賈騰飛　張洪信

摘要： 針對純電動(dòng)汽車存在的不足，本文主要對增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與控制策略進(jìn)行研究。給出了整車參數(shù)及車輛動(dòng)力參數(shù)，并借助AVLCruise和Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，對增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行匹配，對各部件進(jìn)行選型，利用Stateflow搭建控制策略，將整車仿真模型和控制系統(tǒng)很好的聯(lián)系起來并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，整車動(dòng)力參數(shù)匹配比較合理，滿足基本動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，控制策略能使動(dòng)力電池在合理區(qū)間工作，實(shí)現(xiàn)增程器高效工作，延長電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，降低有害氣體的排放，與目前存在的公交汽車相比，百公里油耗明顯降低。該研究為進(jìn)一步研究增程式電動(dòng)汽車提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 增程式電動(dòng)汽車； 參數(shù)匹配； 控制策略； 仿真驗(yàn)證

中圖分類號： U469.72； TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

續(xù)航里程短、充電時(shí)間長制約了純電動(dòng)汽車的發(fā)展[1]，在電動(dòng)汽車上加裝由發(fā)電機(jī)、蓄電池或燃料電池組成[2]的增程器，可以較好地解決該問題[3]。增程器通常。在純電動(dòng)汽車根本問題沒有解決之前，合理的動(dòng)力參數(shù)匹配至關(guān)重要[4]。負(fù)海濤等人[5]采用三步驟設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)配置和參數(shù)匹配；彭濤等人[6]提出工程分析與仿真結(jié)果相結(jié)合的參數(shù)匹配方法；M.Canova等人[78]研究認(rèn)為控制策略是駕駛員意圖和汽車性能溝通的橋梁，好的控制策略能彌補(bǔ)參數(shù)匹配的不足，使汽車各部件在合理區(qū)間工作，提高工作壽命[910]。常見的增程式電動(dòng)汽車多用于公交車，公交車可以根據(jù)特定的城市循環(huán)工況，提出滿足其特色的能量分配方案，增程器更多利用電網(wǎng)電能實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛[11]，在發(fā)動(dòng)機(jī)最合理的區(qū)間運(yùn)行，減少燃油消耗和大氣污染。增程式電動(dòng)汽車的產(chǎn)生使新能源汽車的整體多樣性得到提升，是新型電動(dòng)汽車的發(fā)展方向[12]。目前，能量管理控制方法主要有邏輯門限值控制、模糊控制、瞬時(shí)優(yōu)化控制和全局優(yōu)化控制等[1316]。邏輯門限值控制策略清晰簡單、工程開發(fā)周期短，可以將其與相應(yīng)的離線優(yōu)化結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，可作為實(shí)車的控制策略；模糊控制、瞬時(shí)優(yōu)化控制、全局優(yōu)化控制也被應(yīng)用于多能源動(dòng)力系統(tǒng)控制，但由于過于復(fù)雜，難以在實(shí)車中應(yīng)用。因此，本文基于AVLCruise和Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，對整車進(jìn)行建模，在Stateflow中制定基于邏輯門限值的控制策略，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了整車動(dòng)力參數(shù)匹配比較合理，滿足基本動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。該研究具有一定的實(shí)際意義。

1整車參數(shù)

整車參數(shù)主要包括整車整備質(zhì)量、最大總質(zhì)量、外形尺寸、軸距、前后輪距、主減速比等基本車輛參數(shù)，還包括汽車動(dòng)力性要求和經(jīng)濟(jì)性要求，動(dòng)力性要求包括最大爬坡度、050 km/h加速性能和最高車速，經(jīng)濟(jì)性要求包括純電動(dòng)續(xù)駛里程等。整車主要參數(shù)如表1所示。

2動(dòng)力參數(shù)匹配

車輛動(dòng)力參數(shù)匹配主要是功率匹配，最大功率需要滿足目標(biāo)工況的最大功率和各項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)的要求，我國城市公交循環(huán)工況歷時(shí)1 314 s，總距離為584 km，最高穩(wěn)定車速為60 km/h，城市公交循環(huán)行駛工況圖如圖1所示。由圖1可以看出，城市公交循環(huán)系統(tǒng)基本滿足各大城市公交車1 d的行駛情況（其中包括怠速、加速、制動(dòng)和停車），而且多數(shù)情況下，車速均在30 km/h左右；動(dòng)力指標(biāo)包括最高穩(wěn)定車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間[17]，由于公交車車速達(dá)不到100 km/h，故考慮0～50 km/h的加速。

