某混合動力汽車能量管理控制策略研究

陳夢青 劉宏江 張運泰 李連豹 韋 虹

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

混合動力汽車以其靈活的布置形式、多元化的架構、優良的控制策略，在實現高熱效率的同時，兼具卓越的燃油經濟性，成為當前汽車企業的市場戰略之一。能量管理控制策略作為混合動力汽車的核心控制算法，是整車動力性、經濟性、舒適性及部件安全可靠性的重要保障。通過合理地分配驅動能量，協調制動與能量回收的關系，以滿足不同的整車功率需求[1]。因此，對能量管理控制策略進行研究對提高混合動力系統的效率，實現車輛的節能減排目標具有重要的指導意義。

本文以某品牌混合動力汽車為研究對象，利用底盤測功機和CAN 信號解析方法獲取整車性能數據，分析其混合動力系統的控制架構、控制邏輯、關鍵控制參數以及驅動模式切換閾值；對樣車進行固定車速、固定加速踏板開度試驗，解析在加速踏板開度、電池SOC、車速等發生變化的條件下，整車運行狀態與關鍵子系統的轉矩分配輸出機制；測試滑行與制動工況下的能量回收，分析其能量管理策略并篩選出主要影響因素。

1 試驗工況設計

本文所選取的某品牌混合動力汽車主要參數見表1。

表1 汽車主要參數

以車速、加速踏板開度、制動踏板開度和電池SOC 等為變量設計試驗工況，見表2。

2 測試方法

2.1 信號獲取

獲取整車測量信號的方式分為2 種，一種是要求精度高的信號，可通過安裝傳感器直接測量，例如半軸轉矩、高壓電池母線電流、低壓蓄電池電流和電壓、整車累計油耗等關鍵信號；另一種是無法直接測量的關鍵信號，可通過發送診斷數據請求，解析整車CAN 總線信號，結合診斷請求信號和CAN 信號進行數據采集。將獲取到的傳感器測量信號與CAN 信號同步到多路CAN 通訊設備，便于后續數據的處理與分析[2]。CAN 信號清單見表3。

表3 CAN 信號清單

2.2 底盤測功機設置

根據GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[3]要求，將車輛固定于底盤測功機。根據車輛的驅動模式和能量回收特性設置測功機，使車輛保持前輪驅動，后輪隨動運行狀態。

3 工作模式

車輛的工作模式分為3 種，如圖1 所示。

圖1 車輛驅動模式

1）純電動模式。僅電池、驅動電機工作，發動機和發電機不工作。

2）串聯模式。發動機、發電機工作，驅動電機驅動或發電，電池可充電、可放電。

3）發動機直接驅動模式。發動機工作，離合器接合，直接驅動車輛，發電機和驅動電機不工作。

4 驅動能量管理控制策略

4.1 固定車速

在底盤測功機上，采用轉轂-車速控制模式，觀察不同加速踏板開度下SOC 的平衡規律。

60 km/h 的固定車速下，加速踏板開度較小時，不同加速踏板開度下，SOC 的平衡規律如圖2 所示。

圖2 60 km/h 車速下SOC 平衡規律（周期波動）

從圖2 可以看出，60 km/h 的固定車速下，加速踏板開度恒定10%，當SOC 為30%時，發動機運行，起動功率為17～21 kW，電池包充電功率為9～12 kW；當SOC 高于41%時，發動機停機。加速踏板開度恒定25%，當SOC 低于37%時，發動機運行，起動功率為20～26 kW，電池包充電功率為5～10 kW；當SOC高于49%時，發動機停機。由此可知，同一車速下，加速踏板開度較小時，不同加速踏板開度下，SOC 呈現周期性波動。

60 km/h 的固定車速下，加速踏板開度較大時，不同加速踏板開度下，SOC 的平衡規律如圖3 所示。

圖3 60 km/h 車速下SOC 平衡規律（穩定）

從圖3 可以看出，60 km/h 的固定車速下，40%加速踏板開度時，SOC 最終穩定在41%，發動機轉速維持在2 950 r/min，整車維持勻速狀態所需的功率大于電池可放電功率，電池處于充放電平衡狀態。50%和60%加速踏板開度時，電池均處于充放電平衡狀態，SOC 均穩定在23%。

