陳夢(mèng)青 劉宏江 張運(yùn)泰 李連豹 韋 虹

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

混合動(dòng)力汽車(chē)以其靈活的布置形式、多元化的架構(gòu)、優(yōu)良的控制策略，在實(shí)現(xiàn)高熱效率的同時(shí)，兼具卓越的燃油經(jīng)濟(jì)性，成為當(dāng)前汽車(chē)企業(yè)的市場(chǎng)戰(zhàn)略之一。能量管理控制策略作為混合動(dòng)力汽車(chē)的核心控制算法，是整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性及部件安全可靠性的重要保障。通過(guò)合理地分配驅(qū)動(dòng)能量，協(xié)調(diào)制動(dòng)與能量回收的關(guān)系，以滿(mǎn)足不同的整車(chē)功率需求[1]。因此，對(duì)能量管理控制策略進(jìn)行研究對(duì)提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的節(jié)能減排目標(biāo)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文以某品牌混合動(dòng)力汽車(chē)為研究對(duì)象，利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)和CAN 信號(hào)解析方法獲取整車(chē)性能數(shù)據(jù)，分析其混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制架構(gòu)、控制邏輯、關(guān)鍵控制參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)模式切換閾值；對(duì)樣車(chē)進(jìn)行固定車(chē)速、固定加速踏板開(kāi)度試驗(yàn)，解析在加速踏板開(kāi)度、電池SOC、車(chē)速等發(fā)生變化的條件下，整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)與關(guān)鍵子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配輸出機(jī)制；測(cè)試滑行與制動(dòng)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(yàn)工況設(shè)計(jì)

本文所選取的某品牌混合動(dòng)力汽車(chē)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽車(chē)主要參數(shù)

以車(chē)速、加速踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度和電池SOC 等為變量設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，見(jiàn)表2。

2 測(cè)試方法

2.1 信號(hào)獲取

獲取整車(chē)測(cè)量信號(hào)的方式分為2 種，一種是要求精度高的信號(hào)，可通過(guò)安裝傳感器直接測(cè)量，例如半軸轉(zhuǎn)矩、高壓電池母線電流、低壓蓄電池電流和電壓、整車(chē)?yán)塾?jì)油耗等關(guān)鍵信號(hào)；另一種是無(wú)法直接測(cè)量的關(guān)鍵信號(hào)，可通過(guò)發(fā)送診斷數(shù)據(jù)請(qǐng)求，解析整車(chē)CAN 總線信號(hào)，結(jié)合診斷請(qǐng)求信號(hào)和CAN 信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將獲取到的傳感器測(cè)量信號(hào)與CAN 信號(hào)同步到多路CAN 通訊設(shè)備，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理與分析[2]。CAN 信號(hào)清單見(jiàn)表3。

表3 CAN 信號(hào)清單

2.2 底盤(pán)測(cè)功機(jī)設(shè)置

根據(jù)GB 18352.6-2016 《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[3]要求，將車(chē)輛固定于底盤(pán)測(cè)功機(jī)。根據(jù)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)模式和能量回收特性設(shè)置測(cè)功機(jī)，使車(chē)輛保持前輪驅(qū)動(dòng)，后輪隨動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

3 工作模式

車(chē)輛的工作模式分為3 種，如圖1 所示。

圖1 車(chē)輛驅(qū)動(dòng)模式

1）純電動(dòng)模式。僅電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)不工作。

2）串聯(lián)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或發(fā)電，電池可充電、可放電。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)工作，離合器接合，直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作。

4 驅(qū)動(dòng)能量管理控制策略

4.1 固定車(chē)速

在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，采用轉(zhuǎn)轂-車(chē)速控制模式，觀察不同加速踏板開(kāi)度下SOC 的平衡規(guī)律。

60 km/h 的固定車(chē)速下，加速踏板開(kāi)度較小時(shí)，不同加速踏板開(kāi)度下，SOC 的平衡規(guī)律如圖2 所示。

圖2 60 km/h 車(chē)速下SOC 平衡規(guī)律（周期波動(dòng)）

從圖2 可以看出，60 km/h 的固定車(chē)速下，加速踏板開(kāi)度恒定10%，當(dāng)SOC 為30%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，起動(dòng)功率為17～21 kW，電池包充電功率為9～12 kW；當(dāng)SOC 高于41%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。加速踏板開(kāi)度恒定25%，當(dāng)SOC 低于37%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，起動(dòng)功率為20～26 kW，電池包充電功率為5～10 kW；當(dāng)SOC高于49%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。由此可知，同一車(chē)速下，加速踏板開(kāi)度較小時(shí)，不同加速踏板開(kāi)度下，SOC 呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。

