李獻(xiàn)菁,孫永正,鄧 俊,胡宗杰,李理光

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

前言

插電式混合動(dòng)力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)可以通過充電裝置從電網(wǎng)獲取電能,通常該類汽車還具有一定的純電動(dòng)行駛能力。因其較多地使用網(wǎng)電,燃料消耗低,節(jié)能減排效果顯著,被認(rèn)為是一種當(dāng)前最易接受的、市場(chǎng)前景樂觀的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模式。

目前對(duì)PHEV的研究主要集中在不同行駛工況[1-2]、燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法[3]、動(dòng)力參數(shù)匹配[4]、控制策略及不同能源的使用[5]等方面對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。針對(duì)串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(SHEV)的研究主要集中在控制策略和動(dòng)力參數(shù)匹配方面。研究表明,SHEV可將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工作點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),使發(fā)動(dòng)機(jī)避免怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況,從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,減少了廢氣排放。單獨(dú)針對(duì)插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(plug-in series hybrid electric vehicle,PSHEV)的研究則少見報(bào)道。

除車輛的行駛工況和動(dòng)力參數(shù)匹配等因素外, PSHEV的燃油經(jīng)濟(jì)性還與兩次外接充電間隔所行駛的距離和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、起?？刂撇呗缘扔嘘P(guān)[6]。本文中基于某PSHEV車,結(jié)合不同行駛循環(huán)工況和行駛里程,對(duì)車輛行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂撇呗赃M(jìn)行優(yōu)化。

1 整車參數(shù)及能量管理策略

1.1 整車參數(shù)

文中介紹的PSHEV整車參數(shù)及性能仿真結(jié)果見表1。動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和動(dòng)力電池等部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)同軸連接,動(dòng)力電池通過控制器串接在ISG電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間,動(dòng)力系統(tǒng)示意圖如圖 1所示,各部件參數(shù)見表 2。

表1 PSHEV整車參數(shù)

表2 動(dòng)力系統(tǒng)各部件參數(shù)

1.2 PSHEV能量管理策略

通常PSHEV能量管理策略可分電量消耗和電量維持兩個(gè)階段。電量消耗階段主要消耗電池電能,實(shí)現(xiàn)“零排放”行駛,而電量維持階段主要消耗發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能[7]。文中介紹的PSHEV采用基于規(guī)則的邏輯門限開關(guān)控制策略實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的過渡,因此,動(dòng)力電池的 SOC上下限值和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域是影響整車經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。

1.2.1 電池SOC范圍

按照目前車輛報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),轎車的報(bào)廢年限是 10～15年,若電池每天都進(jìn)行一次滿充深放電,則需要電池的循環(huán)壽命在 4 000次以上。如圖 2所示,當(dāng)放電深度在60%～35%時(shí),鋰電池的循環(huán)壽命可達(dá)到此要求[8]。

通過仿真計(jì)算可以得出不同車速下電池電壓隨SOC的變化關(guān)系[9],為保證電機(jī)的正常工作電壓,將SOC的界限值設(shè)為 90%～30%。根據(jù)日常出行情況,并不是每天都滿充深放電,電池的放電深度為70%時(shí),更有利于延長(zhǎng)電池的壽命。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)等燃油消耗率曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒功率控制策略,在不考慮附件的情況下,通過直接起停技術(shù)取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速,使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后即工作在2 400r/min,55N·m的恒轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn),如圖 3中黑點(diǎn)所示。該工況點(diǎn)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線,處于燃油經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域。

由此,當(dāng)動(dòng)力電池SOC小于30%時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng),在預(yù)定的高效工況點(diǎn)工作;當(dāng)SOC大于90%時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)則停機(jī),進(jìn)入純電動(dòng)模式。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂撇呗詢?yōu)化

純電動(dòng)駕駛可最大限度地利用電網(wǎng)充入的能量,使車輛的經(jīng)濟(jì)性和排放性都達(dá)到最佳。按原控制策略,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效工況點(diǎn),純電動(dòng)續(xù)駛里程(all electric range,AER)一定時(shí),行駛里程的長(zhǎng)短將會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和起停次數(shù),進(jìn)而影響整車的經(jīng)濟(jì)性。因此在行駛距離大于AER時(shí),應(yīng)考慮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起停控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 原控制策略下的AER

為考察該車在日常出行過程中的AER,分別在新歐洲行駛工況(NEDC)、美國(guó)環(huán)保局的城市汽車測(cè)功器行駛規(guī)范(UDDS)、美國(guó)環(huán)保局的公路行駛規(guī)范(HWFET)、中國(guó)輕型車城區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)(CUDC)和中國(guó)輕型車快速運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)[10](CHDC)5種行駛工況下對(duì)整車性能進(jìn)行仿真計(jì)算。不同行駛工況下電池SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)隨行駛里程的變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見,在5種行駛工況下,電池SOC從90%～30%不斷下降的過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)均沒有起動(dòng),說明該車在沒有發(fā)動(dòng)機(jī)輔助的情況下完全可以滿足各種行駛工況的功率需求。不同行駛工況對(duì)車輛的需求功率不一樣,電池SOC變化的快慢就不一樣,因此AER也不同,但都在60km左右。

