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1、毕业论文题 目: 插电式混合动力车的能量控制策略研究 摘 要进入21世纪以来，世界各国对改善环境和节约石油的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。近几年，插电式混合动力汽车成为研究热点。插电式混合动力汽车不仅可以纯电动模式短途行驶，而且可以混合动力模式长途行驶，有着其他电动汽车不可比拟的优势。这同时也体现插电式混合动力汽车的能量管理的重要性，本文针对其能量管理问题设计了基于电荷消耗的能量管理策略。首先，本文分析了插电式混合动力车的简介与现状、发展趋势、主要问题与挑战、需要做的工作等，阐述了插电式混合动力车的特点、动力系统分类和仿真软件等。其次，设计基于电荷消耗思想的插电式混合动力车的能量控
2、制策略，其主要内容包括插电式混合动力汽车能量源的分析、电荷消耗分配策略介绍、能量控制策略的确定。最后，针对能量控制策略对车辆性能进行仿真。仿真内容包括电池与发动机的功率仿真，油耗与尾气排放量的仿真，整车输出功率的仿真。用仿真数据来表明电池与发动机控制的优化。关键词：插电式混合动力车；电荷消耗；能量控制；最优化控制Title Energy control strategy of Plug-in Hybrid Electric Vehicles researchAbstractEntering the 21st century, the voice of the world to improve
3、the environment and conservation of oil is rising, and various kinds of electric cars show themselves. In recent years, the research of plug-in hybrid electric vehicle becomes hot. Plug-in hybrid cars can not only work short distance in condition of pure electric mode ,but can also work long distanc
4、e in condition of complex electric mode , which has incomparable advantages than others. This indicates the importance of distribution of the strategy of PHEV.This paper designs the distribution of the strategy base on power consumption aim at the strategy.First, the characteristic and actuality and
5、 development of PHEV are discussed, as well as matter and challenge and part of work and so on. The define and dynamical system and software of simulation .Secondly , this paper shows the distribution of the strategy of PHEV base on the power consumption. It contains the analysis of energy source of
6、 PHEV,and the application of power consumption, and the certain of the energy control strategy .Finally, we can test the capability of distribution of the strategy by simulating of vehicle performance analysis. It contains the simulation of consume of oil and emissions, the simulation of output powe