2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配

2.1.1目標(biāo)工況功率。目標(biāo)工況功率為

Pcyc_t=13 600ηtCDAv2t21.15+mgf+mδvt-vt-13.6dtvt（1）

式中，Pcyc_t為車輛在城市循環(huán)工況中t時(shí)刻對應(yīng)的功率；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；vt為當(dāng)前車速；vt-1為前一時(shí)刻車速；m為最大總質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；dt為采樣周期；ηt為傳動(dòng)系效率。

2.1.2動(dòng)力性能功率

1）最高車速功率為

Pv=13 600ηtmgfvmax+CDAv3max21.15（2）

式中，Pv表示最高車速時(shí)的功率；vmax表示最高車速。

2）加速功率為

Pa=13 600ηtmgfv+CDAv321.15+mδvdvdt（3）

式中，Pa表示車輛加速時(shí)的功率；v表示車速；dv/dt表示車輛加速度。

3）爬坡功率為

2.2增程器匹配

增程器的作用是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給動(dòng)力電池充電。增程器輸出功率要滿足車輛行駛的平均需求功率和其他耗電設(shè)備需求功率之和，因?yàn)樵龀唐魇怯砂l(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，發(fā)動(dòng)機(jī)將柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，期間的能量轉(zhuǎn)換會(huì)有相應(yīng)的功率損失。公交車在城市循環(huán)工況中的平均需求功率為38 kW。另外，增程器還需要維持其他耗電設(shè)備的功率需求，大約12 kW[18]，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為

Pe=50η（5）

式中，Pe表示發(fā)動(dòng)機(jī)功率；η表示增程器傳遞效率，取86%。

由式（5）可得，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為58 kW。本文選用某牌發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為185 L，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，峰值功率為100 kW；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800～3 000 r/min時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩為300 N·m。

增程器通常采用交流同步發(fā)電機(jī)、交流感應(yīng)發(fā)電機(jī)和交流永磁同步發(fā)電機(jī)。其中，交流永磁同步發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量小，功率密度大且效率高，符合增程器發(fā)電機(jī)要求。某型交流永磁同步發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，最大功率為80 kW，電壓為360～650 V；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 300 r/min時(shí)，其額定功率為40 kW。

2.3動(dòng)力電池匹配

為了滿足工況的功率需求和能量需求，動(dòng)力電池的最大功率為95 kW；考慮能量需滿足續(xù)航里程要求，城市循環(huán)工況平均需求功率為50 kW，即平均速度下的功率需求。

3仿真與分析

能量控制策略是整車控制的重要環(huán)節(jié)[19]。近年來，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法用于新能源控制策略[20]，但其復(fù)雜程度高，難以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)，而基于規(guī)則的能量控制策略相對簡單[21]，且開發(fā)周期短，在實(shí)車中應(yīng)用較多。增程式電動(dòng)汽車通常分為純電動(dòng)模式和增程模式，純電動(dòng)模式下，由動(dòng)力電池提供所有的動(dòng)力需求，增程器不工作；當(dāng)降到荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）下限值時(shí)，增程器開啟，增程器可提供車輛行駛的平均需求功率，維持動(dòng)力電池SOC平衡，保護(hù)電池壽命。始終工作在高效率區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗最低，這是增程器控制策略的基本思路，問題的關(guān)鍵在于動(dòng)力電池放電的SOC上下限，以及增程模式下如何維持動(dòng)力電池SOC不變，即使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在一個(gè)固定轉(zhuǎn)速下，實(shí)時(shí)維持動(dòng)態(tài)平衡。

本研究采用不同的放電倍率對動(dòng)力電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)[22]，不同的放電倍是為模擬電動(dòng)汽車在城市循環(huán)工況中不同速度時(shí)的放電電流，小的放電電流表示車速較慢，大的放電電流表示車速較高或加速。在不同放電倍率下，磷酸鐵鋰電池的極化電壓曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)SOC在＼[02 09＼]時(shí)，磷酸鐵鋰電池的極化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，區(qū)間極化電壓小，且穩(wěn)定，可以充分利用電池的儲(chǔ)能作用。當(dāng)充放電趨于完成時(shí)，變化明顯，而末端極化電壓的變化太大，極化電壓不穩(wěn)定，不適合電池儲(chǔ)能。因此，動(dòng)力電池放電的SOC上下限為[02，09]。