60 km/h 的固定車(chē)速下，加速踏板開(kāi)度較大時(shí)，不同加速踏板開(kāi)度下，SOC 的平衡規(guī)律如圖3 所示。

圖3 60 km/h 車(chē)速下SOC 平衡規(guī)律（穩(wěn)定）

從圖3 可以看出，60 km/h 的固定車(chē)速下，40%加速踏板開(kāi)度時(shí)，SOC 最終穩(wěn)定在41%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在2 950 r/min，整車(chē)維持勻速狀態(tài)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(tài)。50%和60%加速踏板開(kāi)度時(shí)，電池均處于充放電平衡狀態(tài)，SOC 均穩(wěn)定在23%。

由此可知，固定車(chē)速下，整車(chē)需求功率較小時(shí)，當(dāng)SOC 低于最小閾值，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，通過(guò)發(fā)電機(jī)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，多余的能量給電池包充電，車(chē)輛進(jìn)入串聯(lián)模式；當(dāng)SOC 高于最大閾值，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，進(jìn)入純電動(dòng)模式。整車(chē)需求功率較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量通過(guò)發(fā)電機(jī)，主要用于提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，電池處于充放電平衡狀態(tài)。相同車(chē)速下，隨著加速踏板開(kāi)度的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的SOC 最小閾值增大；當(dāng)加速踏板開(kāi)度高于30%時(shí)，SOC 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 固定加速踏板開(kāi)度

在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，模擬道路阻力，通過(guò)控制加速踏板開(kāi)度，分析不同加速踏板開(kāi)度下的pedal map（車(chē)輛加速度或動(dòng)力總成輸出轉(zhuǎn)矩隨加速踏板開(kāi)度和車(chē)速變化而變化的一種關(guān)系圖），以研究車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)能量管理策略。Normal 模式下車(chē)輛加速度的pedal map 如圖4 所示。

圖4 Normal 模式下車(chē)輛加速度的pedal map

由圖4 可知，Normal 模式下，5%～15%加速踏板開(kāi)度，加速度較低，有利于低速工況的車(chē)速控制，此時(shí)車(chē)輛主要在串聯(lián)與純電動(dòng)模式之間切換，通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)間，實(shí)現(xiàn)降低整車(chē)油耗和排放的目的；50%加速踏板開(kāi)度，加速度曲線均勻分布；60%～80%加速踏板開(kāi)度，加速度大小基本相當(dāng)；80%加速踏板開(kāi)度以上，整車(chē)側(cè)重于加速性能，以滿(mǎn)足駕駛需求，此時(shí)車(chē)輛主要工作在串聯(lián)模式，通過(guò)多能量源實(shí)現(xiàn)高的功率輸出。

圖5 為Normal 模式下半軸轉(zhuǎn)矩的pedal map。

圖5 Normal 模式下半軸轉(zhuǎn)矩的pedal map

由圖5 可知，Normal 模式下，半軸轉(zhuǎn)矩曲線的變化趨勢(shì)與車(chē)輛加速度曲線的變化趨勢(shì)基本一致。從圖4 和圖5 可以看出，當(dāng)加速踏板開(kāi)度為100%時(shí)，最大加速度為4.7 m/s2，最大半軸轉(zhuǎn)矩為2 100 N·m。此時(shí)，車(chē)輛工作在串聯(lián)模式，整車(chē)需求功率較高，發(fā)動(dòng)機(jī)與電池共同作為能量源，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率輸出，以克服阻力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

5 能量回收管理控制策略

能量回收是通過(guò)電機(jī)將車(chē)輛多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在高壓電池中，用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。能量回收管理極大地提高了混合動(dòng)力汽車(chē)的能量利用率，有利于降低整車(chē)油耗[4]。

5.1 滑行能量回收

滑行能量回收是指汽車(chē)行駛過(guò)程中，松開(kāi)加速踏板，依靠慣性作用行駛，通過(guò)能量管理控制策略實(shí)現(xiàn)能量回收[5]。

圖6 為60 km/h 初始車(chē)速，D 擋滑行的能量回收狀況。

圖6 60 km/h 初始車(chē)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(chē)速，D 擋滑行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由正變負(fù)，回收車(chē)輛動(dòng)能，給高壓電池充電，最大充電功率為5.8 kW；發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)不工作；當(dāng)車(chē)速降至10 km/h，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收轉(zhuǎn)矩迅速減小，直至進(jìn)入蠕行，車(chē)輛切換成純電動(dòng)模式，高壓電池放電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由負(fù)變正，克服阻力使車(chē)輛前進(jìn)。

不同初始車(chē)速下（以20 km/h 為間隔），混合動(dòng)力汽車(chē)的滑行能量回收量如圖7 所示。圖7 中，縱坐標(biāo)上的負(fù)值越大，說(shuō)明回收的能量越多。

圖7 不同初始車(chē)速下滑行能量回收量

分析圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著初始車(chē)速的增加，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收能量越多，給動(dòng)力電池充電的能量越多。初始車(chē)速為120 km/h 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收能量最多，為443kJ；平均能量回收強(qiáng)度約為76%。

5.2 制動(dòng)能量回收

制動(dòng)能量回收是指汽車(chē)行駛過(guò)程中，踩制動(dòng)踏板，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)能量管理控制策略實(shí)現(xiàn)能量回收[6-7]。

