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混合动力电动汽车的整车能源分配优化研究

精品汇编资料

混合动力电动汽车的整车能源分配优化研究

摘要：

近年来，节能与环保已成为世界各国关注的重大问题，，世界各国的汽车行业研究者都在利用各种新技术、新方法来解决汽车的节能环保问题。

在此背景下，混合动力电动汽车（HEV）由于其良好的经济性能和较低的排放性能以及能更好利用传统内燃机汽车现有基础设施等原因，被认为是本世纪解决汽车面临的石油能源危机和环境污染问题的有效方案之一。

HEV由于其结构复杂对汽车的整体能源输出及利用控制策略要求复杂，另一方面我国的新能源汽车在整车性能方面研究能力在国际竞争中处于弱势。

”HEV参数对整车性能影响、HEV参数优化设计和综合能量流模型硬件在环仿真等方面的研究工作，可以为HEV的整车设计开发提供必要的理论指导。

关键词：

整车性能；能量分配策略；混合电动汽车

Abstract:

Inrecentyears,energy-savingandenvironmentalprotectionhasbecomeamajorconcernofcountriesintheworld,theworldautomotiveindustryresearchersareusingnewtechnologies,newmethodstosolvethecar'senergysavingandenvironmentalprotectionissues.Inthiscontext,hybridelectricvehicle（HEV）energyofthiscenturyduetoitsgoodeconomicperformanceandlowemissionsperformanceandbetteruseofthetraditionalinternalcombustionenginevehiclesofexistinginfrastructure,andotherreasons,isconsideredtobefacingtheproblemofcaroiloneoftheeffectivesolutionofthecrisisandenvironmentalpollutionproblems.HEVduetoitscomplexstructure,theoverallenergyoutputofcarsandrequirecomplexcontrolstrategies,ontheotherhandChina'snewenergyvehiclesinvehicleperformancecapabilitiesatadisadvantageininternationalcompetition.OfHEVparametersonvehicleperformanceofHEVparameterstooptimizethedesignandenergyflowmodelofthehardwareintheloopsimulationandotheraspectsofresearchwork,providethenecessarytheoreticalguidancefortheHEVvehicledesignanddevelopment.

Keywords:

vehicleperformance;energyallocationstrategy;hybridelectricvehicles

撤消修改1混合电动汽车简介

混合动力电动汽车主要是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据车辆的实际行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。

混合动力电动汽车相当于在纯电动汽车上加装一套内燃机和发电机，其运行范围不受蓄电池限制，续驶里程和动力性能可达到传统内燃机汽车的水平；被认为是本世纪解决汽车面临的石油能源危机和环境污染问题的有效方案之一。

世界各国相继推出了HEV的产品，丰田公司的Prius，本田公司的Insight，克莱斯勒公司的ESx3，福特公司Prodigy等均是具有代表性的HEV车型，我国在国家863高科技计划的支持下，也先后开发出EQ6110HEV和EQ7200HEV等一批混合动力汽车。

混合动力电动汽车复杂程度远远大于传统汽车，为了充分发挥HEV的潜力就必须使其动力总成系统协调运行。

因此，在HEV技术发展和产业化进程中，建立符合工程实际的HEV分析模型、优化HEV动力总成系统及其能量管理策略成为国内外各著名汽车公司和研究机构探索的核心技术之一。

在混合动力汽车整车的研究开发过程中，静态、准静态和动态的分析都建立在仿真模型基础上。

国外对混合动力汽车的仿真建模早在70年代就开始了，通过对几种概念车进行仿真研究，积累了大量描述混合动力汽车的数据。

并由此陆续产生了一些混合动力汽车整车性能的仿真程序，如美国可再生能源实验室的ADVISOR程序、阿冈实验室的PAST程序、达拉谟大学的JANUS程序、德克萨斯A&M大学的ELPH程序等。