7、r of engine and battery. With the date of simulation, we can tell the collocate optimization of engine and battery.Keywords: Plug-in Hybrid Electric Vehicles; Power consumption; Energy control; The best vehicle performance.目 次摘 要IAbstractII1 绪论11.1 PHEV简介11.2 PHEV的发展历程21.3 PHEV的现状31.4 PHEV的关键技术和挑战41
8、.5 本文研究内容和主要工作52 PHEV的基本知识72.1 PHEV的特点72.2 PHEV动力系统分类82.3 PHEV的仿真软件93 基于电荷消耗思想的PHEV的能量控制策略133.1 PHEV的能量源分析133.2 电荷消耗思想的介绍133.3 PHEV的能量控制策略144 PHEV能量控制策略的仿真154.1 典型路况的介绍154.2 仿真实验中的初始参数选择164.3 发动机和电池组的功率仿真164.4 油耗与尾气排放量仿真204.5 整车功率输出仿真22结论27致谢28参考文献291 绪论随着汽油、柴油等不可再生能源的日趋枯竭和价格的不断上扬，以及大气污染日益加剧，使得各国政府及
9、汽车企业纷纷加速对新能源和新技术车辆的研发。目前，开发出来的新能源车辆主要分为氢燃料电池车辆和插电式混合动力车辆。其中，氢燃料电池车辆由于氢燃料不易储存及车辆价格昂贵等原因，在产业化上还存在一定困难。而混合动力由于对车辆改动较小，具有在城市工况油耗明显改善等优势，使得其应用越来越广。传统的混合动力车辆主要使用发动机提供动力，电池(或电容等)只是能量储存和释放系统，用来平衡在车辆不同工况下对发动机能量的需求，以此来使发动机工作在最佳工况，从而达到省油和减少排放的目的。所以，该类型车辆主要能量来源来自于燃料，对油品还是有很大的依赖性。最近，越来越多的研究人员开始致力于可外接插电式混合动力电动车(P
10、HEV)的研发。PHEV是近几年在传统混合动力汽车的基础上派生出来的一种汽车，并逐渐受到全世界的关注。这种新兴的节能环保车辆与以往的混合动力车不同点在于，车辆主要使用电能运行，而发动机只是作为辅助运行系统，因此大大减少了车辆对燃油的依赖性，达到更加环保节能的效果。1.1 PHEV简介插电式混合动力电动车（PHEV）的驱动力有两个来源：电机和内燃机，它们可以单独或一起给车辆提供动力。电池能量来源主要来自公共电网，充电后的电池组给电机供电实现车辆运转。PHEV在城区工况行驶时速低于40km时或在车辆滑行状态，车辆完全以电力驱动；而当电池电量低于某一标准值(例如电量降低到20%)时，或加速，爬坡行驶
11、状态等大负荷需求情况下，发动机开始工作，以提供额外的动力维持车辆行驶；PHEV一般带有制动能量回收装置，使制动能转换成电力储存在电池中，从而进一步降低油耗。PHEV的电池容量一般达510kwh，约是纯电动汽车电池容量的30%-50%，是一般混合动力汽车电池容量的35倍，可以说它是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品。从图1.1传统车辆、混合动力车和PHEV对比效果图可以看出，虽然PHEV的购买价格较传统轿车和混合动力轿车略高(1.2倍)，但由于外接电池的高容量、制动能量回收等新技术的应用，使得车辆在城区内行驶基本实现零排放，燃油经济性也比普通汽车提高25倍，从长远利益看，PHEV有
12、很好的应用前景。图1.1 传统汽车、混合动力汽车、PHEV对比效果图在石油资源日益紧缺的今天，PHEV有很好的发展前景，其潜在的价值包括：(1)对消费者来说，电价要比油价低得多，而且利用晚上低峰电力充电可以提高电网生产率，有助于降低电价。(2)消费者可以通过电网增加储能设施，例如储存家用太阳能电池板等发电装置生产的多余电能，在一定程度上减轻了电量消费。(3)使用可外接充电式混合动力电动车可减少有害气体排放，为世界环保贡献自己的一份力量。1.2 PHEV的发展历程自上世纪90年代以来，国外一些大学、实验室和工业部门一直在进行PHEV的研究。其中University of California D
