孫欽云，商高高

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

純電動(dòng)汽車具有零排放、電能來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但受制于電池技術(shù)，尚無法大規(guī)模使用，而傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車 (HEV)無論哪種結(jié)構(gòu)形式，主要還是通過內(nèi)燃機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛或給電池充電，導(dǎo)致節(jié)油率較低.插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (Plug-in hybrid electric vehicle，簡(jiǎn)寫為PHEV)結(jié)合了純電動(dòng)車和HEV的特點(diǎn)，在電池電量充足時(shí)，以純電動(dòng)車方式行駛;在電量較低和特殊工況時(shí)才開啟發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了節(jié)油率，降低了排放，成為近期研發(fā)的熱點(diǎn)，通用的volt和豐田的插電式prius都已上市銷售.

雖然PHEV是在傳統(tǒng)HEV的基礎(chǔ)上改變電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而得到的，但其工作模式有別于傳統(tǒng)的HEV.因此，對(duì)其不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析比較，確定何種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更適用于PHEV具有特別重要的意義.

由于混聯(lián)系統(tǒng)成本相對(duì)較高，文中對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)PHEV進(jìn)行分析研究，對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)對(duì)車輛性能、電能需求和行駛里程等方面的影響[1].

1 串、并聯(lián)PHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

為了滿足驅(qū)動(dòng)力矩需求，串聯(lián)PHEV具有較大的電機(jī)和電池，此結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電，不直接驅(qū)動(dòng)車輛，因而可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最高效率區(qū)間.在并聯(lián)PHEV中，控制策略可根據(jù)不同工況選擇驅(qū)動(dòng)形式，既可由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)又可由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，還可共同驅(qū)動(dòng)，從而在滿足車輛功率需求的前提下，獲得較高的效率.圖1、2分別為串、并聯(lián)PHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.

為了便于對(duì)比串、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)PHEV的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的影響，串聯(lián)PHEV的動(dòng)力系統(tǒng)除增加的發(fā)電機(jī)外，其余參數(shù)與并聯(lián)PHEV相同.對(duì)中型SUV進(jìn)行建模，參考某款中型SUV和市售動(dòng)力電池質(zhì)量，確定整車參數(shù)，結(jié)果如表1所示.

根據(jù)文獻(xiàn)資料，中國(guó)私家車工作日平均行駛里程為52.8 km[2]，因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足當(dāng)電池充滿電時(shí)，可以以低車速純電動(dòng)行駛60 km，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果見表2.

表1 整車部分參數(shù)

表2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

2 PHEV控制策略

控制策略的目標(biāo)是在滿足車輛動(dòng)力性的前提下，降低車輛油耗和排放.根據(jù)PHEV的特點(diǎn)，將控制策略分為兩部分，如圖3所示:電荷消耗(CD)模式和電荷保持 (CS)模式[3].PHEV運(yùn)行時(shí)，先以 CD模式運(yùn)行，當(dāng)電池荷電狀態(tài)(SOC)低于設(shè)定值后，車輛以CS模式運(yùn)行，其中，CS模式與傳統(tǒng)HEV相似.

圖3 PHEV運(yùn)行模式圖

仿真時(shí)，采用的循環(huán)工況里程為64.47 km，車輛行駛在CD模式范圍內(nèi)，因此，僅對(duì)CD模式進(jìn)行介紹.

電荷消耗時(shí)的控制策略采用恒溫控制策略和功率跟隨控制策略相結(jié)合的方法，此控制策略設(shè)置較大的SOC變化區(qū)間，可將電池深度放電，以充分發(fā)揮能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的作用.串、并聯(lián)PHEV仿真時(shí)，SOC初始值的設(shè)置相同，雖然兩者結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致控制策略的具體實(shí)施方式不同 (串聯(lián)PHEV通過發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輛;并聯(lián)PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸機(jī)械連接，輸出的能量直接參與驅(qū)動(dòng)車輛)，但發(fā)動(dòng)機(jī)的開啟邏輯相同，如下所示:① SOC低于設(shè)定閥值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟.②車輛需求功率大于電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)所能提供的功率并且持續(xù)時(shí)間大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟.

CD模式控制策略設(shè)計(jì)的原則是優(yōu)先使用電池存儲(chǔ)的能量，發(fā)動(dòng)機(jī)只在電池不能滿足車輛需求時(shí)使用.

3 PHEV仿真與結(jié)果分析

為了保證可對(duì)比性，仿真選擇了4次城市循環(huán)工況和1次高速循環(huán)工況，總里程64.47 km.如圖4所示.

圖4 循環(huán)工況圖

UDDS城市循環(huán)工況與其它城市循環(huán)工況相比，啟停次數(shù)較多，也可檢驗(yàn)再生制動(dòng)能力.高速工況選擇了HWFET循環(huán).循環(huán)工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示.