这些仿真模型采用的方法大都是通过对混合动力汽车动力系统的外部特性进行分析后，再建立其数学模型，然后进行仿真，确定控制策略并得到控制参数。

其目的是快速分析传统汽车、电动汽车以及混合动力汽车的动力性能、燃油经济性能和排放性能。

仿真技术在混合动力以及传统汽车的研究开发中扮演着越来越重要的作用。

随着我国“十一五”电动车基础算法研究专项的启动，我国将在这一领域加大研究投入。

2HEV能量分配策略的研究

对于混合动力汽车，动力总成控制技术是整车的控制核心，它集现代电力电子技术、网络总线技术、微处理器技术和现代控制技术为一体目前国际上普遍采用CAN总线的控制器网络负责控制系统的数据传输，实现系统各控制单元的信息资源共享：

主控制器负责驾驶信息的处理和系统扭矩管理，电池管理系统负责电池状态信息的监控及管理，电机控制器负责电机状态信息的执行及管理。

这种分布式控制管理，与传统的集中控制相比，系统结构清晰、可靠性高、易扩展，因而是一种全新的控制模式。

在保证整车动力性的前提下，整车控制系统以实现最佳的整车燃油经济性能为控制目标，尽可能低的尾气排放，采用逻辑门限值的控制方法，对发动机工作区间进行限制，其控制策略遵循以下两个原则：

1）驱动优先原则

首先依据车辆结构形式的不同，确定驱动力的主要动力源，例如：

在并联HEV选择发动机作为主要动力源，电机只是提供辅助动力；而在串联HEV中，电机作为车辆驱动力直接来源，发动机作为电池充电和其他附件系统的能量来源。

控制策略依据能量流向，根据驾驶员的转矩需求和子系统的限制，确定车轮驱动转矩要求、进而保证车辆的正常行驶，并确保整车的安全操作性能、平稳驾驶性能、符合传统汽车的驾驶习惯。

在此前提下，控制发动机的运行以获得最大的燃油经济性和燃油利用效率，减少燃油消耗，降低排放；计算发动机和电机的转矩分配，确定燃油发动机与动力电池两种能源的合理分配，确保整车工作在高的性能区。

2）动力电池能量维持原则

动力电池储存或释放能量以荷电状态（soc）来表示。

动力电池剩余容量soc目标值为60％（初始设置），保持SOC在40～80％，尽可能维持电池的剩余容量处于平衡状态。

若SOC过低时，由控制系统控制并协调发动机和电机的运行，由发动机带动电机发电给动力电池补充电，防止动力电池过放电，SOC达到合理水平；反之，若SOC值比较高，控制系统将停止向动力电池充电，防止动力电池过充电，防止能量的不合理消耗，以此来延长动力电池的使用寿命，相应地降低了整车的使用成本。

本文分别从串联和并联两种结构形式对HEV的控制策略展开讨论。

2．1串联HEV控制策略

在串联混合动力汽车上，发动机驱动发电机发电以产生电能，发动机与车辆传动系统没有直接的机械连接，因此混合动力单元也可以采用小型高效的发动机，其运行工况可固定于较小的高功率区。

本文采用了发动机功率跟随控制方法，其控制逻辑如下：

a）发动机一直开启，并工作在特定高效率区域；

b）设定一发动机功率下限值，当行驶所需的发动机功率低于该值时，发动机带动发电机发电向电池充电；

c）发动机输出功率为最大仍不能满足驱动要求时，电池输出电能进行补充；

d）当电池电量不足而发动机又有后备动力时，发动机向电池充电。

图2.1串联混合动力控制逻辑图

控制逻辑如图2．1：

2．2并联HEV控制策略

在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时由于电机可以提供驱动转矩，因而混合动力单元可以采用尺寸更小、效率更高的发动机。