13、avis(UC Davis)，the Electric Power Research Institute (EPRI)，Argonne National Laboratory (ANL)和California Cars Initiative（CalCars）等机构是目前PHEV研究的杰出代表。1990年UC Davis 的Andy Frank教授开始研制PHEV原型车，2001年Department of Energy（DOE）在UC Davis 成立了PHEV国家工程中心。2000年EPRI Market Study发起成立了Hybrid Electric Vehicle Alliance
14、(HEVA)，该组织的任务是促进 PHEV的商业化；自2004年9月以来，DaimlerChrysler和EPRI一直在进行PHEV delivery van (Sprinter)示范。2002年美国企业家、环境工作者和工程师发起成立了CalCars，该组织旨在倡导和推动PHEV的进步和发展；2004年9月CalCars和EnergyCS开始改装Toyota Prius，研制PHEV原型车。2006年11月GM宣布制造PHEV Saturn Vue的计划，2007年1月在北美国际车展亮相了Chevrolet Volt。2007年2月，DOE发布了一项计划草案以加速PHEV开发和部署。国外尽管对
15、PHEV已经有许多近期商业化的建议与方案，但目前大部分仍处于原理样车研究阶段，部分车型处于示范运行阶段。一些原理样车的理论研究和演示验证表明PHEV比传统HEV可降低油耗和GHG排放。国内在这一领域的研究也一直都没有间断，各大汽车公司和研究部门都已经有了各自的研究方案，相信我国自己的插电式混合动力汽车上市将指日可待。1.3 PHEV的现状能源和环境是实现可持续发展的必要条件。减少和消除对石油的依赖是一项有关全球经济安全和能源安全的紧迫任务，具体途径有三种：研究各种降低百公里油耗的方法、开发各种替代石油的新燃料、开发不用或少用燃油的新型车辆。随着社会的发展进步，传统汽车（主要以汽油和柴油为燃料）
16、保有量逐年增加，使得能源、温室气体、空气质量等三方面主要问题陷入了恶性循环。如今随着动力电池、电机以及电力电子技术的发展，电动汽车具有有效解决上述问题的可能性。未来10年，混合动力电动汽车(HEV)将会迅速发展，并占有一定的市场规模。但是混合动力电动汽车由于存在着三大主要问题价格高、效率低、仍然使用较多汽油/柴油，因此远景并不乐观。目前HEV的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）。PHEV是指可以使用电力网（包括家用电源插座，例如220V电源）对动力电池进行充电的混合动力电动汽车。PHEV具有纯电动行驶较长距离的功能
17、，但需要时仍然可以以全混合模式工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，可以大大改善HEV的有害气体、温室气体排放和燃油经济性，提高纯电动汽车的动力性能和续驶里程。因此PHEV是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车（BEV和FCEV）过渡的最佳方案之一。插电式混合动力汽车已被追捧为最好的方法之一是使用的汽油发动机和电池组合来提供汽车动力进而提高汽油的行驶里程。一个限制的电流是所有必须首先来自于汽油发动机的能源，来限制能源的昂贵和石油的不安全供应。一个常见的思想是让业主从充电电池电力网进而来为我们的运输开辟所需要的其他能源。这些插电式混合动力电
18、动汽车可提供灵活的清洁燃料和操作的电池，这和电力网的范围加上较高的汽油发动机和相关的快速补充燃料的能力有关。目前已普遍认为，车辆的充电使用将不会对输电网产生很大的影响，或者是因为充电只会发生在非高峰期时，或车辆数目将缓慢增长，以至于容量规划将作出适当反应。但这种期望并没有包含最终用户将拥有的充电时间控制，许多客户会选择在插电时被给予方便，而不是希望在公用事业中得到方便。在繁忙的一天车辆可随时而不只是在非高峰期有充足的电量。 重要的是要了解因引入了大量插电式混合动力汽车而对电网的影响。根据车辆增加的不同的时间和地点，可能导致他们在当地或区域对电网的产生限制。他们可能需要增加新的电容量或两者的混合