AVLCruise軟件可以用于車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真，其模塊化的建?？墒乖O(shè)計(jì)者根據(jù)不同要求，搭建不同結(jié)構(gòu)的車輛模型，而駕駛員模塊的加入，可以較好地模擬真實(shí)行駛路況，比其他仿真軟件更貼近實(shí)際，并且復(fù)雜精確的求解器，可以保證計(jì)算速度和結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)設(shè)計(jì)者的意圖，Simulink可以搭建控制策略，并將控制策略進(jìn)行編譯，同時(shí)根據(jù)AVLCruise自帶的接口與編譯后的控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真，既可以驗(yàn)證參數(shù)匹配的

合理程度，也可以驗(yàn)證控制策略的合理性。

首先搭建增程式電動(dòng)汽車整車模型，增程式電動(dòng)汽車整車模型如圖3所示。其次利用Simulink軟件的stateflow搭建控制策略，此策略包括發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和駐車狀態(tài)3個(gè)狀態(tài)。當(dāng)動(dòng)力電池SOC高于02時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，由動(dòng)力電池提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車行駛；當(dāng)動(dòng)力電池SOC高于02時(shí)，觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。首先怠速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min，然后通過PI控制，使轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到1 800 r/min，且穩(wěn)定在1 800 r/min。PI控制具有很好的實(shí)時(shí)跟蹤性能和魯棒性[17]，特別適合增程器這種機(jī)電耦合的復(fù)雜系統(tǒng)；當(dāng)SOC低于01時(shí)，則PI控制會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定調(diào)到3 000 r/min，輸出功率迅速提高；當(dāng)電池SOC大于015時(shí)，重新回到上一狀態(tài)，根據(jù)公交城市循環(huán)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 800 r/min，基本能維持動(dòng)力輸出和動(dòng)力電池SOC平衡，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)，油耗低，當(dāng)制動(dòng)時(shí)，會(huì)進(jìn)入駐車狀態(tài)，當(dāng)接收到加速信號，回到發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。增程器控制策略如圖4所示。

公交車每日行駛距離約232 km，相當(dāng)于40個(gè)城市循環(huán)工況，將控制策略編譯后導(dǎo)入Cruise整車模型，并在40個(gè)城市循環(huán)工況中進(jìn)行仿真，動(dòng)力電池SOC變化曲線如圖5所示，電耗和油耗變化圖如圖6所示，純電動(dòng)和增程式電流對比如圖7所示。

由圖5可以看出，動(dòng)力電池SOC變化范圍為[02，09]。當(dāng)仿真時(shí)間為22 000 s時(shí)，SOC為02，說明在此之前，動(dòng)力電池單獨(dú)維持車輛行駛的需求功率，在之后的仿真過程中，動(dòng)力電池SOC維持在02左右，說明此時(shí)增程器開啟，由增程器提供的平均功率來維持動(dòng)力平衡，達(dá)到控制SOC動(dòng)態(tài)平衡的目的；由圖6可以看出，當(dāng)仿真時(shí)間為22 000 s時(shí)，油耗曲線出現(xiàn)，電耗曲線下降，說明此刻發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，增程模式開啟；由圖6還可以看出，仿真時(shí)間低于22 000 s時(shí)為純電動(dòng)工作模式。以一個(gè)循環(huán)持續(xù)1 314 s，大約續(xù)航里程97 km，耗電55 kWh，則電耗為26 kWh/百公里，按照05元/kWh成本計(jì)算，我國典型公交工況下電耗為28元/百公里；40個(gè)城市公交循環(huán)前97 km由動(dòng)力電池提供動(dòng)力，剩下大約有135 km由增程器提供動(dòng)力，油耗大約為2965 L，折合油耗為218 L/百公里。其原因是發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于高效率工作區(qū)，油耗低，所以比實(shí)際運(yùn)行的公交車油耗低。由圖7可以看出，在純電動(dòng)模式和增程模式下動(dòng)力電池電流的變化情況，在仿真時(shí)間為22 000 s之前，其電流變化范圍大于22 000 s之后的電流變化范圍，說明增程式模式下，放電電流減小，電池的功率輸出減少，起到保護(hù)電池的作用。

4結(jié)束語

本文主要對增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與控制策略進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，在純電動(dòng)模式下，動(dòng)力電池可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，且續(xù)航里程達(dá)到設(shè)計(jì)要求，動(dòng)力電池動(dòng)力參數(shù)匹配合理；在增程模式下，增程器可以滿足車輛行駛的動(dòng)力需求，且經(jīng)濟(jì)性良好，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)匹配合理；增程式控制策略在整車模型中得到了體現(xiàn)，PI控制可以使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地達(dá)到1 800 r/min，在此轉(zhuǎn)速下，增程器輸出功率滿足城市循環(huán)工況的平均功率，可以使動(dòng)力電池在增程模式下SOC維持在02左右。仿真結(jié)果表明，此轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)效率高、油耗低，滿足設(shè)計(jì)要求，并利用AVLCruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了動(dòng)力參數(shù)匹配和增程式控制策略的合理性。該研究為后期公交車動(dòng)力參數(shù)匹配和控制策略開發(fā)提供了理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文亮， 武斌， 李武峰， 等. 我國純電動(dòng)汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2009， 33（4）： 15.

