基于电池SOC保持的混联式混合动力车辆能量管理策略的研究

汽车工程

２０１１年（第３３卷）第５期

ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２０１１（Ｖ０１．３３）Ｎｏ．５

２０１１０７７

基于电池ＳＯＣ保持的混联式混合动力

车辆能量管理策略的研究木

王伟达１，项昌乐１，韩立金１，刘

辉１，刘晓亭２

（１．北京理工大学，车辆传动国家重点实验室，北京１０００８１；２．装甲兵工程学院，再制造技术重点实验室，北京１０００７２）

［摘要］针对混联式混合动力霞型车辆的大驱动功率需求，研究了基于电池ＳＯＣ保持的能量管理策略。该策

略根据保持电池ＳＯＣ在较高水平的要求进行能量管理与分配，使电池具有较高的功率与能量裕度，从而使电动机可以较大的功率和较长的时间在急加速等大驱动功率需求工况对发动机进行助力，实现重型车辆较高的动力性指标。在此基础上设计了综合控制器并编写了程序代码，采用基于ｄＳＰＡＣＥ的硬件在环仿真系统进行了仿真。结果表明该控制策略在满足燃油经济性和车辆驱动等基本要求的前提下，实现了混联式混合动力车辆能量管理功能与预期的电池ＳＯＣ保持的目标。

关键词：混联式混合动力车辆；能量管理策略；电池ＳＯＣ保持；硬件在环仿真ＡＲｅｓｅａｒｃｈ

ＳＯＣＲｅｔａｉｎｉｎｇ—ＢａｓｅｄＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔ

ＬＵｉｎｌ，Ｌｉｕ

ｆｏｒＰＳＨＥＶ

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Ｓｔｒａｔｅｇｙ

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１．Ｂｅｉｊｉｎｇ

２．Ａｃａｄｅｍｙ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

Ｃｈａｎｇｌｅｌ，Ｈａｎ

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Ｉ－Ｉｕｉｌ＆ＬｉｕＸｉａｏｔｉｎ９２

１０００８１；

１

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ｏｆＶｅｈｉｃｕｌａｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

ｏｆＡｒｍｏｒｅｄＦｏｒｃｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ册ＲｅｍａｎｕｆａｅｔｕｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

０００７２

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］（ＰＳＨＥＶ），ａｎ

Ａｉｍｉｎｇａｔ

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ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｌｅｖｅｌｆｏｒｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｈａｖｉｎｇｈｉｇｈｅｒｐｏｗｅｒａｎｄｅｎｅｒｇｙｍａｒｇｉｎｔｏｅｎａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｔｏａｓｓｉｓｔｔｈｅ

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ｅｘｐｅｃｔｅｄｂａｔｔｅｒｙＳＯＣｋｅｅｐｉｎｇｔａｒｇｅｔｏｆＰＳＨＥＶｗｈｉｌｅｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｂａｓｉｃｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｖｅｈｉｃｌｅｄｒｉｖｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＳＨＥＶ；ｅｎｅｒｇｙ

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙ；ｂａｔｔｅｒｙＳＯＣｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ；ｈａｒｄｗａｒｅ—ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

术使发动机和电机协同工作，各自工作在最佳效率

刖吾

当前，以成熟技术为基础开发的油电混合动力车辆得到日益广泛的研究与应用…。混合动力车辆包括串联、并联和混联等多种结构型式，通过控制技

堆国家自然科学基金项目（５０９０５０１８）资助。

状态，从而改善纯内燃机驱动的效率低、污染严重等问题。控制策略是实现混合动力车辆性能的关键，

其优劣直接影响车辆的动力性和燃油经济性。国外

一些著名的汽车企业已经开发出用于批量生产的混合动力控制系统旧Ｊ。国内一些高校与汽车生产企业

原稿收到１３期为２０１０年６月２２日，修改稿收到日期为２０１０年１０月２９日。

万方数据

３７４－

汽车工程２０１１年（第３３卷）第５期

合作，研究了多种混合动力车辆控制策略，有的已经

开发出控制器并在进行实车试验”娟Ｊ。这些控制策略主要针对轻型乘用车辆，以燃油经济性为主要目标进行模式切换与能量分配控制，电池荷电状态（ＳＯＣ）的变化范围较大。而大驱动功率需求的重型

车辆，对加速与爬坡有其特殊的转矩要求，电池ＳＯＣ

须经常保持较高的水平，以便电动机进行助力。

在研究满足混合动力车辆燃油经济性等要求的控制策略前提下，本文中重点研究了控制算法如何保证电池ＳＯＣ保持较高水平，提出了基于电池ＳＯＣ保持的混合动力车辆控制策略。在开发混合动力车辆整车综合控制器（ＨＣＵ）的基础上，通过硬件在环仿真（ＨＩＬＳ）平台进行控制性能测试。１