19、物来提高现有产能利用率。如果能力没有跟上需求的增加那么利润可能会减少，且还会出现可靠性问题。本地电网传输将因他们的使用模式而导致有些线路超载或可能引起变电站的过早的变化利用电网提供的电力将转移改变任何排气管和发电厂的混合物排放数量的地点。与电厂建立一个更加严格的管制有关，插电式混合动力可以使该国的交通在更严格的监管下，查到有关的排放量。随着与汽油发电的主要污染物排放总量上限的固定来源发生位移将意味着在排放总量的减少。对综合系统的研究来评估排放量的净效应是重要的。PHEV的上市时间在今年就有可能上市，主要销售地区在北美、欧洲和日本3个地区，销售量北美居首，其次是欧洲，日本最少。虽然现在对PHEV
20、的研发还处于不成熟阶段，但是它将是未来新能源汽车发展的一个最重要的方向。PHEV可以大大改善汽车有害气体和温室气体排放，提高汽车燃油经济性，能增加汽车的续驶里程和性能，是一种最有发展前景的电动汽车驱动模式，也是目前向清洁能源汽车过渡的最佳方案。虽然由于电池尺寸、成本、寿命以及充电基础设施等其他因素使得PHEV的成本较高，但是随着电池和混合动力控制技术的发展，PHEV必将会越来越普及。我国对于PHEV的研发相对较晚，在2007年才引入PHEV的概念，因此在研发上需要大量资金投入，并需要政府的大力支持，寻找适合我国的技术路线和技术特点。经过我国各个研究机构的努力，我相信我国的PHEV一定能早日走进
21、千家万户。1.4 PHEV的关键技术和挑战PHEV的关键技术包括整车动力系统匹配与控制策略、动力电池、充电基础设施和电机,其中动力电池和充电基础设施是最关键技术。1.4.1 控制策略的设计问题在混合动力系统技术的基础上，PHEV的整车开发技术主要包括动力系统参数匹配和整车控制策略两个部分，系统匹配和控制算法都需要进一步深入研究。从整车控制角度来说，需要解决下述问题：低SOC下如何保护电池，何时进入混合模式，如何实现全局燃料经济性最优？所以控制策略的研究要以提高整车的工作效率、电池的效率和寿命为前提。1.4.2 PHEV对动力电池的要求目前整车开发最主要的制约因素是动力电池的性能、寿命和成本。1
22、) 性能：首先要保证PHEV有必要的动力性能指标和纯电动行驶里程，但又不增加太多的车辆重量，因此PHEV用动力电池必须具有足够高的能量密度和功率密度。2) 寿命：PHEV需要在低SOC时应有大功率输出（大电流放电）；高SOC时仍然有高的输入功率，以回收制动能量，这会严重影响电池寿命。例如，电池要能在SOC从100到30%深放电工作时，仍保证有很长的循环寿命。3) 成本：电池成本必须低到使用时的花费能够弥补购置时的费用。锂离子电池与铅酸电池、镍氢电池相比较，锂离子电池在能量密度、功率密度等性能方面均优于其他类型电池，被普遍认为是适合PHEV用的电池。美国、日本等发达国家对锂离子电池的研究工作均给
23、予很高重视和投入。1.4.3 PHEV对充电基础设施的要求与其他清洁汽车相比其基础设施更容易解决，但是需要各级政府和电力部门的大力支持。中国电网的低谷电利用情况，各个不同供电区域能支持多少辆PHEV充电等问题尚需进一步研究。 PHEV的车载电池可以用公用电网充电，因此对消费者来说更加方便，在自己家里就可以给汽车充电，方便快捷。特别是对于大多数时间都是开车上下班的工薪族而言，减少去加油站的次数，可降到一个月23次。在美国或一些发达国家，消费者利用家用电源插座系统就可以给汽车充电，而且美国晚间的低谷电可供1亿多辆PHEV同时充电，但是我国晚间的低谷电可同时供多少辆汽车充电有待考察。另外，我国的充电
24、设施需要解决，因为我国居民大多数居住在楼房里，很多用户都没有自己的汽车房，这种情况需政府推动在居民小区等公共场所建立充电站，以便PHEV的迅速推广和应用。1.5 本文研究内容和主要工作在插电式混合动力车中，只有发动机和电池优化配合工作，才能获得良好的车辆性能。因此，如何设计高效的能量控制策略成为能量管理系统中的重要问题之一。针对这一问题，本文主要进行了如下工作：首先，简要回顾了插电式混合动力车的发展历史及国内外研究现状，总结了插电式混合动力车中的关键技术，最后指出了本文的研究内容和主要工作。其次，学习掌握了ADVISOR软件和MATLAB软件的应用，设计了基于电荷消耗思想的插电式混合动力车的能
