引用本文
张昕, 吴建政, 宋雯, 魏跃远. 基于阿特金森发动机的增程式电动汽车控制策略匹配设计[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(4): 98-103.
ZHANG Xin, WU Jianzheng, SONG Wen, WEI Yueyuan. Design of control strategy for extended-range electric vehicle based on Atkinson cycle engine[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(4): 98-103.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.04.014  
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基于阿特金森发动机的增程式电动汽车控制策略匹配设计
张昕1, 吴建政1, 宋雯1, 魏跃远2
1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044
2.北京新能源汽车股份有限公司,北京 102606

第一作者:张昕(1976—),女,辽宁锦州人,副教授,博士.研究方向为汽车节能与控制. email:xinzhang@bjtu.edu.cn

收稿日期: 2016-04-29
基金: 高等学校博士学科点专项科研基金(20130009110029); 国家科技支撑计划(2015BAG05B00)
摘要

能量管理控制策略是增程式电动汽车降低油耗和排放的关键,为了使增程式电动汽车获得较好的燃油经济性和控制效果,对采用阿特金森循环发动机的增程式电动汽车的结构特点和工作模式进行了分析.基于阿特金森循环发动机的工作特点,对传统的恒功率控制策略、功率跟随控制策略进行了匹配优化,并提出了发动机三工作点控制策略和基于转速切换的功率跟随控制策略.利用Cruise和Matlab软件建立了联合仿真模型.仿真结果表明:三工作点控制策略与恒功率控制策略相比,有效地防止动力电池大电流充电,有利于缓解电池寿命衰减.基于转速切换的功率跟随控制策略能有效减小发动机转速的频繁波动并且显著提高了燃油经济性,为采用阿特金森循环发动机的增程式电动汽车实用型控制策略的开发提供参考.

关键词: 增程式电动汽车; 控制策略; 联合仿真; 阿特金森循环发动机
中图分类号:U469.72
Design of control strategy for extended-range electric vehicle based on Atkinson cycle engine
ZHANG Xin1, WU Jianzheng1, SONG Wen1, WEI Yueyuan2
1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China
2. BAIC Motor Electric Vehicle Co., Ltd., Beijing 102606, China
Fund:Foundation item:Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education(20130009110029); National Key Technology Research and Development Program of China(2015BAG05B00)
Abstract

Efficient energy management in hybrid vehicles is the key for reducing fuel consumption and emissions. In order to get better fuel economy and control effect, the structural characteristics and working modes of the extended-range electric vehicle (E-REV) with Atkinson cycle engine are analyzed. Based on the characteristics of Atkinson cycle engine, the conventional thermostat control strategy and power follower control strategy are optimized. The three-point control strategy and the speed switching-power follower control strategy are then proposed. The co-simulation model is developed based on Cruise and Matlab. Compared with the conventional thermostat control strategy, the three-point control strategy can effectively prevent the large current charging of battery and reduce the damage to cycle life of battery.Simulation results show that the proposed speed switching-power follower control strategy can effectively reduce the frequent fluctuation of engine speed and improve the fuel economy. It provides references for the development of practical control strategy for E-REV using the Atkinson cycle engine.

Keyword: extended-range electric vehicle; control strategy; co-simulation; Atkinson cycle engine

增程式电动汽车能够通过外接充电的方式获取廉价的电网电能.当动力电池的电量充足时能够以纯电动汽车的方式运行, 增程式电动汽车通过增程器来延长纯电动汽车仅由电池驱动导致的较短续航里程[1, 2].目前混合动力电驱动系中所用的发动机, 大多采用传统的奥托循环发动机.阿特金森循环发动机的热效率较高, 燃油经济性较好, 越来越多混合动力车采用阿特金森循环发动机[3].高膨胀比阿特金森循环可以有效提高混合动力汽车发动机的燃油经济性, 并通过合理的匹配控制可以获得最优的动力性、经济性和排放性[4, 5, 6].