混联式混合动力车辆能量管理策略

１．１混联式混合动力车辆方案

文中研究的混合动力车辆是一种混联式结构，如图１所示。系统由发动机、电动机、发电机、功率

耦合装置和变速器等部件组成，以满足重型车辆大功率和大转矩的驱动需求。发电机为电池ＳＯＣ的

保持提供了保证。

图１混联式混合动力车辆动力传动系统连接图

根据系统方案，混合动力车辆的工作模式主要有：纯电动模式、发动机单独驱动模式、发动机驱动

并充电模式、混合驱动模式、制动模式和倒车模式。

文中将主要讨论车辆驱动工况的各工作模式，如表１所示。

表１

混联式混合动力车辆工作模式

工作模式发动机状态电动机状态发电机状态纯电动不工作驱动不上作发动机单独驱动驱动不工作发电发动机驱动并发电

驱动不工作发电混合驱动

驱动

驱动

发电

各模式下参与工作部件的工作状态由本文中提出的基于电池ＳＯＣ保持的能量管理策略决定。１．２基于电池ＳＯＣ保持的能量管理策略

１．２．１驱动需求功率计算

实际驾驶车辆时，车辆的驱动功率完全由驾驶

万方数据

员踩下加速踏板的行程决定。为避免混合动力车辆

对加速踏板行程的功率响应过于敏感，采用“抛物线

模型”描述需求功率与踏板行程的关系，见图２。

≥芒

得

蠡

祷眶

需麓

图２驱动需求功率计算模型

抛物线模型表达式为

ＰＮ＝Ａｘ２

（１）

式中：Ｐ。为需求功率；Ａ为混合动力车辆额定功率，

其值由设计的车辆牵引特性决定；菇为加速踏板行

程，以占总行程的百分比表示。

根据驱动需求功率和当前车速可计算出需求转

矩，即

ＴＮ＝ＰＮ／（ｖ／ｒ）（２）

式中：虱为驱动需求转矩；秽为当前车速；ｒ为驱动轮

滚动半径。

１．２．２电池需求功率计算

设电池ＳＯＣ保持的目标值为ｓＤｃ０。电池功率

计算方法如下。

（１）当ＳＯＣ值低于ＳＯＣｏ时，电池采用恒流充

电模式，充电电流目标值／ｃｈａｒｇｅ＝０．６Ｃ（Ｃ为电池容

量）。所以电池目标充电功率为

ＰＢ＝一Ｇｏ，ｃｈ晔钿。ｈ雌

（３）式中：尸Ｂ为电池需求功率；Ｇｏ为系统直流母线电压；

叼。。。为电池充电效率。

由于混联式混合动力车辆各部件功率相互影响，电池功率受发动机、发电机和电动机等功率的多重制约，所以实际充电功率不会和目标值完全吻合，

在动态调节过程中偏差会相对较大。

（２）当ＳＯＣ值不低于ＪｓＤｃ０时，电池电量保持。电池需求功率Ｐ。＝０。

（３）当车辆急加速或爬坡时，如果发动机单独

工作不能满足车辆驱动需求功率时，电池放电。放

电功率为驱动需求功率与发动机可提供功率的差

值，同时满足电池额定功率和峰值功率的限制。即

ＰＢ＝（ＰＮ—Ｐ。Ｊ）／叩舨ｈ。

（４）

式中：Ｐｕ为发动机可提供的功率；，７拙“孵为电池放电效率。

２０１Ｉ（Ｖ０１．３３）Ｎｏ．５王伟达，等：基于电池ＳＯＣ保持的混联式混合动力车辆能量管理策略的研究

－３７５

１．２．３发动机工作点确定

发动机功率根据驱动需求功率和电池需求功率计算，即

Ｐ。＝ＰＮ＋ＰＢ

（５）

当车辆处于急加速或爬坡工况，且驱动需求功率大于发动机可提供的最大功率时，发动机以可提供的最大功率工作，不足部分由电池功率补充。

发动机工作点根据发动机最优工作曲线查表得到，即得到特定的发动机功率所对应的发动机转速

／／，。和转矩咒。发动机最优工作曲线根据发动机万

有特性中的最低燃油消耗区域确定。１．２．４发电机工作点确定

在混联式混合动力车辆中，发电机是发动机的负载之一，根据功率耦合装置的约束关系，发电机转矩和发动机转矩满足固定的比例关系，所以发电机目标工作转矩为

ｔ＝ｒｏｉｆ’７。／（１＋Ｋ）

（６）

式中：ｔ为发电机需求转矩；玉为系统前传动比；Ｔｑ。；

为发动机到发电机的传动效率；Ｋ为行星机构特性参数。发电机的工作转速由功率耦合装置中的行星机构转速约束关系决定。１．２．５电动机工作点确定

电动机工作转矩由驱动需求转矩和发动机输出转矩在功率耦合装置输出轴处的分量共同决定。即

