混聯(lián)混合動力客車動力系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩分配控制策略研究

秦東晨,潘守辰，徐一村，王迎佳

(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

混聯(lián)混合動力客車動力系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩分配控制策略研究

秦東晨,潘守辰，徐一村，王迎佳

(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：以某型號混聯(lián)式混合動力公交客車為研究對象，在分析其動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Cruise軟件建立了動力系統(tǒng)仿真模型，并結(jié)合車輛實際運行特點，設(shè)計了一種以燃油經(jīng)濟性和超級電容電量平衡特性為控制目標的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，在選定的工況下進行了仿真.仿真結(jié)果表明，與實車測試數(shù)據(jù)相比，設(shè)計的控制策略在保證整車動力性的基礎(chǔ)上，燃油消耗降低了6.2%，并較好地維持了超級電容的電量平衡，驗證了整車仿真模型與轉(zhuǎn)矩分配控制策略的正確性和有效性.

關(guān)鍵詞：混聯(lián)式混合動力客車；Cruise；轉(zhuǎn)矩分配；控制策略；仿真

0引言

在能源危機和環(huán)境問題的巨大壓力下，混聯(lián)式混合動力客車(Series-Parallel Hybrid Electric Bus，SPHEB)以良好的節(jié)油減排效果已經(jīng)成為應(yīng)對這些問題的主流新能源車型，也是目前研究的重點之一[1-2].混聯(lián)式混合動力客車結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可適應(yīng)行駛工況的復(fù)雜多變性，靈活控制能量分配，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟性和排放性[3].整車控制策略作為SPHEB能量分配的核心技術(shù)，是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵.基于規(guī)則的整車控制策略簡單直觀，容易實現(xiàn)，具有較好的實用性且應(yīng)用比較廣泛.龔賢武等[4]以滿足車輛的功率需求和提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的原則，設(shè)計了邏輯門限值控制策略，并進行了仿真分析來研究其控制效果；姚明亮等[5]以經(jīng)濟性和排放性為控制目標，提出了一種基于模糊邏輯規(guī)則的控制策略.

筆者針對某型號城市混合動力公交客車，在分析其動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Cruise軟件建立了動力系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合車輛的實際運行特點，設(shè)計了一種以整車燃油經(jīng)濟性和超級電容電量平衡特性為控制目標的基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，并建立Simulink模型，通過聯(lián)合仿真與實車數(shù)據(jù)的對比分析，對設(shè)計建立的仿真模型及控制策略的正確性和有效性進行了驗證.

1混聯(lián)式混合動力客車的建模

1.1混聯(lián)式動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

筆者所研究的混聯(lián)式混合動力客車的原型為一款12 m級，后輪驅(qū)動城市公交客車，其動力系統(tǒng)主要由6缸柴油發(fā)動機、主驅(qū)動電機、啟動發(fā)電一體電機(Integrated/Starter Generator，ISG)、主減速器、自動離合器、超級電容及整車控制器等主要部件組成，如圖1所示.發(fā)動機曲軸與ISG的主軸直接相連，兩者采用同軸式布置方式.通過自動離合器的分離與結(jié)合可以實現(xiàn)車輛在串聯(lián)與并聯(lián)模式之間的切換.

1.2動力系統(tǒng)仿真模型的建立

Cruise軟件模塊化的建模方式可以方便快捷地完成不同結(jié)構(gòu)車輛模型的搭建.Cruise軟件具有跟Matlab/Simulink聯(lián)合仿真的接口，可以將使用者設(shè)計的邏輯程序集成到Cruise中[6-7].

筆者在Cruise軟件中建立整車動力系統(tǒng)仿真模型.主要用到發(fā)動機模塊、電機、離合器、主減速器、超級電容、車輪、制動系、駕駛室及Matlab控制等模塊.各個模塊選定之后，根據(jù)動力系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)和部件間的連接關(guān)系建立模擬的機械/電氣連接，控制信息傳遞則通過信號連接進行.

2SPHEB轉(zhuǎn)矩分配控制策略

以整車燃油經(jīng)濟性和超級電容的電量平衡特性為控制目標，設(shè)計了一種基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略.首先對車輛的工作模式進行判定，然后分別設(shè)計制定相應(yīng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配和再生制動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則.混合動力客車工作模式的判定流程如圖2所示.

根據(jù)城市公交客車的運行特點，該混合動力公交客車主要具有純電機驅(qū)動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、發(fā)動機驅(qū)動并發(fā)電模式、聯(lián)合驅(qū)動模式和再生制動模式等5種工作模式.分別取超級電容的荷電狀態(tài)SOC的上限SOC_high=0.9，SOC的下限SOC_low=0.4.