E-REV能量管理控制策略是整车控制的关键. 国内外对增程式电动汽车控制策略的研究主要分为基于规则的控制策略、基于优化的控制策略和智能控制策略[7].其中, 基于优化的控制策略, 如瞬时优化控制策略.全局优化控制策略算法均需要大量的运算, 对整车控制系统硬件要求较高, 不利于实际应用[8, 9].近年来, 随着智能控制(如模糊控制、神经网络控制等)算法的发展, 智能控制策略也被广泛应用于增程式电动汽车的能量管理中[10], 但由于其需要先验知识和复杂的训练过程而难以在实际车辆上应用.目前实车广泛采用基于规则的控制策略, 如文献[11]针对串联混合动力系统中开发的恒功率控制策略和功率跟随式控制策略.文献[12]提出功率跟随控制策略获得了较好的燃油经济性.但传统恒功率控制策略下电池经常大电流充放电, 对电池寿命不利, 功率跟随控制策略中发动机转速的频繁波动会影响油耗和排放.

本文作者对国产某款增程式电动汽车进行整车建模, 基于阿特金森循环发动机的工作特点, 对传统的增程式电动汽车恒功率控制策略和功率跟随控制策略进行了匹配设计, 并分别针对上述两种策略的缺点提出了增程器三工作点控制策略和基于转速切换的功率跟随控制策略. 利用Cruise/Matlab联合仿真平台进行了仿真验证, 为采用阿特金森循环发动机的增程式电动汽车实用型控制策略的开发提供理论指导和借鉴.

1 阿特金森循环发动机的工作特点

阿特金森循环发动机是一种新型发动机.在阿特金森循环中, 在活塞到达下一死点后上升一段时间, 进气门在这段时间仍然处于开启状态, 有一部分混合气体被推回到进气歧管, 降低了实际压缩比.在膨胀行程末, 当汽缸内的压力降低至稍高于大气压时, 再开启排气气门, 提高了膨胀冲程后端的能量利用, 压缩比小于膨胀比, 使发动机产生较高的热效率, 燃油经济性也较好.

阿特金森循环发动机在低速运行时, 进气门晚关毕会使气缸内混合气变少, 导致其低速时扭矩较小.虽然长活塞行程能够充分利用燃油的能量, 提高燃油经济性, 但行程较长也限制了发动机转速的升高, 不利于发动机高速运转.

阿特金森循环发动机通过控制气门开闭时间实现对膨胀比和压缩比的控制, 降低了最高燃烧压力和温度, 减少了NOx的排放和泵气损失.

2 E-REV动力系统结构和工作模式

以某国产增程式电动汽车为研究对象, 其主要结构如图1所示.该增程式电动汽车由电能独立驱动, 发动机与车轮完全解耦.增程器由机械上同轴相连的阿特金森循环发动机和发电机构成.阿特金森循环发动机拖动发电机发电, 将燃油能量全部转化为电能, 汽车行驶所需的动力都由驱动电机提供.整车及各动力系统部件基本参数如下:整备质量为1 400 kg, 满载质量为1 775 kg.动力电池为40 Ah/320 V锂电池, SOC(State of Charge)可用区间15%~100%.驱动电机的额定功率为40 kW, 峰值功率为110 kW.增程器的峰值功率为55 kW, 主减速器的固定传动比为7.793.

图1 E-REV动力系统结构图Fig.1 Drivetrain structure of the E-REV

增程式电动汽车的工作模式可以分为纯电动模式、增程模式和外接充电模式.纯电动模式下驱动电机独立驱动车辆行驶, 发动机不起动; 由动力电池提供电力给驱动电机进而驱动车辆.增程模式下增程器启动并处于发电状态, 发动机不直接参与驱动, 驱动发电机进行发电, 产生电能用来驱动电动机, 电池处于一同供电驱动或充电状态.外接充电模式下车辆利用车载充电机进行充电.

3 增程式电动汽车控制策略分析
3.1 原恒功率控制策略

增程器恒功率控制策略是针对电池的电量SOC进行控制, 当电池SOC值小于给定的最小值时, 进入增程模式增程器开始工作, 发动机工作在效率较高工作区域内的固定工作点上, 以恒功率输出, 产生的电能一部分提供给电池, 另一部分满足汽车功率需求, 当电池SOC大于给定的SOC最大值时, 增程器关闭, 此时电池组给车辆行驶提供能量.增程式电动汽车的增程器与驱动轮在机械上是分离的.因此, 可控制发动机运行在任意工作点上.在实际工程应用中, 一般控制阿特金森循环发动机始终运行在最佳燃油消耗区域内比油耗较低的工作点, 如图2中A点所示, 处于最佳燃油消耗区域比油耗为240 g/(kW· h).图2中黑色粗线表示发动机外特性曲线, 黑色细线为燃油消耗率曲线, 油耗的单位为g/(kW· h).