[2]賀俊杰， 王耀南， 申永鵬， 等. 增程式電動(dòng)汽車控制策路的優(yōu)化研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2015， 51（24）： 205209.

[3]Imai K， Ashida T， Zhang Y， et al. Theoretical Performanceof EV Range Extender Compared with Plugin Hybrid[J]. Journal of Asian Electric Vehicles， 2008， 6（2）： 11811184.

[4]周蘇， 李飛鴻， 馬天才， 等. 車用可插拔式燃料電池增程器匹配設(shè)計(jì)研究[J]. 汽車工程， 2011， 33（9）： 818822.

[5]贠海濤， 萬鋼， 孫澤昌. 燃料電池汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)配置及參數(shù)優(yōu)化匹配[J]. 汽車工程， 2006， 8（8）： 729733.

[6]彭濤， 陳全世， 田光宇， 等. 并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2003， 39（2）；69.

[7]Canova M， Guezennec Y， Yurkovich S. On the Control of Engine Start/Stop Dynamics in a Hybrid Electric Vehicle[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement&Control， 2009， 131（6）： 636650.

[8]Li J Q， Zhou L， Zhou W. A Control Strategy to Reduce Fuel Consumption of APU for RangeExtended Electric Vehicle[J]. EMEIT， 2012， 12（2）： 21322136.

[9]Aharon I， Kuperman A. Topological Overview of Powertrains for BatteryPowered Vehicles with RangeExtenders[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2011， 26（3）： 868876.

[10]Tate E D. The Electrification of the Automobile： from Conventional Hybrid， to Plugin Hybrids， to ExtendedRange Electric Vehicles[J]. SAE International Journal of Passenger CarsElectronic and Electrical Systems， 2008， 1（1）： 156166.

[11]周蘇， 牛繼高， 陳鳳祥， 等. 增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J]. 汽車工程， 2011， 33（11）： 924929.

[12]何彬， 程夕明， 曹桂軍， 等. 串聯(lián)式混合動(dòng)力輔助動(dòng)力單元?jiǎng)討B(tài)控制研究[J]. 汽車工程， 2006， 28（1）： 1216.

[13]Li C C， Peng H， Jeon S， et al. Control of a Hybrid Electric Truck Based OndrivingPattemRecognition[C]∥Proceeding of the AVEC， Hiroshima， Japan： AVEC， 2002.

[14]Schoutcn N J， Salman M A， Kheir N A. Energy Management Strategies for Parallel Hybrid Vehicles Using Fuzzy Logic[J]. Control Engineering Practice， 2003， 11（2）： 171177.

[15]朱詩順， 任永樂， 張?jiān)聻I， 等. 基于電量平衡的串聯(lián)混合動(dòng)力汽車瞬時(shí)優(yōu)化控制[J]. 中國機(jī)械工程， 2008， 6（1）： 1318.

[16]Delprat S， Cuerra T M， Paganelli G， et al. Control Strategy Optimization for a Hybrid Parallel Powertrain[C]∥Proceeding of the American control conference， Arlington， VA， USA： IEEE， 2001： 2527.

[17]張文春. 汽車?yán)碚揫M]. 2版. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2010.

[18]陳全世， 朱家璉， 田光宇. 先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.

[19]FeroldiD， Serra M， Riera J. Energy Management Strategies Based on Efficiency Map for Fuel Cell Hybridvehicles[J]. Journal of Power Sources， 2009， 190（2）： 387401.

[20]尹安東， 趙韓， 張輝. 基于模糊控制與微粒群優(yōu)化的混合動(dòng)力客車控制策略研究 [J]. 汽車工程， 2011， 33（7）： 553557.

[21]熊偉威， 舒杰， 張勇， 等. 一種混聯(lián)式混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 42（8）： 13241328.

[22]陳銳， 羅禹貢， 馬士奔. 混合動(dòng)力特種車APU控制系統(tǒng)開發(fā)[J]. 車輛與動(dòng)力技術(shù)， 2007， 3（1）： 3236.