增程式電動汽車動力參數選擇及控制策略研究

聶立新， 劉同樂， 劉 濤， 范小彬

(河南理工大學， 河南 焦作 454150)

增程式電動汽車兼備混合動力汽車和純電動汽車的優點，在最近幾年越來越受到各方的關注[1]。目前對增程式電動汽車的研究主要集中在動力系統參數匹配與能量管理策略等方面[2-6]。本文在介紹增程式電動汽車動力系統參數選擇的基礎上，基于以往規則型控制策略研究成果，兼顧電池保護與燃油經濟性，提出恒功率+最優曲線功率跟隨控制策略+目標里程優化的解決方案，并進行仿真分析。

1 增程式電動汽車動力系統參數選擇

增程式電動汽車的動力系統由動力電池系統、動力驅動系統、整車控制系統和輔助動力系統(增程器)組成[7]。其結構原理如圖1所示，其中增程器由發動機、ISG電機組成，對外只有電能輸出，不存在機械傳動，特殊的結構決定了增程式電動汽車行駛主要有純電池供電模式和增程器發電模式。

某增程式電動汽車基本性能參數要求如下：最高車速≥140 km/h；0～100 km/h加速時間≤14 s；最大爬坡度≥25%；純電動行駛里程>80 km；總續駛里程≥400 km。

圖1 增程式電動汽車動力系統示意圖

根據以上需求，對增程式電動汽車動力系統進行設計。 驅動電機選擇效率及比功率均較高的永磁同步電機。有關計算公式如下：

(1)

式中：nmax為電動機最高轉速；Vmax為最高車速；i0為主減速器傳動比；Pm,max為電動機峰值功率；Pm1，Pm2，Pm3分別為由最高車速、最大爬坡度及加速時間計算得到的最大需求功率，分別為30.7 kW、33.3 kW、56.6 kW。

增程器的ISG電機同樣選擇永磁同步電機，其標定輸出功率參考發動機在最佳燃油點的輸出功率。增程器的發動機采用可靠性高的直列四缸汽油機，其功率設計通常按照汽車最高車速所需功率來進行初步選擇，并要求選擇的發動機額定功率稍大于理論值，以滿足附件功率消耗。通過發動機的燃油消耗MAP圖及續駛里程要求，得到油箱容積V，公式如下：

V=SREfc/Va

(2)

式中：SRE為續駛里程；fc為發動機高效工作點處油耗；Va為行駛車速。

動力電池采用比能量及比功率高且充電性能優良的磷酸鐵鋰電池。其電池組容量不僅應滿足增程式電動汽車純電動續駛里程對能量的需求，還必須滿足驅動電機的功率需求，其最大充放電功率應不小于驅動電機的峰值功率，主要計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：EB、CE分別為動力電池在能量需求下的能量值與容量值，經計算得EB≥17.1 kW，CE≥44.5 A·h；Sb為續駛里程；DOD為動力電池的放電深度，值為0.7；ηT為傳動系統效率，值為0.95；ηm為電機效率，值為0.9；ηb為動力電池放電效率，值為0.95；ηa為汽車附件能量消耗比例系數，值為0.1；Um為動力電池端電壓,值為384 V；Pb，max、Cp分別為動力電池在功率要求下的最大放電功率與容量值，經計算得Pb，max≥17.1 kW，Cp≥44.8 A·h；Pf為汽車附件功率，值為4.5 kW。

通過計算選擇：磷酸鐵鋰電池組的單體個數為120，端電壓為384 V，容量為46 A·h， SOC使用范圍為30%～100%。驅動電機的峰值功率為62 kW,額定功率為31 kW，最高轉速為7 000 r/min，額定轉速為2 500 r/min，工作電壓依據動力電池額定電壓定為384 V。增程器發動機最大功率為43 kW，滿足續駛里程所需的油箱容積為23 L；增程器ISG電機標定輸出功率為23 kW，額定電壓為384 V。

2 能量控制策略及仿真分析

2.1 常用能量控制策略

目前針對增程式電動汽車所提出的能量控制策略主要有：恒溫器式控制策略[8]、功率跟隨控制策略[9-10]、模糊邏輯控制策略[11]、動態規劃控制策略[12]、全局最優控制策略[13]。其優缺點對比見表1。