25、量控制策略，其主要内容包括插电式混合动力汽车能量源的分析、电荷消耗分配策略介绍、能量控制策略的确定。最后，针对能量控制策略对车辆性能进行仿真。仿真内容包括电池与发动机的功率仿真，油耗与尾气排放量的仿真，整车输出功率的仿真。用仿真数据来表明电池与发动机控制的优化。2 PHEV的基本知识 一般而言，混合动力车分为三种，这三种是纯电动车(BEV, Battery only Electric Vehicle)、混合电动车(HEV, Hybrid Electric Vehicle)和插电式混合动力车(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle)。其中插电式混合动力车主要以
26、电力驱动，同时搭配汽油或柴油内燃机引擎。在车辆滑行状态或在城内行驶，时速低于40公里时，车辆完全以电力驱动。但在加速或爬坡的行驶状态下，车辆会自动启动内燃机引擎辅助马达，提供充足的能量以维持车辆动力。刹车时，马达会自动将摩擦的热能转换成电力储存在电池中。 插电式混合动力车和纯电动车的最大的两个差异是，插电式混合动力车的电池容量较大，可以靠电力行驶较远的距离，燃油使用量与温室气体排放量都较低。此外，插电式混合动力车除了以引擎进行充电外，也可以用家用外接电源充电。插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，简称PHEV）是一种新型的混合动力电动汽车。区别于传
27、统汽油动力与电驱动结合的混合动力，插电式混合动力驱动原理、驱动单元都与电动车无异，之所以称其为混合动力，是这类车上装备有一台为电池充电的发动机。在日常使用过程中，它又可以当作一台纯电动车来使用，只要单次使用不超过电池可提供的续航里程（一般做到50公里以上问题不大），它就可以做到零排放和零油耗。因电池的成本费用高昂，此种车辆以较低价格进入家庭在短期内很难实现，然而受国内汽车发展趋势的影响，因政府的重视而提高相应补贴，插电式混合动力车型进入家庭指日可待。2.1 PHEV的特点（1）具有纯电动汽车的全部优点：低噪音、零排放及高能量效率。（2） PHEV介于纯电动和常规混合动力电动汽车之间，里程短时采
28、用纯电动模式（例如，在一周工作日内上下班），里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式（例如，周末长途旅游）。（3） 可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充电，不仅可改善电厂发电机组效率、解决电价问题，而且可大大降低对石油的依赖，从而减少去加油站加油的次数；另外用电比燃油便宜，可以显著减少燃油使用量，降低使用成本。由于这些特点，使得PHEV成为电动汽车的一个重要研究和发展方向。在美国一些民间组织和电力集团的推动下，PHEV已受到相关政府部门、社会和企业届的广泛关注。2.2 PHEV动力系统分类HEV的分类可用拓扑图形的方式来表达，如图2.1所示。图2.1 HEV的拓扑分类
29、 如果只有内燃机一种动力源，全部由燃油箱给汽车提供能量，就是传统汽车；如果只有电机一种动力源，同时给汽车提供能量的能量源有动力电池或者氢燃料电池，则分别为纯电动汽车或纯燃料电池电动汽车。动力电池和氢燃料电池的发展最终导致不同的汽车技术向纯电动汽车和燃料电池电动汽车发展。由图2.1可知：以纯电动汽车为分界，上部为并联混合系统，下部为串联混合系统。从系统能量流和功率流的配置结构关系的角度来看，凡是同时有两种驱动车辆的动力源，例如车轮同时由内燃机和电机驱动，则为并联混合动力系统；凡是驱动车辆的动力源只有电机一种，但给电机供应能量的能量源有两种（如动力电池、辅助动力单元或燃料电池），则为串联混合动力系