當(dāng)電池SOC下降到設(shè)定的最低限值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng),ISG電機(jī)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,在HWFET行駛工況下,SOC基本保持在一個(gè)水平,而其余4種行駛工況下,SOC均呈上升趨勢(shì),直至達(dá)到最高限值,說明這 4種行駛工況下有較多的電能存儲(chǔ)到電池中。

根據(jù)美國(guó)NPTS(nationwide personal transportation survey)車輛日常行駛里程統(tǒng)計(jì),用戶日行駛里程多在50km以內(nèi)[11]。因此,對(duì)于 50km以內(nèi)的短途行程,該車完全可以只由車載動(dòng)力電池提供動(dòng)力。在純電動(dòng)行駛里程以外,可以依靠車載的小型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電來驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)工作,滿足更長(zhǎng)的行駛里程需求。

2.2 初始電池滿電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制策略的優(yōu)化

不考慮類似HWFET的行駛工況,根據(jù)原有控制策略,在下一次外接充電之前,車輛連續(xù)行駛?cè)舾蓚€(gè)行駛工況后,電池SOC隨行駛里程的變化趨勢(shì)如圖 5實(shí)線和點(diǎn)劃線所示。兩者分別表示初始電池滿電及初始電池未滿電的情況。

下面從不同循環(huán)工況來分析兩次外接充電間隔期間的行駛里程大于 AER時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起停時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)累積運(yùn)行時(shí)間(即行車充電時(shí)間)的影響。選取NEDC和UDDS工況為仿真循環(huán)工況,假設(shè)電池充滿電,電池SOC從90%下降到不同程度時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),SOC的變化情況如圖6和圖7所示,發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)如圖 8和圖 9所示。

為了充分利用從電網(wǎng)得到的低價(jià)能量,要求行車過程中盡可能減少發(fā)動(dòng)機(jī)起停次數(shù)和行車充電時(shí)間。結(jié)合圖 5,觀察圖中實(shí)線和雙點(diǎn)劃線變化情況。實(shí)線為按原控制策略行車,電池SOC下降到設(shè)定最低限值時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。雙點(diǎn)劃線可分為兩種情況: (1)在純電動(dòng)過程中,電池SOC下降到某一值C時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng),直至電池充滿電再停機(jī)轉(zhuǎn)而以純電動(dòng)行駛;(2)行車充電過程中,電池SOC上升到某一值A(chǔ)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。可以發(fā)現(xiàn),行駛里程同樣為 D時(shí),這兩種方法都有利于減少發(fā)動(dòng)機(jī)起停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間。兩種方法都是使發(fā)動(dòng)機(jī)給電池充入的電能剛好在下一次外接充電前用完,這樣有利于節(jié)省燃油消耗,降低成本。

不同行駛工況對(duì)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求功率不同,電池SOC變化快慢就不同,AER也不一樣,導(dǎo)致行車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的起停次數(shù)和行車充電時(shí)間迥異。因此需要結(jié)合不同行駛工況下 SOC的變化量來分析確定發(fā)動(dòng)機(jī)的起停時(shí)刻。在原有控制策略的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)行駛里程的長(zhǎng)短來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)起停時(shí)的SOC值。首先針對(duì)以上兩種行駛工況,計(jì)算各自純電動(dòng)行駛和行車充電過程中單位行駛里程的SOC變化量,結(jié)果如表3所示。

表3 單位行駛里程的SOC變化量 %/km

結(jié)合圖 5,分別在純電動(dòng)運(yùn)行和行車充電兩種模式下對(duì)NEDC循環(huán)工況下控制發(fā)動(dòng)機(jī)起停的關(guān)鍵參數(shù)SOC值進(jìn)行修正,則純電動(dòng)行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的SOC值為

行車充電過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)的SOC值為

同樣可對(duì)UDDS循環(huán)工況進(jìn)行修正。圖10、圖11分別為進(jìn)行SOC修正后連續(xù)運(yùn)行NEDC和UDDS循環(huán),行駛里程為100km時(shí)SOC的變化情況。

表4和表5分別為NEDC和UDDS行駛工況下優(yōu)化前后的SOC值及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間對(duì)比。行駛里程為100km時(shí),由上述方法可得出NEDC行駛工況的純電動(dòng)過程中,SOC下降至約66%時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),相比原控制策略,整個(gè)過程發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間將近減少一半,因此燃油消耗量和因發(fā)電而損失的能量也會(huì)大幅度減少;行車充電過程中,SOC上升到約 54%時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為2 403s,運(yùn)行時(shí)間減少46.1%。