表1 增程式電動汽車能量控制策略優缺點對比

2.2 改進策略：恒功率+曲線功率跟隨控制策略+目標里程優化

以上的控制策略主要存在單一優化造成其他參數惡化，或者計算復雜難以實現等缺點，為此，本文采用簡單規則型控制策略，主要從增程器啟動時間及工作模式分析，在保護電池、保障動力的前提下，提出功率恒定輸出與功率跟隨輸出相結合的控制策略，對目標里程優化控制，以達到提高燃油經濟性的目的。

增程式電動汽車的發動機與地面負荷是解耦的，可在高效區獨立工作，因此在相同里程及相同行駛工況條件下進一步減少發動機燃油消耗量是本文的目標。為此，本文從以下2種途徑開展研究：一是減少發動機開啟時間(包括頻繁啟動次數);二是提高發動機的燃油經濟性。

以燃油經濟性最好的恒溫器控制策略為出發點，在這種模式中，發動機一直以最佳工況運轉，提供恒定功率，在整車需求功率校小時，利用發動機的多余功率對電池進行充電，在整車需求功率超過發動機輸出功率時，由動機電池放電對發動機輸出功率進行補充。其缺點為：動力電池充放循環較多，且當需求功率變化很大時，動力電池的電流也會較大，對電池壽命造成不良影響。綜合曲線功率跟隨控制策略的優點則可以解決這一問題。

控制策略規則設計：當SOC>0.5時，動力電池放電性能較好，整車動力均由電池提供；當SOC<0.5時，動力電池端電壓低于初始值，在相同功率輸出時，放電電流增大，為限制最大放電電流，保護電池，通過整車需求功率與固定數值，即低電量電池允許放電功率進行比較，設置發動機觸發控制。同理，電池SOC<0.3時，發動機啟動。當發動機啟動后，根據整車需求功率的大小，選擇發動機工作模式：當整車需求功率大于發動機在最佳燃油經濟點輸出功率與低電池電量允許放電功率之和時，發動機將開啟功率跟隨模式，輸出功率增大，滿足整車動力性需求；當整車需求功率小于發動機在最佳燃油經濟點輸出功率與低電池電量允許放電功率之和時，發動機則工作在最佳燃油經濟點以恒功率輸出，多余電量用于動力電池充電；當電池充電至SOC>0.7或電池剩余可用電量可以提供足夠能量，使電動汽車達到目的地，即可關閉發動機。為了保護電池，在增程模式下，當SOC<0.25時，電池停止功率輸出，防止電池深度放電；在制動能回收時，對最大充電功率限制，防止大電流損壞電池。

2.3 仿真分析

本文選用前向仿真軟件Cruise對整車進行建模仿真試驗。建立整車仿真模型如圖2所示。

圖2 增程式電動汽車整車模型

1) 動力性與續駛里程仿真分析。通過建立Maximum Velocity、Full Load Acceleration 和 Climbing Performance 3項計算任務，對車輛的3大動力性能指標進行仿真分析，結果如圖3和圖4所示。

圖3 最大加速度時速度隨時間的變化曲線

圖4 爬坡性能

在仿真結果中得到整車仿真的最高車速為178 km/h、0～100 km/h加速時間為13.3 s，最大爬坡度為31.5%，均滿足設計指標。同理，將動力電池初始SOC值設為0.9，分別進行NEDC工況和60 km/h等速工況的純電仿真，其純電續駛里程分別為92 km、123 km。

將動力電池的初始值設為30%，增程器從T=0時開始工作，分別進行NEDC工況和60 km/h等速工況的增程仿真，得到其增程模式的續駛里程分別為328 km和467 km。由此得出，純電行駛里程與增程續駛里程均滿足設計要求。

2) 經濟性仿真分析。為了分析改良后控制策略的優化程度，設置增程器恒功率輸出的對比試驗。首先將動力電池初始值設為30%，在NEDC工況下，測試在不同控制策略下的油耗表現。結果表明，改良控制策略有效減少燃油消耗和電能的轉化積累，其SOC值變化對比如圖5所示。

圖5 兩種控制策略下的SOC變化對比

經過折算，采用恒功率控制策略的增程式電動汽車的百公里油耗為8.5 L/km，采用改良控制策略的增程式電動汽車百公里油耗為7.01 L/km，比之節油17.5%。

3 結 論

在滿足增程式電動汽車整車性能，且保護電池的基礎上，以提高整車燃油經濟性為目的，提出恒功率+曲線功率跟隨控制策略+目標里程優化的解決方案，通過Cruise仿真試驗驗證，相較于恒功率控制策略，整車燃油經濟性得到了提高。