30、统。从使用动力电池电机与内燃机的搭配比例来看，混合动力电动汽车可分为四种类型：只具备自动起停、怠速关机功能的“微混合（micro hybrid）”、电机不能单独驱动车辆行驶的“轻混合(mild hybrid)”和电机、内燃机都可以独立或共同驱动车辆的“全混合(full hybrid)”，以及随着电功率的比例逐步提高，最终过渡到 “插电式混合(plug-in hybrid)”。由此可见，PHEV用电机、内燃机和动力电池特点如下：电机功率与纯电动情况基本相同（或稍小），视根据纯电动行驶模式的动力性能要求而定；内燃机比常规混合动力车小；动力电池容量（应保证必要的纯电动行驶里程）要比全混合系统的大，比
31、纯电动车辆的小，同时动力电池的功率也随之增加。2.3 PHEV的仿真软件本课题采用的是MATLAB和ADVISOR两种仿真软件，则主要利用ADVISOR软件进行仿真分析。 ADVISOR(Advanced VehIcle SimulatOR,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室NREL(National RenewableEnergy Laboratory)在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。 该软件从1994年11月份开始开发和使用,最初是用来帮助美国能源部DOE(DepartmentofEnergy)开发某混合动力汽车的动力系统,随后功能逐渐扩展,目前最新
32、的正式版本ADVISOR2002可以对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的各种性能作快速分析,是世界上能在网站上免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性,现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。 (1) ADVISOR的主要功能 ADVISOR是MATLAB和SIMULINK软件环境下的一系列模型、数据和脚本文件,它在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数,能快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能。此外,该软件的开放性也允许对用户自定义的汽车模型和仿真策略做仿真分析。虽然
33、ADVISOR软件也有一些缺陷,例如,它的部件模型都是准静态的(quasi-static),不能预测小于十分之一秒左右时间范围内的一些现象;机械振动、电磁振荡等许多动态特性也不能通过ADVISOR软件进行仿真,但它的优越性仍然吸引了国内外的众多用户。 要正确使用ADVISOR软件,就必须深入了解它的仿真策略和操作方法。 (2) ADVISOR的仿真策略 ADVISOR采用了独特的将后向仿真和前向仿真相结合的混合仿真方法,以后向仿真为主,前向仿真为辅。它首先进行后向仿真,沿着与实际功率流相反的方向,根据道路循环的要求,向整车模块发出速度和转矩请求,整车模块再向车轮和车轴模块、主减速器模块、变速器
34、模块等逐级发出请求,直到动力源模块(发动机和蓄电池等),计算出动力源所能提供的功率。然后进行前向仿真,沿着实际功率流的方向,从动力源模块出发直至车轮与车轴模块,逐级传递当前部件能提供给下一级部件的速度值和扭矩值,最后计算出汽车的实际速度。 ADVISOR首先进行后向仿真。由道路循环模块(drive cycle)提供给汽车所应该满足的行驶轨迹,向整车模块(vehicle)请求所需的速度,整车模块利用汽车行驶方程式计算出满足这一速度请求所需的车轮转速和力,再向车轮和车轴模块(wheel and axle)发出请求,请求沿后向路径逐级向上级模块主减速器模块(final drive)、变速器模块(ge
35、arbox)、离合器模块(clutch)、机械负载模块(Mechanical AccessoryLoads)等传递,直到发动机模块(fuelconverter,燃料转换器),计算出需要发动机提供的实际功率,由此完成了后向仿真过程。后向仿真不需要驾驶员模型,计算速度也很快,但是由于仿真过程中所使用的各种特性参数都是在稳态时测定的,该方法并不能用于实际行驶状态下汽车的动态仿真。 在完成后向仿真后,ADVISOR便进行前向仿真。它首先从发动机模块开始,将后向仿真计算出的发动机功率沿前向路径传递给机械负载模块,所获得的扭矩和转速传递给下一级模块,所得仿真数再逐级向下传递直到车轮和车轴模块,从而计算出汽