图2 阿特金森循环发动机燃油消耗MAP图Fig.2 Fuel consumption MAP of Atkinson cycle engine

3.2 原功率跟随控制策略

在功率跟随控制策略中, 增程模式下, 增程器作为车辆主要动力来源, 增程器输出功率跟随整车的功率需求.当增程器最大输出功率小于整车需求功率时, 动力电池作为次级动力源补充不足的功率.这种控制策略与恒功率控制策略相比减少了动力电池的充放电循环次数, 有利于延长动力电池的寿命.因为整车需求功率不断变化, 阿特金森循环发动机可能工作在高排放低效率的区域, 所以需要优化其工作区域.一般将发动机控制在最优工作曲线附近工作.基于阿特金森循环发动机的燃油消耗图确定了发动机最优工作曲线, 如图3中虚线所示.

图3 阿特金森循环发动机最优工作曲线Fig.3 Optimum operation line of Atkinson cycle engine

本文的功率跟随控制策略根据整车需求功率的大小调整控制策略.当需求功率在阿特金森循环发动机高效工作区域时使发动机沿着最优工作曲线工作, 避免电池频繁充放电.当需求功率处于阿特金森循环发动机低效率区域时, 采用恒功率控制策略, 改善发动机燃油效率, 同时确保电池电量不会持续下降.

3.3 增程器三工作点控制策略

恒功率控制下电池经常大电流充放电, 对电池寿命不利.增程器多工作点控制策略的思想是选取多个燃油效率较高的点作为增程模式下发动机的工作点, 工作点的选择应结合车辆日常行驶的平均需求功率、最大需求功率和发动机燃油消耗曲线等进行设定, 基于动力电池SOC、整车需求功率选择最优的工作点.

设计增程器多工作点控制策略时主要考虑以下几个方面.

1)优化工作点:结合整车行驶的平均需求功率、阿特金森循环发动机的效率及燃油消耗图、发动机转速等, 确定阿特金森循环发动机的最佳工作点.

2)动态波动最小化:合理控制各工作点转速之间的差值, 使发动机转速的动态波动最小.

3) 限制转速:阿特金森循环发动机低转速时扭矩较低, 运行时燃油效率较低, 因此选定的工作点的转速不宜过低.此外, 阿特金森循环发动机不利于高转速运转, 选定的工作点的转速不宜过高.

基于整车及阿特金森循环发动机性能参数、燃油消耗曲线及车辆动力性能指标, 文中提出增程器三工作点控制策略.由整车的需求功率确定增程器的输出功率, 从而确定发动机的最优工作点.结合发电机效率图、发动机燃油消耗曲线等确定发动机工作点如图4所示.其中小黑块从左到右依次为工作点1, 工作点2和工作点3.

图4 三工作点控制策略工作点的分布Fig.4 Distribution of three operating points

当电池电量较高时车辆运行在纯电动模式(EV模式), 直到电池电量达到其设定的下限值时, 进入增程模式.在增程模式下根据当前整车需求功率大小进行工作点的切换.控制策略流程如图5所示, 其中SOCcur为当前电量, Pcur为当前需求功率.

图5 能量管理控制策略流程图Fig.5 Flowchart of the energy management control strategy

3.4 基于转速切换的功率跟随控制策略

能量管理控制策略的目标是优化阿特金森循环发动机的工作区域, 提高其燃油效率, 降低排放.车辆行驶过程中, 工况不断变化, 车辆的需求功率波动范围也较大, 传统的功率跟随控制策略必须根据整车需求功率的实时变化来调整发动机的转速.并且频繁的发动机转速的调整和发动机转速波动会影响阿特金森循环发动机的油耗和排放.

为解决这一问题, 本文作者提出了基于转速切换的功率跟随控制策略.在阿特金森循环发动机的功率输出范围内, 划分出7个子区间, 如图6所示.根据燃油消耗曲线及功率子区间范围选择区间中点的阿特金森循环发动机转速作为该功率区间的发动机目标转速.

