并聯(lián)混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)控制策略研究

岳淑彪，高建平，楊鷺航，田朝陽(yáng)，郭志軍，朱光海

(1.河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003;2.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410012;3.中國(guó)一拖集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南洛陽(yáng)471004;4.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州450016)

0 前言

全球石油危機(jī)和氣候惡化對(duì)節(jié)能和減排提出了更高的要求，混合動(dòng)力汽車綜合運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩種動(dòng)力，通過(guò)動(dòng)力電池的功率均衡作用，最大可能地優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，使燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能比傳統(tǒng)動(dòng)力汽車顯著提高，被認(rèn)為是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)理想的交通工具，從而在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。科技部近期推行的“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車計(jì)劃客觀上為混合動(dòng)力汽車研發(fā)提供了新的契機(jī)［1－3］。本文以一種并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車為研究平臺(tái)，以CRUISE為仿真平臺(tái)建立整車模型，在MATLAB/Simulink中建立怠速停機(jī)控制策略，基于國(guó)內(nèi)典型城市公交循環(huán)工況的仿真結(jié)果表明:怠速時(shí)間、怠速轉(zhuǎn)速是影響混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素，采用參數(shù)優(yōu)化的怠速停機(jī)控制策略可以使整車燃油經(jīng)濟(jì)性得到明顯提高。

1 基本概念

對(duì)汽車實(shí)際行駛工況的統(tǒng)計(jì)分析表明:發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)間占整個(gè)循環(huán)工況時(shí)間的30%～40%［4］。而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，造成大量燃料浪費(fèi)。怠速停機(jī)是混合動(dòng)力汽車節(jié)油的四大關(guān)鍵途徑之一，怠速停機(jī)控制策略可以使混合動(dòng)力汽車在車輛靜止或小低速行駛時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)在油耗或有害氣體排放較高的怠速區(qū)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排的目的，得到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速包括車輛停歇(停車)時(shí)怠速和制動(dòng)減速期間怠速［5］。在制動(dòng)減速階段，車輛可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)減速斷油控制來(lái)達(dá)到節(jié)油目的，此可在發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)上實(shí)現(xiàn)，不屬于混合動(dòng)力控制技術(shù)的范疇，本文研究的怠速僅指停車怠速?；旌蟿?dòng)力汽車怠速停機(jī)是指車輛停車時(shí)在條件允許的情況下，通過(guò)混合動(dòng)力控制技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，而起車時(shí)能快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)響應(yīng)起車要求。國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)的混合動(dòng)力汽車并不多見，主要原因有:(1)對(duì)怠速停機(jī)定量研究不夠充分，對(duì)其節(jié)油潛力認(rèn)識(shí)不足。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后會(huì)造成原車的輔助系統(tǒng)(如油泵、氣泵和風(fēng)扇等)失去動(dòng)力源而停止工作，因此，需要對(duì)原車輔助系統(tǒng)進(jìn)行電氣化改造，而能否得到可用的電附件以及成本增加多少，是整車企業(yè)不得不考慮的問(wèn)題。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)

2.1 基本參數(shù)

本文的研究基于12 m并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車，其基本配置參數(shù)如表1所示。

表1 混合動(dòng)力車輛配置參數(shù)

2.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)如圖1所示，該車是在基準(zhǔn)車輛(原傳統(tǒng)動(dòng)力車輛)的基礎(chǔ)上改裝而成，動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電控離合器和機(jī)械式自動(dòng)變速器組成。該車可實(shí)現(xiàn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、行車充電、混合驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)等模式。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖1所示混合動(dòng)力系統(tǒng)并未實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)功能，要在此系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)控制，需對(duì)其進(jìn)行改造，增加大功率起動(dòng)裝置、輔助部件和控制機(jī)構(gòu)等，使附件有兩種工作模式:發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)附件工作和動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)間接拖動(dòng)附件工作，而控制機(jī)構(gòu)能使這兩種模式自由切換。

3 怠速停機(jī)仿真模型

AVL公司提供的汽車專用仿真軟件CRUISE基于正向仿真模型，非常適合混合動(dòng)力汽車控制策略的開發(fā)，可方便地對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)。它與MATLAB/Simulink有很好的接口，從而實(shí)現(xiàn)CRUISE和MATLAB/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真。為了保證仿真環(huán)境的有效性，需對(duì)CRUISE建立的整車模型仿真精度進(jìn)行驗(yàn)證。因混合動(dòng)力汽車是以基準(zhǔn)車輛為基礎(chǔ)的，要獲得精確的仿真結(jié)果，須保證基準(zhǔn)車輛模型具有較好的仿真精度。

3.1 模型校正

為確保模型在CRUISE環(huán)境下的仿真能代替實(shí)車道路試驗(yàn)，需對(duì)原車進(jìn)行多輪道路試驗(yàn)，如滑行試驗(yàn)，制動(dòng)試驗(yàn)等，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校正車輛仿真模型中的參數(shù)，如輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)，制動(dòng)器的參數(shù)等。