EQ6110混合动力电动汽车采用了电力辅助控制策略，其主要思想是：

将发动机作为汽车的主驱动源，电力驱动系统作为辅助驱动源，电机对发动机的输出扭矩起“削峰填谷”的作用，同时将电池的SOC值保证在一定范围内。

图2.2是电力辅助控制策略的示意图，其中Td和Te都表示起点在横轴、沿竖直方向的向量，分别代表扭矩耦合器的输出扭矩（即驱动扭矩）和发动机的扭矩，并且分别以“▲”和“·”符号进行了标示。

由此，电机的扭矩可以表示为Td和Te的向量差（正值表示电动，负值表示充电），即：

Tm=Td—Te在图2．2中，箭头符号标示了发动机的

图2.2并联混合动力控制逻辑示意图

图2.2并联混合动力控制逻辑示意图

运行（ON）和停机（0FF）区域。

可以看出，发动机的最小扭矩曲线和最小转速线构成了发动机的起停分界线，而最大扭矩曲线构成了发动机负荷的上限。

图2．2横轴上的l巧标号表示了五种典型的驱动工况（未包含起动和制动工况）1表示混合驱动模式；2表示SOC≥SOCmax且TD为中等负荷时的发动机单独驱动模式；3表示SOC

3车辆配置参数对HEV整车性能的影响

3．1整车参数

整车质量、空气阻力系数、风阻系数等整车参数直接影响HEV整车性能，为了深入了解这些参数与整车性能的关系，下面具体就以上三个参数对燃油经济性、电池电量变化和加速性能影响进行了仿真研究。

图3.11表示整车质量与油耗的关系，整车质量选值范围从空载质量11000kg到满载质量15500kg，中间取了20个点进行计算，结果如图示。

图3.12和图3．13分别表示迎风面积和风阻系数与燃油经济性的变化关系。

从以上三个参数一油耗曲线可以看出，三者对油耗的影响趋势相同，并且质量对整车经济性的影响远大于后面

图3.13风阻系数-油耗关系

图3.12迎风面积-油耗关系

图3.11整车质量-油耗关系

两个参数。

用相同的分析思路，下面分别计算得出了这三个参数对S0C变化和加速性能影响的关系。

由上可见，整车质量、空气阻力系数和迎风面积这些对HEV整车燃油经济性、电池电量和加速性能的影响是一致的，aped、整车质量、空气阻力系数和滚动阻力系数，可以提高整车燃油经济性、保持较好电池电量以及获得更好的加速性能，其中尤其以整车质量对整车性能的影响最大。

因此，在设计PHEV时应尽量减轻整车质量，比如可以采用铝和合成材料制作车身、底盘以及选择较为小巧的电气化附件系统来减轻整车质量，同时，减小空气阻力系数和滚动阻力系数，比如采用流线型的车头和车尾来减小空气阻力系数、合理设计车体外形来减小迎风面积等，从而使HEV获碍更好的燃油经济性、更优电池电量水平以及更好的动力性。

3．2动力源功率

HEV两个动力源的存在为提高整车燃油经济性和排放提供了基础，但给整车的匹配设计工作提出了更高的要求。

在研究多动力源对整车性能的影响之前，本文分析了动力源的几种模式，HEV在整个循环中有：

1、纯电动模式，这时由牵引电机单独驱动车辆运行；

2、混合驱动模式，发动机作为主要驱动力，电机起补充动力的作用；

3、回馈制动模式，发动机不输出扭矩，电机利用制动能量输出负扭矩为电池

充电；

4、充电模式，发动机输出扭矩，电机输出负扭矩为电池充电。

在循环过程中，发动机作为主动力源工作范围很宽，负担了整车绝大部分扭矩输出；而电机在整车负荷大时提供峰值功率输出，发动机功率有富裕时负责给电池组充电，充分发挥了作为辅助动力源灵活工作的特点。