吒＝碌／（ｉ，ｉＴ，７，叼Ｔ）一ｚ『ｅ＿ａｘｉ。

（７）

式中：Ｌ为电动机需求转矩；ｉ，为后传动比；ｉＴ为当前挡位传动比；叼，为后传动效率；价为变速器效率；瓦商。为发动机输出转矩在输出轴上的分量。

疋。ｉ。与发动机、发电机转矩的关系由功率耦合装置决定：

ｋ。＝疋ｉｆ＇Ｏｅ＿ａｘｉｓＫ／（１＋Ｋ）

（８）

电动机和车轮有固定的机械连接，所以其工作

转速由当前车速决定。

１．３混合动力车辆综合控制器的设计

基于电池ＳＯＣ保持的能量管理策略，设计开发了混合动力车辆综合控制器ＥＣＵ软硬件。ＥＣＵ硬件功能包括：模拟信号、车速脉冲信号和开关信号的采集与处理，控制软件的存储与运行，系统换挡与模式切换操作元件液压电磁阀驱动，与系统其它ＥＣＵ

的ＣＡＮ总线通信，以及与上位机通信等。硬件结构

如图３所示。

ＥＣＵ软件主要包括：系统参数初始化模块、上电过程控制模块、信息读入与处理模块、在线故障诊断

模块、故障处理模块、参考车速计算模块、冷却风扇

万方数据

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Ｉ电源输入Ｉ

电源输入处理电路ｌｌ配置电路』｜开关输入处理电路

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图３综合控制器硬件结构

电机控制模块、控制决策模块和控制指令输出模块等。控制软件程序总体流程如图４所示。

图４软件程序总体流程图

能量管理策略由“控制决策模块”实现，其控制

流程如图５所示。

２

ＥＣＵ硬件在环仿真

２．１

Ｉ－ＩＩＬＳ系统工作原理

ＨＩＬＳ系统由综合控制器ＥＣＵ、ｄＳＰＡＣＥ系统、信

号接口电路、车辆系统数字模型和加速与制动踏板组成‘７１，其结构如图６所示。

３７６

汽车工程２０１１年（第３３卷）第５期

图５能量管理控制流程图

驾驶员意图

Ｐ粼恸Ｉ

踏板

园圈圄Ｐ

Ｌ叫Ｉ试验环境ｌＬ叫ｌ

图６

ＨＩＬＳ系统原理图

图６中实际的控制器ＥＣＵ被嵌入ＨＩＬＳ系统中，车辆系统与试验环境等Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型被转换成ｃ语言代码后导入ｄＳＰＡＣＥ板卡中运行。ｄＳＰＡＣＥ系统通过其实时仿真接口（ＲＴＩ）模块与ＥＣＵ进行信

息传递，信息形式为车速脉冲和ＣＡＮ信号。

ｄＳＰＡＣＥ系统将模型运算得到的数字轮速信号（用来表征车速）转化为方波信号（模拟车速传感器信号）输出到ＥＣＵ相应接口电路。根据系统需要，ＥＣＵ通过ＣＡＮ总线向ｄＳＰＡＣＥ传输的信息包括：发动机目标转速、发电机工作模式、发电机目标转矩（或转速）、电动机工作模式、电动机目标转矩（或转速）和挡位与整车模式切换指令等；ｄＳＰＡＣＥ通过ＣＡＮ总线向ＥＣＵ传输的信息包括：发动机实际转速、发电机实际转速与转矩、电动机实际转速与转矩、电池ＳＯＣ等。

ＥＣＵ根据采集到的轮速与加速（或制动）踏板信号，按照控制逻辑得到各部件控制指令，控制指令

万方数据

通过ＣＡＮ发送到相应的部件模型进行控制。车辆系统模型根据控制状态进行运算后，得到新的车速与部件状态信息传递给ＥＣＵ，进入下一个控制循环。

２．２

ＨＩＬＳ结果

针对牵引车、越野车等重型车辆的行驶特点，策略验证所采用的驾驶循环工况如图７所示。

ｊ

墨

翅＊

图７重型车辆驾驶循环工况

该循环工况为一综合行驶工况，时间历程为１

８００ｓ。其中，平直公路占２０％，土路占４０％，盘山

公路占３％，起伏路占２７％，冰雪路占１０％。测试结

果如图８所示。

３测试结果分析

从图８可知，所研究的控制策略实现了混合动力车辆的能量管理与分配，在保证燃油经济性和特定目标的前提下，实现了驾驶员的驾驶需求。通过发动机、发电机和电动机等部件的协同控制，车速能够跟踪驾驶循环工况中要求的车速。发动机工作点集中分布于１

