王巧麗　張俊霞　李陽　鄧飛龍

摘 要：設(shè)計(jì)了基于CD-ECMS的動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，優(yōu)化車輛的參數(shù)，提升車輛的綜合性能。新的動(dòng)力匹配模塊根據(jù)路況、車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息科學(xué)匹配電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，提升發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作協(xié)調(diào)能力，改善車輛動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，新的控制算法嵌入到插電式混合動(dòng)力的動(dòng)力控制系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：新的動(dòng)力匹配算法避免能量的二次轉(zhuǎn)換，對(duì)比ECMS和CD-CS控制策略，百公里油耗分別降低了0.31L和0.11L，電池轉(zhuǎn)換效率分別提升了1.2%和11.2%，SOC分別下降了3%和7%，綜合效率分別提升了1%和19%。

關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力汽車 控制系統(tǒng) 動(dòng)力匹配 能量管理

改善整車的動(dòng)力性能、提高能源的利用率、減少污染物的排放，提高車輛行駛效率、車輛對(duì)路況的適應(yīng)能力、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搭建更優(yōu)的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)平臺(tái)。

1 數(shù)據(jù)采集

插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力匹配數(shù)據(jù)采集主要包括車輛工況信息、路況信息與大數(shù)據(jù)信息采集的綜合數(shù)據(jù)采集模塊，用于數(shù)據(jù)采集。

1.1 工作模式與參數(shù)

車輛的工況信息包括車輛的基本參數(shù)，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、排量、百公里油耗、最大扭矩、最大輸出功率、最高時(shí)速、最大轉(zhuǎn)速、變速箱型號(hào)、檔位個(gè)數(shù)、電機(jī)最大輸出功率、電池容量、續(xù)航里程、車輛的底盤信息、車輛的整備質(zhì)量等信息。

1.1.1 車輛工作模式

（1）純電動(dòng)工作模式：離合器2斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)暫停工作，啟動(dòng)電機(jī)與ECVT系統(tǒng)；

（2）剎車過程能量回收：離合器2斷開，慣性驅(qū)動(dòng)車輛，驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)動(dòng)機(jī)，能量回收；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)：離合1閉合，W-DCT工作，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；

（4）混合驅(qū)動(dòng)：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器閉合，兩個(gè)變速器工作，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛；

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與充電結(jié)合：發(fā)動(dòng)機(jī)工作、車輛行駛，電機(jī)給電池充電；

（6）怠速充電模式：分純發(fā)動(dòng)機(jī)和市電模式；

（7）下坡或慣性充電模式：發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)停止動(dòng)力輸出，車輛繼續(xù)行駛帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)給電池充電。

1.1.2 基本參數(shù)

結(jié)合前面的要求，選定的試驗(yàn)樣車為大眾2021款邁騰的插電式混合動(dòng)力汽車。

1.2 信息采集

（1）基于車況的信息采集：車況的信息采集包括車速、輸出扭矩、輸出功率、負(fù)荷、工作模式、蓄電池的容量、當(dāng)前油量、可續(xù)航里程、輪速、檔位信息、油電輸出混合系數(shù)等；

（2）基于路況的信息采集：車輛的路況信息包括道路類型、坡度、過彎半徑、最高限速等信息；

（3）基于大數(shù)據(jù)的信息采集：包括同等路況信息、類似路況信息、同系列車況信息、當(dāng)前車輛歷史數(shù)據(jù)信息，獲取最佳的輸入信息。

2 動(dòng)力模型設(shè)計(jì)

模型包括基于路況信息的動(dòng)力匹配模塊、基于車況信息的動(dòng)力匹配模塊和智聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)動(dòng)力匹配模塊。

2.1 新的混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)體系

新的混合動(dòng)力汽車控制體系主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、電機(jī)控制、能量管理模塊、動(dòng)力匹配模塊、工作模塊、底盤系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制信息。

2.2 基于車輛工況與路況結(jié)合的動(dòng)力匹配模型

基于車輛工況的動(dòng)力匹配主要包括歷史數(shù)據(jù)信息：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱檔位信息、最大扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、電機(jī)輸出功率、電池實(shí)時(shí)容量、最低保護(hù)電量、最大續(xù)航里程、實(shí)際續(xù)航里程等信息。