但通过比较发动机输出扭矩和发动机外特性可以发现，在循环的绝大部分时间里发动机输出扭矩与发动机外特性扭矩相差较大，表明发动机的富裕功率较大，选用的发动机功率偏大，可以考虑功率较小的发动机，以提高整车的效率和性能。

本文分别选取发动机功率、动力电池组数量（单块容量相同，数量不同相当于总功率不同）和电机功率来研究动力源大小的不同对整车经济性能和动力性能的影响。

发动机大小对整车油耗、SOC变化和5秒起步距离的影响关系，在计算中，引入发动机功率因子的概念，即发动机功率因子为发动机当前选择功率与额定功率的比值，发动机初始功率为ISBel50发动机额定功率110kw，功率因子取值从0．5～1．5，而发动机实际的功率为功率因子与额定功率110kw的乘积。

从图中可以看出，选取的发动机功率越大，燃油经济性越差、SOC值变化越小、动力性越好。

采用以上的分析方法，本文同样进行了动力电池功率大小和电机大小不同对整车性能影响的计算，可以看到，动力源大小的不同对整车性能的影响并不像前面整车参数那样都是一致的，提高发动机功率的同时可以提升电池的SOC值稳定性和整车的动力性但带来了整车经济性的下降；增加电池组数量虽然不能提高整车的动力性能，但可以提高SOC的稳定性和整车的燃油经济性能；增大电机牵引力可以提高整车动力性能和改善燃油经济性，但对SOC的改善却不是一直增加，当增大到一定值时SOC的稳定性可能更差。

因此有必要对整车动力源的匹配进行优化设计，来得到一个较好的整车性能。

4控制策略参数对HEV整车性能的影响

控制策略控制参数直接决定HEV的运行模式和整车的性能好坏，本节以并联混HEV的电力辅助控制策略来具体分析控制策略参数对整车性能的影响。

在图2．1并联HEV电力辅助控制策略示意图中可以看到，电力辅助控制策略主要可以分为三大类的控制参数：

1、有关纯电动模式的控制参数：

纯电动模式的车速上下限值；2、有关发动机的控制参数：

发动机最小工作扭矩、发动机关闭扭矩、发动机充电扭矩；3、动力电池限值控制参数：

SOC上下限值。

在电力辅助控制策略中，除了以上的控制参数外，进行HEV工作模式判断时一个重要的数据是当前电池SOC，因此在仿真计算中每次循环开始的初始SOC值在一定程度上就决定了整个仿真中工作模式的切换，本文在以下分析里将对某些相关的参数分为SOC低初始值和SOC高初始值两种情况进行讨论。

4．1纯电动模式控制策略参数

图4.11纯电动模式控制参数示意图

发动机工作的最低车速，和电机单独工作的最高车速两个参数决定了纯电动模式的工作范围。

它们的具体定义是，当车速小于发动机工作最低车速时，如果电池目前SOC值大于控制策略中的下限值，发动机将停机，整车进入纯电动模式。

为了保证整车的动力性，满足车辆的功率需求，同时给定电机单独工作的最高车速，大于该值时，即使整车其他条件可以满足纯电动的要求，也不会进入纯电动模式。

两个参数的示意图如图4.11所示。

在初始soc较高的情况下，这两个参数对整车经济性的影响如图4.12所示，从图中可以看出，这个参数的取值越大整车的燃油消耗越少，这是以减少发动机的工作时间和增加电机的工作时间来获得的，因此相应的SOC的变化量会增大。

在另一种情况，初始SOC值较低，整车在起步及之后很长一段时间内都不会出现纯电动模式。

我们可以看到低初始SOC时对

图4.12高SOC时，Vlow与Vhi-油耗关系

油耗的影响幅度明显小于高SOC时的情况；对SOC变化的影响结果与前面类似，但影响程度要明显弱于前者。

从对比中我们可以看出，这两个参数的选取应以高初始SOC情况为参考，适当选取该参数取值能提高整车的燃油经济性。

4.2发动机控制策略参数

在并联HEV电力辅助控制策略中，发动机作为主要动力源，其相关的控制参数也比较多，本文主要研究了以下几个参数对整车性能的影响：

发动机最小工作扭矩、发动机关闭扭矩和发动机充电扭矩。

1、发动机充电扭矩，充电扭矩是指发动机在维持混合动力电动汽车正常工作的情况下，另外提供的对电池充电的扭矩，通过该扭矩对电池充电使电池的SOC值维持在SOC值上下限之间。

