得出的百公里油耗，电池SOC如表4所示。

表4 百公里油耗与空气阻力系数关系

3)原车滚动阻力系数f=0.0100，将f分别降低5%和10%，即为0.009 5和0.009 0时，得出的百公里油耗，电池SOC如表5所示。

表5 百公里油耗与滚动阻力系数关系

4)原车电池容量Qn=60 A·h，将Qn分别增加为80 A·h，100 A·h和120 A·h时，得出的百公里油耗，电池SOC如表6所示。

表6 百公里油耗与电池容量关系

从表3、表4、表5中可看出，减小整车质量，降低空气阻力系数，降低滚动阻力系数和增加电池容量，都能使燃油消耗得到降低。此时，结束值SOC值变化不大，具有一定的可比性。

4 结语

围绕插电式并联混合动力农业运输车控制策略这一研究主题，建立了插电式并联混合动力农业运输车动力传动系统各部件的数学模型，基于发动机万有特性图、电动机/发电机效率图和汽车循环工况负荷特性，设计了插电式并联混合动力农业运输车驱动工况的控制策略，并利用MATLAB/Simulink和Stateflow软件设计了基于后向算法的燃油经济性仿真程序，分别对2个和30个中国典型城市循环工况进行了燃油经济性仿真和分析，结果表明插电式并联混合动力农业运输车与相同类型的传统内燃机农业运输车相比，其燃油消耗分别降低49.1%和29.6%，且发动机，电动机/发电机运行区域大部分在中、高效经济区域。