基于路況信息的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力匹配主要根據(jù)實(shí)時(shí)車況信息、已有的路況信息計(jì)算車輛的實(shí)時(shí)動(dòng)力輸出，構(gòu)筑新的混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力匹配模型?；诟咚俟返能囕v總負(fù)荷預(yù)測(cè)，默認(rèn)高速公路的最大限速為120km/h，車輛總質(zhì)量為m，含整備質(zhì)量、旅客質(zhì)量、行李質(zhì)量等。插電式混合動(dòng)力汽車在t時(shí)刻的總負(fù)荷如公式2所示。

式中：為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作效率、為發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、為車輛的正面投影面積、為滾動(dòng)摩擦系數(shù)、為空氣阻力系數(shù)、g為重力加速度，為車輛行駛過程中的坡度，為車輛在t時(shí)刻的坡度，v（t）為實(shí)時(shí)車速、為車輛的質(zhì)量。車輛的時(shí)速為60km/h、車輛總質(zhì)量為2000kg、坡度為0.32、t時(shí)刻以前的平均滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.012，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為0.286，電機(jī)的工作效率為0.663、風(fēng)阻系數(shù)為0.36，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到t時(shí)刻混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平均總功率為23.63kW。當(dāng)車輛在運(yùn)行的過程中存在加速與減速的情況。傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率越高，加速度也越大，大眾邁騰混動(dòng)版的車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為，取值為0.5。插電式混合動(dòng)力汽車的最大加速度狀態(tài)下的輸出總功率如公式3所示，車輛最大加速度輸出總功率。

以大眾邁騰插電式混合動(dòng)力汽車在坡度為0的測(cè)試道路情況下的百公里加速過程中總輸出為例，則v（t）=27.77m/s，百公里加速時(shí)間為7.7秒，百公里加速的最大計(jì)算如公式4所示，邁騰插電式混合的動(dòng)力汽車的百公里加速時(shí)的輸出總功率為86.9kW，車輛采用電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)時(shí)最大功率可以達(dá)到240kW，存在后備輸出負(fù)荷。測(cè)試過程中，車輛在行駛過程中存在坡度、最大加速、一般減速和平路等情況，總結(jié)為高速公路、山路、城市道路、郊區(qū)道路和混合型道路等四種情況。

2.3 基于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)力匹配

基于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)力匹配模塊基于車輛工況、路況等信息的動(dòng)力匹配，結(jié)合車輛的實(shí)時(shí)工況、實(shí)時(shí)路況、歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合同等路況、同等車況的動(dòng)力匹配，盡最大的可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的協(xié)同工作能力。

基于車聯(lián)網(wǎng)的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力匹配過程還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的平均輸出功率，設(shè)定車輛測(cè)試過程中充當(dāng)路況為混合型路況，測(cè)試過程中平均速度為82.12km/h，最高速度為123.79km/h，最低速度為15.21km/h。汽車的旋轉(zhuǎn)與質(zhì)量的換算平均系數(shù)為0.486。

3 基于路況與駕駛質(zhì)量的模型設(shè)計(jì)

新的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力匹配仿真環(huán)境包括了車輛系統(tǒng)、路況信息、同等路況信息、同等車輛信息等基礎(chǔ)環(huán)境，系統(tǒng)仿真的軟件環(huán)境包括操作系統(tǒng)、中德汽車專用仿真模塊、MATLAB Simulate軟件環(huán)境、Cruise系統(tǒng)仿真環(huán)境。

3.1 基于路況的整車動(dòng)力模型

考慮車輛的百公里耗電和百公里耗油，綜合考慮燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛污染物排放等問題，對(duì)車輛輪胎、底盤在側(cè)方位的干擾給予忽略，把車輛看成一個(gè)理想的平面運(yùn)動(dòng)剛體，建立適合實(shí)驗(yàn)車輛實(shí)際情況的縱向分析為主、橫向分析為輔的動(dòng)力分析模型。動(dòng)力包括滾動(dòng)摩擦阻力、坡度阻力、車輪動(dòng)力、加速阻力。

輸出的扭矩通過車輛傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整改變其傳動(dòng)比，變速系統(tǒng)的輸入扭矩包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，總轉(zhuǎn)矩滿足公示7所示的要求。