表4 NEDC運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)下優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

表5 UDDS運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)下優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

同樣行駛里程為100km時(shí),對(duì)于UDDS運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán),純電動(dòng)過程中,SOC下降至約62.6%時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間 2 287.6s,運(yùn)行時(shí)間減少56%;行車充電過程中,SOC上升到約57.4%時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間為 2 455s,減少運(yùn)行時(shí)間達(dá)52.8%。可見兩種模式下得出的結(jié)果相近。

對(duì)于CUDC和CHDC循環(huán)工況的分析結(jié)果類似。而對(duì)于 HWFET循環(huán)工況,經(jīng)仿真計(jì)算,電池SOC下降到最低限值前起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)則會(huì)使電池電能不能充分利用,故車輛在HWFET循環(huán)下應(yīng)先使電池耗盡再起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)再按電量保持模式繼續(xù)運(yùn)行。上述公式僅適用于初始電池滿電且行駛里程介于AER和(2AER+CR)的情況。

2.3 初始電池未滿電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂撇呗缘膬?yōu)化

車輛并不是每次出行時(shí)都能保證電池SOC處于滿電狀態(tài)。電池未充滿電,即存在不同 SOC初值。SOC初值不同,車輛在相同的行駛工況下以純電動(dòng)行駛的里程也不一樣,因此,須對(duì)上述公式做相應(yīng)的修正。

為盡可能利用外接充電電能,減少發(fā)動(dòng)機(jī)起停次數(shù)和行車充電時(shí)間,先讓電池耗盡,再在行車充電過程中確定發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)刻。

仍以NEDC運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)為例,假設(shè)出行時(shí)電池的初始SOC為60%,初始純電動(dòng)行駛里程為AER0。當(dāng)D-AER0＜AER+CR時(shí),可確定行車充電過程中發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的SOC值為NEDC工況下行駛里程達(dá)到100km時(shí),修正前后SOC及發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)隨行駛里程的變化情況如圖12所示。

2.4 延展里程過程中發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制策略的優(yōu)化

對(duì)于可以滿足各種行駛工況需求功率的PSHEV,不管出行時(shí)電池是否滿電,發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)主要是在延展里程[12]過程中出現(xiàn)。不計(jì)車輛以外接充電電能純電動(dòng)行駛的里程,即從發(fā)動(dòng)機(jī)第一次起動(dòng)到下一次外接充電時(shí)的累積行駛里程為目標(biāo)延展里程。當(dāng)目標(biāo)延展里程介于0和(AER+CR)時(shí),仍可按式(2)進(jìn)行修正。當(dāng)目標(biāo)延展里程大于(AER+ CR)時(shí)則可按如下方法進(jìn)行修正:

設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)累積起動(dòng)次數(shù)為n,目標(biāo)延展里程為DRXT,則

經(jīng)過仿真計(jì)算得到NEDC循環(huán)下的AER及行車充電至電池滿電時(shí)的里程 CR。假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)為 2,目標(biāo)延展里程為 160km時(shí),按照上述方法,將數(shù)據(jù)代入公式(4),并結(jié)合NEDC運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)進(jìn)行仿真計(jì)算,可以得到電池SOC及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)隨行程的變化關(guān)系,如圖 13所示。

從圖中可見,整個(gè)過程發(fā)動(dòng)機(jī)須起動(dòng) 2次,在第2次起動(dòng)后對(duì)SOC進(jìn)行修正。當(dāng)SOC上升到59%時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),利用發(fā)電機(jī)給電池充入的電能繼續(xù)后面的路程。

綜上所述,在整個(gè)延展里程行駛過程中,都可用此方法對(duì)行車充電過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)閉時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化修正,以利于縮短行車充電時(shí)間,充分利用電網(wǎng)電能對(duì)電池進(jìn)行充電,達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3 結(jié)論

(1)與原控制策略相比,根據(jù)不同循環(huán)工況和行駛里程確定純電動(dòng)過程中起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和行車充電過程中停機(jī)時(shí)的SOC值的方法,可有效縮短行車充電時(shí)間,減少因發(fā)動(dòng)機(jī)充電而引起的能量損失。

(2)對(duì)于初始電池滿充、AER接近60km的PSHEV,根據(jù)優(yōu)化后的控制策略,在NEDC行駛循環(huán)下,車輛行駛里程達(dá)到 100km時(shí),兩種模式下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間可分別減少49.4%和46.1%;UDDS運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間則可分別減少 56%和52.8%,有利于節(jié)省燃油,減少能量損失。

(3)對(duì)于初始電量未滿的PSHEV,按同樣的方法進(jìn)行優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂撇呗?亦可獲得相近的節(jié)能效果。該方法也可用于增程型電動(dòng)車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的控制。

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