由此可知，固定車速下，整車需求功率較小時，當SOC 低于最小閾值，發動機起動，通過發電機給驅動電機提供能量以驅動車輛，多余的能量給電池包充電，車輛進入串聯模式；當SOC 高于最大閾值，發動機停機，進入純電動模式。整車需求功率較大時，發動機輸出的能量通過發電機，主要用于提高驅動電機的輸出功率，電池處于充放電平衡狀態。相同車速下，隨著加速踏板開度的增大，發動機起動時的SOC 最小閾值增大；當加速踏板開度高于30%時，SOC 進入穩定狀態。

4.2 固定加速踏板開度

在底盤測功機上，模擬道路阻力，通過控制加速踏板開度，分析不同加速踏板開度下的pedal map（車輛加速度或動力總成輸出轉矩隨加速踏板開度和車速變化而變化的一種關系圖），以研究車輛的驅動能量管理策略。Normal 模式下車輛加速度的pedal map 如圖4 所示。

圖4 Normal 模式下車輛加速度的pedal map

由圖4 可知，Normal 模式下，5%～15%加速踏板開度，加速度較低，有利于低速工況的車速控制，此時車輛主要在串聯與純電動模式之間切換，通過提高發動機轉速使發動機工作在高效區間，實現降低整車油耗和排放的目的；50%加速踏板開度，加速度曲線均勻分布；60%～80%加速踏板開度，加速度大小基本相當；80%加速踏板開度以上，整車側重于加速性能，以滿足駕駛需求，此時車輛主要工作在串聯模式，通過多能量源實現高的功率輸出。

圖5 為Normal 模式下半軸轉矩的pedal map。

圖5 Normal 模式下半軸轉矩的pedal map

由圖5 可知，Normal 模式下，半軸轉矩曲線的變化趨勢與車輛加速度曲線的變化趨勢基本一致。從圖4 和圖5 可以看出，當加速踏板開度為100%時，最大加速度為4.7 m/s2，最大半軸轉矩為2 100 N·m。此時，車輛工作在串聯模式，整車需求功率較高，發動機與電池共同作為能量源，提高驅動電機的功率輸出，以克服阻力驅動車輛。

5 能量回收管理控制策略

能量回收是通過電機將車輛多余的機械能轉化為電能，儲存在高壓電池中，用于驅動車輛。能量回收管理極大地提高了混合動力汽車的能量利用率，有利于降低整車油耗[4]。

5.1 滑行能量回收

滑行能量回收是指汽車行駛過程中，松開加速踏板，依靠慣性作用行駛，通過能量管理控制策略實現能量回收[5]。

圖6 為60 km/h 初始車速，D 擋滑行的能量回收狀況。

圖6 60 km/h 初始車速，D 擋滑行的能量回收狀況

從圖6 可以看出，60 km/h 初始車速，D 擋滑行，驅動電機轉矩由正變負，回收車輛動能，給高壓電池充電，最大充電功率為5.8 kW；發動機與發電機不工作；當車速降至10 km/h，驅動電機回收轉矩迅速減小，直至進入蠕行，車輛切換成純電動模式，高壓電池放電，驅動電機轉矩由負變正，克服阻力使車輛前進。

不同初始車速下（以20 km/h 為間隔），混合動力汽車的滑行能量回收量如圖7 所示。圖7 中，縱坐標上的負值越大，說明回收的能量越多。

圖7 不同初始車速下滑行能量回收量

分析圖7 可以發現，隨著初始車速的增加，驅動電機回收能量越多，給動力電池充電的能量越多。初始車速為120 km/h 時，驅動電機回收能量最多，為443kJ；平均能量回收強度約為76%。