图6 功率-转速切换图Fig.6 Diagram of power-speed switching

当车辆的需求功率在相邻功率区间波动较大时, 会导致阿特金森循环发动机转速的频繁波动, 发动机转速的连续波动会直接影响阿特金森循环发动机的效率和排放, 因此为了避免阿特金森循环发动机转速的频繁调节, 本文引入功率迟滞策略, 迟滞宽度为 ΔP.功率迟滞策略如图7所示, Pm为整车当前需求功率, 当整车需求功率上升至 Pm+ΔP/2时, 发动机转速才会从 nm切换至nm+1 .同理, 当功率下降至Pm-Δ P/2时, 发动机转速才会从nm 切换到nm-1.本文功率输出子区间大小为3 kW, 因迟滞宽度应小于等于子区间宽度, 迟滞区间取为2 kW.

图7 功率迟滞环节示意图Fig.7 Schematic illustration of the power hysteresis process

4 仿真计算与结果分析

基于增程式电动汽车结构特点和车辆部件参数等信息, 应用Cruise软件建立整车模型, 包括整车参数模块、发动机模块、发电机模块、驱动电机模块、动力电池模块、轮胎模块、驾驶员模块等.并将在Matlab软件中建立的控制策略模型导入到Cruise中.建立好各模块间的机械或电气联接等进行联合仿真分析, 整车模型见图8.

图8 整车模型Fig.8 Architecture of E-REV model

4.1 控制策略对比分析

采用新欧洲驾驶循环工况(New European Driving Cycle, NEDC)进行恒功率控制策略与三工作点控制策略的仿真分析.增程式电动汽车SOC初始值20%, SOC上限为50%, SOC下限为15%.图9为恒功率控制策略与三工作点控制策略的SOC曲线、发动机转速、电池充放电电流曲线的对比分析.

图9 恒功率控制策略与多点控制策略的SOC曲线、发动机转速Fig.9 SOC trajectories, engine speed for thermostat control strategy and three points control strategy

由图9可得, 仿真开始时车辆处于纯电动模式, 约720 s时, SOC达到设定的下限, 增程器启动, SOC逐渐上升.由三工作点控制策略的发动机转速曲线可得, 发动机转速实现了在3个工作点之间的自由切换.图10为恒功率控制策略和三工作点控制策略动力电池电流变化曲线.由图10可得, 增程器开启后, 恒功率控制策略电池充电电流较大, 三工作点控制策略的电池充电电流较小.恒功率控制策略下电池平均充电电流为49.2 A, 三工作点控制策略下电池的平均充电电流为22.4 A.三工作点控制策略与恒功率控制策略相比, 电池平均充电电流减小了54%, 从而有效防止了动力电池大电流充放电, 提高了电池寿命.

图10 电池电流变化曲线Fig.10 Comparison of the battery current

针对功率跟随控制策略与基于转速切换的功率跟随控制策略的对比分析, 本文采用市政行驶循环工况(Extra Urban Driving Cycle, EUDC), 该工况下仿真得到的整车需求功率曲线、发动机转速曲线如图11所示.由图11可得, 约240 s时, 增程器开启, 功率跟随策略下的发动机转速随整车需求功率的变化而频繁调整.而基于转速切换功率跟随策略发动机转速因为引入了迟滞环节, 发动机转速波动较小.

图11 发动机转速变化曲线Fig.11 Comparison of the engine speed

4.2 不同控制策略油耗对比分析

在NEDC工况下, 恒功率控制策略折合百km油耗为7 L, 增程器三工作点控制策略折合百km油耗为6.78 L, 功率跟随控制策略的折合百km油耗为6.60 L, 基于转速切换的功率跟随控制策略折合百km油耗为6.56 L.基于转速切换的功率跟随控制策略的油耗最低, 与恒功率控制策略相比, 燃油经济性提高了6%.

5 结论

本文基于增程式电动汽车的结构特点和阿特金森循环发动机的工作特点, 对能量管理控制策略进行了匹配设计.提出了增程器三工作点和基于转速切换的功率跟随控制策略, 并进行了仿真分析, 结论如下:

1)增程器三工作点控制策略与恒功率控制策略相比, 电池平均充电电流减小了54%, 有利于电池寿命, 并且油耗降低了3%.

2)与恒功率控制策略相比, 基于转速切换功率跟随控制策略的燃油经济性提高了6%.与功率跟随控制策略相比有效地缓解了阿特金森循环发动机转速的频繁波动.

3)提出的基于转速切换功率跟随控制策略油耗最低, 有效地提高了整车的燃油经济性, 适合作为采用阿特金森发动机的增程式电动汽车的控制策略.

The authors have declared that no competing interests exist.

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