在电力辅助策略中，充电扭矩尽可能使当前的SOC值等于SOC值上下限值的平均值，对维持SOC值的水平具有重要的作用。

由于充电扭矩属于对发动机额外施加扭矩，为了使整车燃油消耗降低，一般把充电扭矩的值设置的尽可能低。

该参数主要在发动机充电模式下起作用。

2、发动机最小工作扭矩与发动机关闭扭矩

这两个参数的作用是限值发动机的工作区间，使其保证整车的功率需求和发动机的热效率。

发动机最小工作扭矩定义的是当需求扭矩低于发动机工作的最低扭矩系数与当前转速下发动机扭矩的乘积时，如果电池的SOC值小于下限值时，发动机给电池充电，通过发动机工作的最低扭矩系数使发动机在扭矩大、效率高的区域工作。

发动机关闭扭矩定义的是当需求扭矩低于发动机工作的关闭扭矩系数与当前转速下发动机扭矩的乘积时，如果电池的SOC值大于下限值，发动机关闭。

两者分别在低SOc和高SOC工况下对发动机的控制起作用。

设置该参数的目的是保证电池的充电力度，充电力度越大发动机油耗也必将升高。

从结果图中我们发现在该值设置偏低时几乎对充电力度的影响很小，因此在制定该参数时有必要根据油耗情况合理设置，合理发挥该参数的控制作用。

该参数的设置是为了减少发动机油耗，与上一个参数相比，该参数的取值不宜过高，应在较低范围内合理选取。

4．3动力电池控制策略参数

电池的控制参数主要是控制策略中制定的SOC上下限值，这两个参数直接决定了发动机的工作模式，并且在发动机电机的控制中这两个参数也起到了关键作用。

例如在电机助力情况下，电机的输出扭矩是通过下式计算：

目前，电池SOC的上、下限值主要取决于电池的特性，即依据最有利于电池寿命和效率的最优电量范围而定，该参数的不同取值必然对整车性能产生影响。

电池SOC上限不变，电池SOC下限越高则PHEV整车的百公晕油耗也高；电池SOC下限不变，电池SOC上限越低则HEV整车百公里油耗也越低。

HEV整车控制希望达到的目标是，整车百公里油耗低、循环始末电池SOC值下降小，由上面一系列控制参数的分析可知，这两个目标是互相矛盾的，不能同时达到最优。

因此，在制定HEV动力总成控制策略时，必须综合考虑整车百公里油耗、循环始末电池SOC值下降量及电池的特性进行寻优，即在保证有利于电池寿命和效率较高的范围内，获得较优的整车百公里油耗和循环始末电池SOC值下降量。

总结

本文通过对混合电动汽车的整车能源分配策略原则的分析，并详细说明了整车参数和控制策略参数对电动汽车性能的影响，我们可以看到对汽车特别是电动汽车的能源分配策略的原因极其重要。

因为电动汽车的宗旨就是能量利用的最大化，理论模拟能量流模型的仿真研究和硬件结构的研发和创造同样重要。

在计算机技术发达的今天，建立数学模型并利用计算机对HEV实际情况进行仿真研究分析，不仅可以深入了解各因素对HEV整车性能的具体影响，灵活地调整HEV设计方案，为指导HEV的开发设计提供了理论基础依据。

优化动力总成系统设计参数，而且可以减少开发成本，缩短开发周期，从而适应当今世界激烈的市场竞争。

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