5.2 制動能量回收

制動能量回收是指汽車行駛過程中，踩制動踏板，將動能轉化成電能，通過能量管理控制策略實現能量回收[6-7]。

5.2.1 小強度制動工況

10%制動踏板開度（小強度制動工況），制動能量回收狀況如圖8 所示。

圖8 10%制動踏板開度制動能量回收狀況

分析圖8 可知，10%制動踏板開度（小強度制動工況），發動機轉速迅速下降至停機，驅動電機轉矩由正變負，進行能量回收，最大回收轉矩為132 N·m，此時車輛以電機再生制動為主。

5.2.2 中等強度制動工況

30%制動踏板開度（中等強度制動工況），制動能量回收狀況如圖9 所示。

圖9 30%制動踏板開度制動能量回收狀況

分析圖9 可知，30%制動踏板開度（中等強度制動工況），驅動電機制動能量回收量減少，回收轉矩維持時間較短，通過液壓制動與電機制動，減少能量損失的同時，達到快速停車的目的。

5.2.3 高強度制動工況

40%制動踏板開度（高強度制動工況），制動能量回收狀況如圖10 所示。

圖10 40%制動踏板開度制動能量回收狀況

分析圖10 可知，40%制動踏板開度（高強度制動工況），驅動電機制動能量回收量極少，以液壓制動為主，保證制動安全。

不同制動踏板開度下（以5%制動踏板開度為間隔），混合動力汽車的制動能量回收量如圖11 所示。圖11 中，縱坐標上的負值越大，說明回收的能量越多。

圖11 不同制動踏板開度下制動能量回收量

分析圖11 可以發現，隨著制動踏板開度的增加，驅動電機回收的制動能量減少。10%制動踏板開度，制動能量回收量為465 kJ；30%制動踏板開度，制動能量回收量為270 kJ；40%制動踏板開度，制動能量回收量為35 kJ。當制動踏板開度大于40%時，驅動電機幾乎不再進行能量回收，以制動安全為主。

5.3 SOC 對制動能量回收的影響

高壓電池的SOC 是影響混合動力汽車整車性能的重要參數之一，電池在不同的SOC 下，充電功率和效率各不相同[8]。為控制單一變量，排除其他因素的干擾，設定相同初始車速為100km/h，設計試驗矩陣，探討SOC 對制動能量回收的影響。相同初始車速下，同一制動踏板開度，SOC 對制動能量回收影響的試驗結果見表4。表4 中，回收能量欄中，負值越大，說明回收的能量越多。

表4 SOC 對制動能量回收影響試驗結果

對表4 中的數據進行對比分析可知，相同初始車速下，同一制動踏板開度，SOC 的高低影響發動機的啟停狀態，對制動能量回收無太大影響。

當SOC 處于較低水平時，踩下制動踏板前，發動機仍處于工作狀態；制動后，發動機轉速逐漸下降，驅動電機進行能量回收。

當SOC 極高時，踩下制動踏板前，發動機已停機；制動后，驅動電機開始進行能量回收。

6 結論

1）混合動力汽車發動機的啟停與加速踏板開度和車速緊密相關，SOC 呈現周期性的規律變化或維持穩定狀態。

2）Normal 模式下的pedal map 線性分布有利于維持車輛的駕駛性能及工作模式的切換，在兼顧動力性的同時，可實現節能減排目標。

3）初始車速影響滑行能量回收，初始車速越高，回收的能量越多。

4）制動過程中，電機制動和液壓制動相互動態協調。同一制動初始速度條件下，隨著制動踏板開度的增大，電機再生制動占比降低，回收的能量減少。

5）制動能量回收受制動踏板開度的影響較大。在一定范圍內，制動踏板開度越大，回收的能量越少。

6）SOC 的高低對制動能量回收無太大影響。

國家科研機構要以國家戰略需求為導向，著力解決影響制約國家發展全局和長遠利益的重大科技問題，加快建設原始創新策源地，加快突破關鍵核心技術。

——習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話