（7）

式中，為測(cè)試車輛輪胎為0.802m、和分別為濕式雙離合變速器（W-DCT，Wet Dual Clutch Transmission））和電子無級(jí)變速器（ECVT，Electronic Continuously Variable Transmission）的傳動(dòng)比。

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)模型

在ADVISOR中處理輸入/輸出數(shù)據(jù)，在Simulink中建立仿真模型，分析車輛的油耗。

式中：和分別為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速為680rpm到700rpm，單位時(shí)間的燃油消耗為g/s，扭矩為。

3.1.2 電池與變速器模型

在混合動(dòng)力汽車建模中，電池電能的消耗過程中，通過電磁內(nèi)阻串聯(lián)模型分析電池的電能消耗，根據(jù)基爾霍夫理論分析串聯(lián)電池系統(tǒng)的電壓電流，如公式9，電池容量如公式10所示。

式中：為電池輸出負(fù)荷，為t時(shí)刻的開路電壓，為電池的內(nèi)阻，和為t時(shí)刻電池的容量和初始容量，為最大容量（單位為Ah）。

車輛的轉(zhuǎn)速與扭矩改變依賴于變速系統(tǒng)，動(dòng)力端和傳動(dòng)端的比值滿足公示11和公式12的約束。

式中：和分別為WDCT和ECVT的傳動(dòng)比，和為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入和輸出端的轉(zhuǎn)速，和為電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

3.1.3 駕駛指令模型

駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行駕駛過程中需要通過油門、剎車、檔位對(duì)車輛進(jìn)行主要的控制，其中WDCT的檔位分為1到8檔，ECVT的檔位分為1到6檔，分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，油門由節(jié)氣門開度、油門踏板開度等信息表示，剎車由制動(dòng)踏板開度和制動(dòng)行程等信息表示。

式中，、、和分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩和請(qǐng)求的總轉(zhuǎn)矩。

3.2 基于ECM的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力匹配

基于ECM的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力匹配需要發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力匹配，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的協(xié)同控制，結(jié)合電池電量與燃油的消耗，控制發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的的動(dòng)力匹配遵循電能優(yōu)先、能量流最小、駕駛需求與制動(dòng)結(jié)合的原則。

式中：為t時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)能量消耗，為t時(shí)刻電機(jī)的電能消耗，、為t時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，和分別為t時(shí)刻電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過瞬時(shí)等效燃油消耗（ECMS，Equivalent consumption minimization strategy）推算最低油耗。

3.2.1 ECMS策略電池電量使用規(guī)律

理想的電池的荷電狀態(tài)（SOC，Static of charge）全程趨向線性下降，采用CD-CS控制策略進(jìn)行動(dòng)力匹配與能量管理。

3.2.2 ECMS扭矩分配規(guī)律

在優(yōu)化策略控制下，等效因子越大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)區(qū)域和等效因子同時(shí)變小，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛、下坡、剎車過程中電機(jī)充電。

4 基于ECM的動(dòng)力匹配

4.1 整車控制

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)反饋的狀態(tài)信息獲如圖2所示的整車控制。

4.2 能量管理與動(dòng)力匹配

電量保護(hù)閾值為電量的20%，小于次閾值時(shí)不能啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。仿真工況包括6個(gè)NEDC循環(huán)，總里程66公里，總時(shí)間為7200S，電池閥值SOC CD為0.2，電池容量大于0.4時(shí)啟動(dòng)純電動(dòng)模式。

CD-ECM控制策略工作效率、燃油消耗、SOC變化、電池的轉(zhuǎn)化率、綜合效率均優(yōu)于CD-CS策略、ECM策略，本文設(shè)計(jì)的CD-ECMS控制策略有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

等效因子取值越小，電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)扭矩越大，從而導(dǎo)致電池SOC下降越快；而發(fā)電扭矩越大，從而導(dǎo)致電池SOC下降更慢，甚至出現(xiàn)SOC上升。在PHEV中，應(yīng)盡量避免能量的二次轉(zhuǎn)換，若等效因子選取不當(dāng)，必然出現(xiàn)能量的二次轉(zhuǎn)換。

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