２００～ｌ

６００ｒ／ｍｉｎ的高效工作区，实现

了混合动力能量管理策略保证动力性前提下提高燃油经济性的基本要求，如图８（ｆ）所示。油耗模型表明，当车辆总质量为２０ｔ时，在混合动力模式下的１００ｋｍ等效油耗为８８．９Ｌ，在纯发动机驱动模式下的１００ｋｍ等效油耗为６３．１Ｌ。

除了在一些急加速等大功率、大转矩需求工况电动机进行驱动助力导致电池ＳＯＣ较大幅度下降外，其他工况电池电量得到补充，ＳＯＣ逐渐恢复并保持在设定的目标值０．７附近，实现了预期的电池ＳＯＣ保持目标；循环工况后期制动较多、强度较大，ＳＯＣ继续上升，如图８（ａ）所示。由于发电机兼具发动机起动机功能，所以若干正转矩点为发动机起动时发电机的输出转矩；其它情况下发电机主要工作

状态为发电，稳定的发电转矩在１００～１５０Ｎ ｍ，如

图８（ｂ）和图８（ｃ）所示。

电动机主要工况为正常驱动、急加速助力和制

２０１１（Ｖ０１．３３）Ｎｏ．５

王伟达，等：基于电池ＳＯＣ保持的混联式混合动力车辆能量管理策略的研究

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（ｂ）发电机工作转矩

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（ｃ）发电机工作转矩局部放大图

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（ｄ）电动机上作转矩

时间ｆｓ

（ｅ）电动机工作转矩局部放大图

时间ｆｓ（Ｏ发动机工作点

图８能量管理策略的驾驶循环工况测试结果

动能量回收。除少数工况超过电动机额定转矩４５０Ｎ ｍ外，其它驱动工况电动机主要工作在额定状态内。电动机转矩小于零时为制动能量回收工况，电动机工作在发电状态，电机最大制动力矩为４５０Ｎ ｍ，不能满足制动需求时由机械制动力矩进行补充。电机工作情况如图８（ｄ）和图８（ｅ）所示。

（３）由于实车道路试验时的工况更为复杂多变，所以还须对开发的ＥＣＵ进行实车试验进一步验

证控制效果。

参考文献

［１］陈全世，朱家琏，田光宇．先进电动汽车技术［Ｍ］．北京：化学工

业出版社，２００７．

４结论

（１）硬件在环仿真结果表明，提出的基于电池ＳＯＣ保持的混合动力车辆能量管理策略能够在满足燃油经济性和车辆驱动等基本要求的前提下，保持

［２］＇ｒａｔｅ

Ｅ，ＨａｒｐｓｔｅｒＭ，Ｓａｖａｇｉａｎ

Ｐ．ＴｈｅＥｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡｕｔｏ－

ｍｏｂｉｌｅ：ＦｒｏｍＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＨｙｂｒｉｄ，ｔｏＰｌｕｇ－ｉｎＨｙｂｒｉｄ，ｔｏＥｘｔｅｎｄ—ｅｄ．ｒａｎｇｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ『Ｃ］．ＳＡＥ

Ｐａｐｅｒ

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电池ＳＯＣ在较高水平。这样，电动机可以较大的功

率和较长的时间在急加速等大驱动功率需求工况下对发动机进行助力，从而达到重型车辆更高的动力性指标。

（２）基于ｄＳＰＡＣＥ的硬件在环仿真方法可在更接近实际工况的情况下，在台架上测试开发ＥＣＵ，而且能在实验室里快速、方便地设定不同工况对ＥＣＵ进行试验。缩短了开发周期、节约了试验费用。

［４］秦大间，游围平，胡建军．新型功率分流式混合动力传动系统工作模式分析与参数设计［Ｊ］．机械Ｉ：程学报，２００９，４５（２）：１８４

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万方数据

基于电池SOC保持的混联式混合动力车辆能量管理策略的研究

作者：作者单位：

王伟达， 项昌乐， 韩立金， 刘辉， 刘晓亭， Wang Weida， Xiang Changle， HanLijin， Liu Hui， Liu Xiaoting

王伟达,项昌乐,韩立金,刘辉,Wang Weida,Xiang Changle,Han Lijin,Liu Hui(北京理工大学,车辆传动国家重点实验室,北京,100081)， 刘晓亭,Liu Xiaoting(装甲兵工程学院,再制造技术重点实验室,北京,100072)汽车工程

AUTOMOTIVE ENGINEERING2011,33(5)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

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