36、车的实际速度。前向仿真包括驾驶员模型,考虑了请求速度和当前速度,更接近于汽车的实际状况,计算结果较后向仿真更为准确,但这种仿真方法会增加计算量,使运行速度减慢,而且传动系统的功率计算还要依赖与汽车的实际状态。 后向仿真和前向仿真各有优缺点,ADVISOR采用后向仿真为主,前向仿真方为辅的混合仿真方法,将两种仿真方法较好地结合起来,既使计算量较小,同时又保证了仿真结果的精度。ADVISOR操作显示界面如下图所示：图 2.2 动力部件设置界面图2.3 仿真参数显示界面图2.4 仿真结果界面3 基于电荷消耗思想的PHEV的能量控制策略3.1 PHEV的能量源分析插电式混合动力车的结构主要采用并联式结
37、构，其结构图如图所示：图3.1 PHEV并联式结构插电式混合动力车能量控制策略主要采用并联式结构进行研究，其能量源主要由电池和发动机组成。当电池电量充足时用电池组进行供电，采用电荷消耗模式，此时发动机关闭，反之，当电池组电量不足时，采用电荷保持模式，发动机启动，带动车辆驱动装置使车辆向前行进。3.2 电荷消耗思想的介绍在电池组充满电（SOC=100）后的初期行驶阶段和车辆预定要完成行驶距离即将返回这两个阶段，车辆可以以纯电动或从电池组消耗能量的模式行驶，此时电池组的SOC可能有些波动，但其平均水平不断减少，即电量在不断消耗，直至达到某一规定的值为止。称此过程为电量消耗模式。根据发动机是否参与工
38、作，电量消耗模式又可分为纯电动（all-electric）模式和混合（blended）模式。纯电动模式的工作特点是：发动机关闭；电池是唯一的能量源，电池SOC降低；零排放，一般只能达到部分动力性指标；低速、低负荷使用。当车辆启动或者只要求部分动力性指标时，采用纯电动控制策略。当电池SOC达到最小门槛值时，需启动发动机（在某个点电池转换到电量保持模式），为此需要大功率电池和电机。混合模式的工作特点是：发动机和电机同时工作；电池SOC降低；高速时使用；当要求全面达到动力性指标时采用；车辆从纯电动到混合模式可无缝转变。当需求功率超过电池功率时发动机开始工作，采用发动机参与工作的混合策略，发动机用来补
39、充电池和电机功率以至达到最小SOC门槛值。3.3 PHEV的能量控制策略图3.2 能量控制逻辑结构图其中，SOC 初始荷电状态 V 车辆速度 Pveh车轮需求功率Pfc发动机输出功率Pess电池输出功率把电池的最高初始荷电状态设置为0.8，把最低初始荷电状态设置为0.3。 如图3.2所示，当SOC=0.3时，采用电荷消耗模式，此时，当V26.8m/s时，发动机和电池同时工作，Pess+Pfc=Pveh；V=26.8m/s时，电池工作 发动机不工作，Pess=Pveh。4 PHEV能量控制策略的仿真本文针对PHEV能量控制策略进行仿真的软件主要采用ADVISOR软件，仿真路况采用CYC_UDDS
40、路况和CYC_US06，主要对发动机与电池的输出功率进行仿真，以及油耗与排放量的仿真，整车输出功率的仿真。4.1 典型路况的介绍CYC_UDDS路况如下图所示：CYC_UDDS是美国道路循环路况的简称，EPA制定的城市道路循环UDDS作为循环工况。其循环时间为1367s，行驶路程为11.99km，最高车速为91.25km/h，平均车速为31.51km/h，最大加速度为1.48m/s2，最大减速度为-1.48 m/s2，怠速时间为259s，停车次数为17次。图4.1 CYC_UDDS路况的速度CYC_US06路况如下图所示：CYC_US06为高速路况。其循环时间为600s，行驶路程为12.89k
41、m，最高车速为129.23km/h，平均车速为77.2km/h，最大加速度为3.76m/s2，最大减速度为-3.08 m/s2，怠速时间为45s，停车次数为5次。图4.2 CYC_US06路况的速度4.2 仿真实验中的初始参数选择本文选用的插电式混合动力汽车中所用到的重要部件为发动机、电动机、电池。参数为型号、最大功率、最大效率、质量等。表4.1 本文选用的车辆部件参数参数部件名最大功率（kw）最大效率质量（kg）最大电压（V）模块数发动机410.34131电池21033525电动机490.9660发动机主要最大功率为41kw，最大效率为0.34，电池最大电压为335V，电动机最大功率为49k