表2 基準(zhǔn)車輛仿真油耗與試驗(yàn)油耗對(duì)比

在CRUISE平臺(tái)下，基于國(guó)內(nèi)典型城市公交循環(huán)工況，對(duì)校正過(guò)的基準(zhǔn)車輛模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)場(chǎng)路試結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示，可以看出仿真結(jié)果和試驗(yàn)場(chǎng)路試結(jié)果相差0.5%，從而說(shuō)明本文所用的仿真模型具有較好的仿真精度。

3.2 混合動(dòng)力汽車仿真模型

校正基準(zhǔn)車輛模型后，在基準(zhǔn)車仿真模型的基礎(chǔ)上添加混合動(dòng)力特有的部件模型可建立混合動(dòng)力汽車仿真模型，模型中，車輛附件用機(jī)械消耗附件(CRUISE中mechanical consumer模型)來(lái)表示。通過(guò)在MATLAB/Simulink中搭建的控制策略控制機(jī)械消耗附件兩端的離合器，實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)時(shí)和怠速不停機(jī)時(shí)系統(tǒng)功率流的變化。

4 怠速停機(jī)節(jié)油機(jī)理分析

混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)時(shí)的節(jié)油率可由下式求得:

其中，βfuel_saving為混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)時(shí)的節(jié)油率;Lfuel_stop為發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)節(jié)省的燃油消耗量，L;Lcycle為基準(zhǔn)車輛總?cè)加拖牧?，L;Tstop為怠速停機(jī)總時(shí)間，s;fidle為怠速時(shí)油耗，kgh－1;ρfuel為燃油密度，kgL－1;t為時(shí)間，s;Lelectric_stop為混合動(dòng)力汽車當(dāng)量燃油消耗量，L，其計(jì)算方法如下式［6］:

其中，Ek為試驗(yàn)過(guò)程中的電能消耗量，kWh;Qfuel_low為燃料燃燒的低熱值，Jg－1;ηeng為發(fā)電工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的平均工作效率;ηgen為發(fā)電工況下發(fā)電機(jī)的平均工作效率。

從式(1)可以看出:怠速時(shí)間和怠速油耗影響混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)時(shí)的節(jié)油率。

4.1 怠速時(shí)間的影響

怠速時(shí)間是描述循環(huán)工況的重要參數(shù)之一，怠速時(shí)間占循環(huán)工況總時(shí)間的比例不同，其混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性差別很大［7－8］。以國(guó)內(nèi)典型城市公交循環(huán)工況為例，通過(guò)設(shè)定不同的怠速時(shí)間，可以得到圖2所示的5種不同工況?；谶@些工況進(jìn)行仿真，可得到怠速停機(jī)時(shí)怠速時(shí)間比例與汽車節(jié)油率的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3中可以看出:怠速時(shí)間是影響混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)時(shí)節(jié)油率的主要參數(shù)，且怠速時(shí)間占循環(huán)工況總時(shí)間的比例越大，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高越顯著。這主要是怠速時(shí)附件間接消耗的電量按式(2)轉(zhuǎn)換成的等效燃油消耗比發(fā)動(dòng)機(jī)怠速油耗要少，且隨著怠速時(shí)間比例的增加，節(jié)油效果越來(lái)越明顯。

4.2 怠速轉(zhuǎn)速的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速直接決定怠速時(shí)的油耗，本文研究中調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速，基于國(guó)內(nèi)典型城市公交循環(huán)工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真，得到汽車怠速停機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速與節(jié)油率的關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可以看出:怠速停機(jī)時(shí)節(jié)油率隨發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速增大而逐漸提高，其原因主要是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速越大，停車時(shí)車輛附件消耗的功率也越大，致使怠速油耗相對(duì)較高，而實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)后節(jié)油效果越明顯。另外，還可看出發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速變化對(duì)怠速停機(jī)時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性改善影響較小。

5 怠速停機(jī)控制策略

5.1 功率流分析

圖4 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的功率流

在圖4中:ne、Te分別為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩;nm、Tm分別為電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩;nr、Tr分別為車輪的轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩;Te－aux、Tm－aux分別為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)附件工作提供的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)拖動(dòng)附件工作提供的轉(zhuǎn)矩;Ub、Ib分別為動(dòng)力電池電壓和電流;Tf為制動(dòng)器輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車而言，根據(jù)圖4所示的功率流，可以得到如下功率平衡方程式:

其中，Pr為整車需求功率，kW;Paux為車輛附件需求功率，kW;Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，kW;Pb為電池充放電功率，kW;Pf為制動(dòng)器輸出的制動(dòng)功率，kW;η為效率系數(shù)，電池放電時(shí)，為電池放電效率和電動(dòng)機(jī)工作效率之積，電池充電時(shí)，為電池充電效率和發(fā)電機(jī)效率積之倒數(shù)。

5.2 怠速不停機(jī)控制策略

由于怠速不停機(jī)時(shí)的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和滑行控制策略不是本文研究的重點(diǎn)，以下只論述怠速工況下的控制策略，其控制算法如下:

其中，eng_on為發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，1表示開啟，0表示關(guān)閉;clutch_on為電控離合器工作狀態(tài)，1表示結(jié)合，0表示分離;ηbc為電池充電效率;ηmg為電機(jī)發(fā)電效率;SOC為電池組荷電狀態(tài);SOCmin為電池荷電狀態(tài)下限。

式(4)所表述的控制策略為:臨時(shí)停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，若SOC大于設(shè)定下限時(shí)，離合器分離，車輛附件消耗的功率由發(fā)動(dòng)機(jī)提供;否則，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)附件工作，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池充電。

5.3 怠速停機(jī)控制策略

怠速停機(jī)控制策略，按工況具體分為怠速控制策略、驅(qū)動(dòng)行駛控制策略、減速制動(dòng)控制策略、減速滑行控制策略。

其中，hps_on為大功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)，1表示工作，0表示不工作;nidle為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，rmin－1;acc_on為電機(jī)拖動(dòng)附件系統(tǒng)工作狀態(tài)，1表示工作，0表示不工作;Lped為驅(qū)動(dòng)油門踏板行程; ηbd為電池放電效率;ηme為電動(dòng)機(jī)工作效率。

式(5)所表述的為怠速控制策略:若SOC大于設(shè)定下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，離合器斷開，動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)附件工作。當(dāng)車輛起步時(shí)，使用一套大功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)快速拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速以上，保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，大功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)退出，且附件由電機(jī)拖動(dòng)切換為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。若SOC不大于設(shè)定下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)附件，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池組充電。

因在驅(qū)動(dòng)行駛、減速制動(dòng)和減速滑行控制策略中acc_on=0(電機(jī)拖動(dòng)附件系統(tǒng)不工作)，hps_on=0 (大功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不工作)，eng_on=1(發(fā)動(dòng)機(jī)開啟)均成立，在式(6)～式(8)中不再表述。

式(6)所表述的為驅(qū)動(dòng)行駛控制策略:低速工況下，若SOC大于設(shè)定下限時(shí)，離合器分離，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滿足驅(qū)動(dòng)需求功率，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛附件;否則，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)給電池組充電。中速行駛工況下，離合器結(jié)合，若SOC大于設(shè)定下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng);否則，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛的同時(shí)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)給電池組充電。高速工況下，離合器結(jié)合，若SOC大于設(shè)定下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng);否則，發(fā)動(dòng)機(jī)全功率跟隨驅(qū)動(dòng)汽車行駛。

其中，vmid_low為離合器分離時(shí)對(duì)應(yīng)的車速，kmh－1;SOCmax為電池荷電狀態(tài)上限。

式(7)所表述的為減速制動(dòng)控制策略:中高速減速制動(dòng)工況下，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)附件反拖制動(dòng)，制動(dòng)器制動(dòng)。若SOC大于設(shè)定上限時(shí)，電機(jī)不參與制動(dòng);否則，電機(jī)再生制動(dòng)給電池組充電。低速制動(dòng)工況下，離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)附件工作，制動(dòng)器制動(dòng)。若SOC大于設(shè)定上限時(shí)，電機(jī)不參與制動(dòng);否則，電機(jī)再生制動(dòng)給電池組充電。

式(8)所表述的為減速滑行控制策略:此工況下，電機(jī)不參與制動(dòng)。中高速工況下，離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)附件反拖制動(dòng);低速工況下，離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)附件工作。

在怠速停機(jī)控制策略中，驅(qū)動(dòng)行駛時(shí)離合器結(jié)合對(duì)應(yīng)的車速和減速制動(dòng)、滑行時(shí)離合器分離對(duì)應(yīng)的車速不相等，是為了避免模式的頻繁切換。

6 仿真結(jié)果

基于上述怠速不停機(jī)和怠速停機(jī)控制策略，在CRUISE環(huán)境下針對(duì)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性仿真分析。結(jié)果如圖5所示。

圖5 怠速不停機(jī)和怠速停機(jī)實(shí)際車速、發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)、油耗和電耗對(duì)比

從圖5可以看出:兩種控制策略下實(shí)際車速一致。在怠速不停機(jī)策略下，車輛靜止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，油耗為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速油耗，電耗為零;怠速停機(jī)控制策略下，當(dāng)車輛靜止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，油耗為零，電機(jī)拖動(dòng)附件消耗一定的電功率。

表3 兩種控制策略下燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

表3所示為兩種控制策略下燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對(duì)比，從表3可以看出:混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)后，油耗明顯減少，電耗小幅增加，等價(jià)油耗比怠速不停機(jī)節(jié)油約10%，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性明顯得到改善。

7 結(jié)論

(1)怠速時(shí)間占循環(huán)工況總時(shí)間比例對(duì)混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性改善影響較大，且比例越大，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性越好。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速對(duì)混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性改善影響較小。(3)基于國(guó)內(nèi)典型城市公交循環(huán)工況下，混合動(dòng)力汽車怠速停機(jī)時(shí)比怠速不停機(jī)時(shí)節(jié)油約10%，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

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