表3 循環(huán)工況統(tǒng)計(jì)表

串聯(lián)PHEV初始SOC值選擇為0.9，并聯(lián)式電池參數(shù)和初始SOC設(shè)置和串聯(lián)PHEV相同.電荷消耗模式結(jié)束SOC閥值設(shè)置為0.3，兩者驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)相同[4].圖5、圖6為串、并聯(lián)PHEV電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)仿真結(jié)果.

從圖可以看出，串聯(lián)結(jié)構(gòu)電機(jī)運(yùn)行范圍比并聯(lián)大，同時(shí)在低速高轉(zhuǎn)矩區(qū)域，串聯(lián)比并聯(lián)使用頻率高，而此區(qū)域電機(jī)效率較低，導(dǎo)致串聯(lián)形式電機(jī)運(yùn)行效率比并聯(lián)低.這是因?yàn)閮烧叩倪\(yùn)行原理不同，串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電機(jī)是唯一提供驅(qū)動(dòng)車輛扭矩來源，并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在低扭矩區(qū)域驅(qū)動(dòng)車輛，以減少電機(jī)的低效率運(yùn)行時(shí)間.在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，并聯(lián)的電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)更集中于電機(jī)高速和高效率區(qū)間，而串聯(lián)的較為分散，此外，再生制動(dòng)方面，并聯(lián)的再生制動(dòng)點(diǎn)集中于高效率區(qū)間，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比較低.

車輛動(dòng)力系統(tǒng)效率、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和車輛的加速性能仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示.

表4 車輛性能仿真統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明并聯(lián)PHEV的燃油經(jīng)濟(jì)性、傳動(dòng)系整體效率都比串聯(lián)PHEV高，而發(fā)動(dòng)機(jī)效率稍低，這是因?yàn)樵诓⒙?lián)結(jié)構(gòu)中，加速等特殊工況需要發(fā)動(dòng)機(jī)更加頻繁開啟所致.并聯(lián)PHEV加速性能比串聯(lián)PHEV好，但也導(dǎo)致了排放的增加.串聯(lián)式的缺點(diǎn)還表現(xiàn)在車輛的性能受電池和電機(jī)功率的限制，而并聯(lián)PHEV可將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率結(jié)合，一起驅(qū)動(dòng)車輛.

將電池參數(shù)改變后再進(jìn)行仿真，以判斷當(dāng)電池容量增加后，串、并聯(lián)PHEV仿真結(jié)果是否仍然和前面結(jié)果一致.電池容量選擇為70 Ah，其質(zhì)量按比例增加，動(dòng)力系統(tǒng)其它參數(shù)不變，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5所示.

表5 電池容量增大后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)表

表5表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率發(fā)生較大變化，雖然并聯(lián)PHEV只有電池參數(shù)改變，但由于質(zhì)量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性卻下降.可以看出:在未改變控制策略的情況下，并聯(lián)PHEV未能更多的利用增加的電能.而串聯(lián)PHEV可以在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)下完成整個(gè)循環(huán)，不消耗燃油.

改變電池容量后串、并聯(lián)PHEV電池SOC變化和發(fā)動(dòng)機(jī)排放仿真結(jié)果如圖7、圖8所示.

表5和圖7、圖8表明，在日常行程范圍內(nèi)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的PHEV對(duì)增大電池容量具有良好的適應(yīng)性.

4 結(jié)論

利用前/后向仿真軟件Advisor，對(duì)PHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究.仿真結(jié)果表明:在設(shè)定的控制策略和工況下，選用電池容量較小時(shí)，并聯(lián)式的整體效率、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于串聯(lián)式，但當(dāng)電池容量大幅增加后，串聯(lián)PHEV能更好的利用增加的電能，獲得較好的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，隨著電池技術(shù)的提高，串聯(lián)PHEV在城市日常出行方面也將具有較大發(fā)展?jié)摿?

[1] StevenJenkins，MehdiFerdowsi.HEV to PHEV Conversion Compatibility[C].Harbin:IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC)，2008.

[2] 劉 昕，羅禹貢，付曉丹，等.電動(dòng)汽車電池容量與充電設(shè)施布置調(diào)查分析[J].公路與汽運(yùn)，2011(3):5-7.

[3] Aymeric Rousseau， Sylvain Pagerit.Plug-in Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Parameter Optimization[R].UChicago:Argonne National Laboratory，2008.

[4] Harpreetsingh Banvait，Sohel Anwar，Yaobin Chen.A Rule-based Energy Management Strategy for Plug-in Hybrid Electric Vehicle [C].St.Louis:Proceedings of the American Control Conference，2009.