2.1轉(zhuǎn)矩分配控制策略模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的轉(zhuǎn)矩分配控制策略模型如圖3所示.

信號處理模塊根據(jù)車速、SOC、主電機轉(zhuǎn)速和油門踏板開度等信號進行一系列查表和數(shù)值計算，從而得到后續(xù)模塊中用到的參數(shù)數(shù)值以及發(fā)動機開/關(guān)信號和離合器狀態(tài)控制信號.工作模式選擇模塊則根據(jù)車速、油門踏板開度和制動踏板開度信號來判斷當前車輛工作在驅(qū)動模式還是再生制動模式，然后通過輸出選擇模塊將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配模塊或再生制動轉(zhuǎn)矩分配模塊所判定控制輸出的信號傳遞給發(fā)動機、主驅(qū)動電機、ISG等動力輸出部件，得到各動力部件的輸出轉(zhuǎn)矩.

2.2驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的分配采用電力輔助的控制方法，將主驅(qū)動電機作為一個靈活的動力部件來輔助發(fā)動機，使超級電容SOC保持在良好的范圍，并獲得較好的燃油經(jīng)濟性.

驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配如圖4所示.根據(jù)整車需求轉(zhuǎn)矩的大小分成5種情況，即有5種轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則.

(1)若Treq

(2)若Treq

(3)若Te_min≤Treq

(4)若Te_min≤Treq

(5)若Treq≥Te_max，則工作在發(fā)動機和主電機聯(lián)合驅(qū)動模式，此時控制Te=Te_max，Tm=Treq-Te_max(電機助力轉(zhuǎn)矩)，Tisg=0.其中:Treq為整車需求轉(zhuǎn)矩;Te_min為發(fā)動機最小輸出轉(zhuǎn)矩;Te_max為發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩;Tm為主驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩;Tisg為ISG的輸出轉(zhuǎn)矩，單位均為N·m.

2.3再生制動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

混合動力客車的再生制動能夠提高能量的利用率，是節(jié)能的重要途徑之一[8].

超級電容的SOC是再生制動轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則的主要控制參數(shù)，若SOC≥SOC_high，說明電量充足，無需進行再生制動對超級電容進行充電，否則可能會造成電量過充而影響電容的壽命；若SOC

3仿真及結(jié)果分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)定

筆者所研究的混聯(lián)式混合動力公交客車整車主要參數(shù)如表1所示.

根據(jù)GB/T 19754規(guī)定的試驗方法[9]，選定中國典型城市公交客車循環(huán)工況，進行仿真.

3.2仿真結(jié)果分析

圖6所示為仿真所得到的結(jié)果.從車速對比曲線可以看出，仿真車速能夠較好的跟隨實際的行駛工況曲線，滿足對車速的要求.從超級電容的SOC變化曲線可看出， SOC的初始值為90%，結(jié)束值為83.6%，說明電量平衡性良好.根據(jù)工況變化，超級電容能夠在不同工作模式下進行合理的充放電.結(jié)合各動力部件的輸出轉(zhuǎn)矩變化可以看出，在車輛剛起步或者低速時，整車需求轉(zhuǎn)矩不大，由主驅(qū)動電機單獨輸出轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動車輛行駛，SOC下降；隨著車速的增加，發(fā)動機啟動，在加速時由發(fā)動機和主驅(qū)動電機聯(lián)合驅(qū)動來提供整車需求轉(zhuǎn)矩；當SOC較低時，ISG輸出負轉(zhuǎn)矩發(fā)電，為超級電容充電；在車輛制動時，主驅(qū)動電機輸出負轉(zhuǎn)矩回收制動能量，SOC上升.這與所建立的整車控制策略思想吻合，并符合所設(shè)計的轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，表明了所建整車聯(lián)合仿真模型的正確性和有效性.

仿真所得整車動力性和燃油經(jīng)濟性結(jié)果與使用普通控制策略的實車測試數(shù)據(jù)對比如表2所示.可以看出，仿真得到的最高車速結(jié)果與實車測試數(shù)據(jù)基本吻合，0～50 km/h加速時間仿真結(jié)果要小于實車數(shù)據(jù)，仿真的燃油消耗比實車測試數(shù)據(jù)下降了6.2%，說明采用所建的轉(zhuǎn)矩分配控制策略進行仿真，車輛在保證良好動力性的前提下，燃油消耗量得到了降低，表明所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略具有良好的控制效果，能夠提高車輛的燃油經(jīng)濟性.