5.2.1 小強(qiáng)度制動(dòng)工況

10%制動(dòng)踏板開(kāi)度（小強(qiáng)度制動(dòng)工況），制動(dòng)能量回收狀況如圖8 所示。

圖8 10%制動(dòng)踏板開(kāi)度制動(dòng)能量回收狀況

分析圖8 可知，10%制動(dòng)踏板開(kāi)度（小強(qiáng)度制動(dòng)工況），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降至停機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由正變負(fù)，進(jìn)行能量回收，最大回收轉(zhuǎn)矩為132 N·m，此時(shí)車(chē)輛以電機(jī)再生制動(dòng)為主。

5.2.2 中等強(qiáng)度制動(dòng)工況

30%制動(dòng)踏板開(kāi)度（中等強(qiáng)度制動(dòng)工況），制動(dòng)能量回收狀況如圖9 所示。

圖9 30%制動(dòng)踏板開(kāi)度制動(dòng)能量回收狀況

分析圖9 可知，30%制動(dòng)踏板開(kāi)度（中等強(qiáng)度制動(dòng)工況），驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)能量回收量減少，回收轉(zhuǎn)矩維持時(shí)間較短，通過(guò)液壓制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)，減少能量損失的同時(shí)，達(dá)到快速停車(chē)的目的。

5.2.3 高強(qiáng)度制動(dòng)工況

40%制動(dòng)踏板開(kāi)度（高強(qiáng)度制動(dòng)工況），制動(dòng)能量回收狀況如圖10 所示。

圖10 40%制動(dòng)踏板開(kāi)度制動(dòng)能量回收狀況

分析圖10 可知，40%制動(dòng)踏板開(kāi)度（高強(qiáng)度制動(dòng)工況），驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)能量回收量極少，以液壓制動(dòng)為主，保證制動(dòng)安全。

不同制動(dòng)踏板開(kāi)度下（以5%制動(dòng)踏板開(kāi)度為間隔），混合動(dòng)力汽車(chē)的制動(dòng)能量回收量如圖11 所示。圖11 中，縱坐標(biāo)上的負(fù)值越大，說(shuō)明回收的能量越多。

圖11 不同制動(dòng)踏板開(kāi)度下制動(dòng)能量回收量

分析圖11 可以發(fā)現(xiàn)，隨著制動(dòng)踏板開(kāi)度的增加，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收的制動(dòng)能量減少。10%制動(dòng)踏板開(kāi)度，制動(dòng)能量回收量為465 kJ；30%制動(dòng)踏板開(kāi)度，制動(dòng)能量回收量為270 kJ；40%制動(dòng)踏板開(kāi)度，制動(dòng)能量回收量為35 kJ。當(dāng)制動(dòng)踏板開(kāi)度大于40%時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎不再進(jìn)行能量回收，以制動(dòng)安全為主。

5.3 SOC 對(duì)制動(dòng)能量回收的影響

高壓電池的SOC 是影響混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)性能的重要參數(shù)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(shè)定相同初始車(chē)速為100km/h，設(shè)計(jì)試驗(yàn)矩陣，探討SOC 對(duì)制動(dòng)能量回收的影響。相同初始車(chē)速下，同一制動(dòng)踏板開(kāi)度，SOC 對(duì)制動(dòng)能量回收影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。表4 中，回收能量欄中，負(fù)值越大，說(shuō)明回收的能量越多。

表4 SOC 對(duì)制動(dòng)能量回收影響試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，相同初始車(chē)速下，同一制動(dòng)踏板開(kāi)度，SOC 的高低影響發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)能量回收無(wú)太大影響。

當(dāng)SOC 處于較低水平時(shí)，踩下制動(dòng)踏板前，發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于工作狀態(tài)；制動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行能量回收。

當(dāng)SOC 極高時(shí)，踩下制動(dòng)踏板前，發(fā)動(dòng)機(jī)已停機(jī)；制動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始進(jìn)行能量回收。

6 結(jié)論

1）混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停與加速踏板開(kāi)度和車(chē)速緊密相關(guān)，SOC 呈現(xiàn)周期性的規(guī)律變化或維持穩(wěn)定狀態(tài)。

2）Normal 模式下的pedal map 線性分布有利于維持車(chē)輛的駕駛性能及工作模式的切換，在兼顧動(dòng)力性的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

3）初始車(chē)速影響滑行能量回收，初始車(chē)速越高，回收的能量越多。

4）制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)相互動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。同一制動(dòng)初始速度條件下，隨著制動(dòng)踏板開(kāi)度的增大，電機(jī)再生制動(dòng)占比降低，回收的能量減少。

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

6）SOC 的高低對(duì)制動(dòng)能量回收無(wú)太大影響。

國(guó)家科研機(jī)構(gòu)要以國(guó)家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，著力解決影響制約國(guó)家發(fā)展全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的重大科技問(wèn)題，加快建設(shè)原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)。

——習(xí)近平總書(shū)記在中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上的講話(huà)