42、w，效率为0.96。4.3 发动机和电池组的功率仿真发动机和电池的功率仿真采用CYC_UDDS路况进行仿真，当速度变化一定时，如果只改变初始荷电状态的值，观察电池输出功率和发动机输出功率与时间之间的关系，通过观察它们之间的关系可以得出本文的结论。改变初始荷电状态的初始值，从0.8到0.3变化，分别观察他们电池组电量的变化情况、电池组的功率变化及发动机的功率变化情况。运行结果显示如图4.3图4.8所示：图4.3 初始荷电状态为0.8时的发动机功率、电池功率图4.4 初始荷电状态为0.7时的发动机功率、电池功率图4.5 初始荷电状态为0.6时的发动机功率、电池功率图4.6 初始荷电状态为0.5时的
43、发动机功率、电池功率图4.7 初始荷电状态为0.4时的发动机功率、电池功率图4.8 初始荷电状态为0.3时的发动机功率、电池功率通过上述图4.3图4.8，可以看出：（1）在同一路况条件下，初始荷电状态从0.8到0.3，每一个荷电状态的变化情况都是随时间的推移而逐渐减小，且减小的幅度都比较小。初始荷电状态为0.8时，电池工作时间最长，发动机的工作时间最短，从0.8到0.3电池工作的时间是越来越短，发动机工作时间越来越长。（2）当初始荷电状态为0.3时，初始荷电状态在0.3上下波动，且波动不是很大，最终趋于0.3，电池处于电荷消耗模式与电荷保持模式的临界值，所以验证了所设计的能量控制策略的正确性。
44、（2）当初始荷电状态为0.3时，电池组进入电荷消耗模式，一般情况下只有电池放电来驱动车辆，但在速度高于26.8m/s时发动机和电池共同工作来驱动车辆行进。4.4 油耗与尾气排放量仿真油耗与尾气排放量的仿真采用的是CYC_UDDS路况，仿真可以得到不同的初始荷电状态时的尾气排放量与油耗与等价油耗的仿真数据图，其仿真结果如下： 图4.9 车辆初始荷电状态为0.3、0.4时的排放量及油耗仿真结果 图4.10 车辆初始荷电状态为0.5、0.6时的排放量及油耗仿真结果图4.11 车辆初始荷电状态为0.7、0.8的排放量及油耗仿真结果从图中可以知道：在初始荷电状态为0.3时油耗、排放量的关系，其中，百公里
45、油耗6.5 L，排放尾气中的碳氢化合物为0.392 g/km，一氧化碳1.82 g/km，氮氧化合物0.429 g/km。初始荷电状态为0.8时即电池组电量为峰值时，车辆的发动机的运行点及油耗、排放量的关系，其中，百公里油耗最少为2.0 L，排放尾气中的碳氢化合物为0.286 g/km，一氧化碳1.23 g/km，氮氧化合物0.176 g/km。对以上各个仿真结果进行总结成表如表4.2所示：表4.2 不同的初始荷电状态值的油耗与尾气排量初始荷电状态油耗（L/100km）HC排放量(g/km)CO排放量(g/km)NOx排放量(g/km)0.36.50.3921.820.4290.43.80.2
46、941.6390.2130.52.50.3262.9280.2630.62.20.3131.9540.2620.72.20.3221.860.2530.82.00.2861.230.1760.92.00.2861.230.1761.02.00.2861.230.176通过运用MATLAB和ADVISOR软件仿真分析，我们可以得出：（1）从理论上来讲，电池组的电量可以完全释放出来驱动车辆的驱动装置，但是事实上，并非所有储存在能量存储装置中的能量都能完全地用于向驱动装置传递充分的功率。在电池组用做能量存储装置的情况下，低荷电状态将限制其功率输出，且由于电池组的内阻的增大，将同时导致其低效率。（2）
47、通过仿真从表4.2可知，整车性能最佳状态如下：在初始荷电状态为0.8时油耗量与等价油耗量以及排放量不在发生变化，此时，百公里油耗最少为2.0 L，同时排放量是最少的，放尾气中的碳氢化合物为0.286 g/km，一氧化碳1.23 g/km，氮氧化合物0.176 g/km。（3）表4.2还可以说明，随着初始荷电状态的增大，发动机工作工作的时间越来越短，油耗越来越小，相应的电池工作的时间越来越长，尾气排放量越来越少，燃油经济性和环保性越好。4.5 整车功率输出仿真图4.12、图4.13为发动机功率、车辆功率与转矩、速度之间的逻辑关系图。其中， fc_pwr_a代表发动机的输出功率，wh_pwr_a代表车轮的驱动功率，ess_pwr_out_a代表