為了驗證所設(shè)計的轉(zhuǎn)矩分配控制策略在維持超級電容電量平衡上的控制效果，與未采用再生制動轉(zhuǎn)矩分配的普通控制策略進行了仿真對比.在普通控制策略中沒有對再生制動進行轉(zhuǎn)矩分配，只是在再生制動時控制主電機輸出定量的轉(zhuǎn)矩，不考慮發(fā)動機的輔助充電作用.超級電容SOC變化仿真對比結(jié)果如圖7所示.

從圖7可以看出，與普通控制策略相比，采用筆者所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略仿真得到的超級電容的電量變化更加平緩，幅度更小，說明充放電更加平穩(wěn).在相同的電量初始值條件下，仿真結(jié)束時，采用所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略電量值為83.6%，比普通控制策略高3.2%，表明超級電容具有更好的電量平衡特性，證明了所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略的有效性.

4結(jié)論

針對某型號混聯(lián)式混合動力公交客車，在對其動力系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上搭建了基于Cruise軟件和Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真模型，并結(jié)合客車實際運行情況，以燃油經(jīng)濟性和超級電容的電量平衡特性為控制目標，設(shè)計了一種基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略.

在中國典型城市公交循環(huán)工況下，車輛仿真車速能夠很好的滿足工況對速度的要求，整車動力性能仿真結(jié)果與實車測試數(shù)據(jù)吻合.整車燃油消耗量降低了6.2%，超級電容的SOC變化更加平穩(wěn)，具有較好的電量平衡特性，說明所建轉(zhuǎn)矩分配策略不僅能有效的提高整車燃油經(jīng)濟性，而且可較好地維持超級電容的電量特性，有良好的控制效果，驗證了整車動力系統(tǒng)仿真模型與轉(zhuǎn)矩分配控制策略的正確性和有效性.

參考文獻：

[1]高銘澤.中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院，2013.

[2]NIASSAR A H, MOGHBELLI H, VAHEDI A. Design methodology of drive train for a series-parallel hybrid electric vehicle (SP-HEV) and its power flow control strategy[C]// 2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives，San Antonio，USA，2005： 1549-1554.

[3]林程. 純電動及混合動力汽車設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2012.

[4]龔賢武，吳德軍，高闖,等. 混聯(lián)型混合動力汽車建模及控制策略研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2014，35(3)：73-77.

[5]姚明亮，秦大同，胡明輝,等. 基于模糊邏輯控制策略的混合動力汽車仿真研究[J]. 汽車工程，2007，29(11)：934-937.

[6]趙水平，陳燎，遲京為,等. 基于Cruise-Simulink聯(lián)合仿真的FCEV能量管理策略研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，30(5)：1068-1072.

[7]曾小華，于永濤，王加雪,等. 基于Cruise軟件的混合動力客車主動同步換擋的建模與仿真[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2008，38(5)：1015-1019.

[8]趙國柱. 電動汽車再生制動若干關(guān)鍵問題研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，2012.

[9]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 19754—2005重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2005.

Study on Modeling of Power Train for Series-Parallel Hybrid Electric Bus and Torque Distribution Control Strategy

QIN Dong-chen, PAN Shou-chen, XU Yi-cun, WANG Ying-jia

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:Using a series-parallel hybrid electric bus as the study object and based on the analysis of the power train, the simulation model of power train is established in Cruise. Combined with the characteristics of vehicle operation, a torque distribution control strategy with fuel economy and super capacitor charge balance feature as major control objects is proposed. Then the simulation is completed under the selected cycle condition. The results show that on the basis of guarantee the vehicle dynamic performance, the torque distribution control strategy can reduce the fuel consumption by 6.2% compared with the real vehicle test data. And the charge balance of super capacitor is well maintained. All of these verify the validity and feasibility of the simulation model and torque distribution control strategy．

Key words:series-parallel hybrid electric bus; Cruise; torque distribution; control strategy; simulation

中圖分類號：U469.72

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.001

文章編號:1671-6833(2015)02-0001-05

作者簡介:秦東晨(1965-)，男，河南焦作人，鄭州大學(xué)教授,博士,主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計、機械強度與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等，E-mail：dcqin@zzu.edu.cn.

基金項目:國家重大科技成果轉(zhuǎn)化資助項目(財建2012[258]號);河南省科技廳攻關(guān)項目(142102210103)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(13B460367)