一種城市公交車用混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

余捷，姚立綱，吳長倫，閆曉磊，任鋮鋮

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350116; 2.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州350108; 3.福建萬潤新能源科技有限公司，福建福州350002)

一種城市公交車用混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

余捷1，2，姚立綱1，吳長倫3，閆曉磊2，任鋮鋮1

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350116; 2.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州350108; 3.福建萬潤新能源科技有限公司，福建福州350002)

在主要研究搭載ISG(integrated starter/generator)并聯(lián)式混合動(dòng)力城市公交車的技術(shù)背景下，設(shè)計(jì)一種搭載ISG混聯(lián)式混合動(dòng)力公交車的動(dòng)力系統(tǒng).采用以發(fā)動(dòng)機(jī)效率最優(yōu)為目標(biāo)和以整車動(dòng)力性需求為約束條件的能量控制策略，利用Cruise軟件進(jìn)行整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真.仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)各工作模式切換平順穩(wěn)定，目標(biāo)車速跟蹤效果好.最后，在實(shí)車試驗(yàn)中進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和測試，證明了該動(dòng)力系統(tǒng)方案及其控制策略的可行性.

混聯(lián)式;混合動(dòng)力;城市公交車;發(fā)動(dòng)機(jī)效率

0 引言

相對于傳統(tǒng)汽車而言，搭載ISG(指起動(dòng)發(fā)電一體機(jī))的混合動(dòng)力車輛可增加回饋制動(dòng)能量，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低廢氣排放.因此，近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1］.

國內(nèi)對這類混合動(dòng)力車輛的研究主要分為ISG單軸并聯(lián)型和雙軸并聯(lián)型兩種中輕度混合動(dòng)力汽車.在控制策略和研究手段方面，秦大同等［2－4］研究了ISG中度混合型的控制策略，在能量管理控制方面取得了良好的效果;朱建新等［5］通過對四驅(qū)車輛的車輪轉(zhuǎn)矩分配控制和SOC的平衡控制研究，提高了配備ISG車輛的總體能量轉(zhuǎn)換效率;魏長河等［6］進(jìn)行了基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制方法研究;鄧國紅等［7］利用ADVISOR軟件完成了ISG并聯(lián)式混合動(dòng)力車模輛力矩分配糊控制策略的研究;葉心等［8］通過臺(tái)架試驗(yàn)對ISG型混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)工況控制策略進(jìn)行研究;陳漢玉等［9］研究了ISG車輛的啟動(dòng)過程的控制策略.此外，在不同的ISG結(jié)構(gòu)方面，何建輝等［10－11］對雙離合器式ISG的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了仿真研究;在動(dòng)力能源系統(tǒng)方面，杜曉偉等［12］對ISG型中度混合動(dòng)力汽車的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了研制，特別在電池SOC(state of charge)估計(jì)方面取得了一定突破.

國外，Adhikari等［13］提出一種ISG－PHEV在線能量平衡控制策略，其本質(zhì)上乃是對雙軸式PHEV進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，為混合動(dòng)力汽車的研發(fā)提供了新思路.Wang等［14］對混聯(lián)式城市公交車的控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真研究，基于動(dòng)態(tài)迭代編程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思想為不同工況下的整車控制策略提供快速測試方法.Yang等［15］研究了采用ISG并聯(lián)之后HCCI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性改善情況.

本研究基于以上分析，并考慮到國內(nèi)目前在混合動(dòng)力城市公交車方面的市場優(yōu)勢，針對國內(nèi)對ISG混聯(lián)式車輛較少研究的情況，設(shè)計(jì)了一種城市公交車用搭載ISG混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，建立以發(fā)動(dòng)機(jī)效率最優(yōu)為目標(biāo)和以功率需求為約束條件的能量控制策略.利用Cruise進(jìn)行整車仿真模型的搭建以及對動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的分析，結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定和測試，證明該動(dòng)力系統(tǒng)方案及其控制策略的可行性，也為系統(tǒng)優(yōu)化提供了研究方向.

1ISG混聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

針對目前ISG單軸或雙軸并聯(lián)式中輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)在整車轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢和能量回收效率低等方面的不足，提出一套新型的混合動(dòng)力總成方案，圖1為整車動(dòng)力系統(tǒng)簡圖.其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有:1)該方案采用彈性聯(lián)軸器連接ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，不僅結(jié)構(gòu)簡單就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合，又能實(shí)現(xiàn)減震、平緩力矩耦合沖擊等作用;2)采用較大功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和ISG發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間純電驅(qū)動(dòng)，規(guī)避了目前國內(nèi)同類車型因加裝變速器所帶來的高故障率、換擋控制策略復(fù)雜等難題，而且兩臺(tái)電機(jī)分工明確，有利于電機(jī)的設(shè)計(jì)制造和高效區(qū)匹配;3)采用具有高功率密度的超級電容作為能源系統(tǒng)，可利用城市公交車經(jīng)常起停、怠速工況完成超級電容的快速充放電，這比采用壽命相對較短的動(dòng)力電池系統(tǒng)更具可行性;4)采用氣控式離合器，易于實(shí)現(xiàn)車輛各種運(yùn)行模式的切換，特別是低速再生制動(dòng)時(shí)，因離合器分離使整車動(dòng)能通過驅(qū)動(dòng)輪與主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的剛性連接可高效率回收制動(dòng)能并保證良好的制動(dòng)平順性;5)發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)組成的發(fā)電系統(tǒng)電量直接為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，減少電量充放環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)效率;6)具有較好的新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)的通用性，若去掉發(fā)動(dòng)機(jī)就是純電動(dòng)汽車.

ISG混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)可同時(shí)具有串聯(lián)和并聯(lián)式混合動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式以滿足不同行駛工況的動(dòng)力需求，同時(shí)各動(dòng)力部件高效率運(yùn)行而達(dá)到節(jié)能減排目的.其具體實(shí)現(xiàn)的行車模式如表1所示.

表1 整車工作模式劃分Tab.1Division of the vehicle woke mode

然而，與傳統(tǒng)ISG并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，ISG混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)也較為復(fù)雜.因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的能量平衡控制策略.

2 整車能量管理控制策略研究

對于車輛而言，因外界工況變化較大(如上坡、下坡、起步、加速、減速、制動(dòng)等)導(dǎo)致其功率需求變化范圍也較大.因此，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)都配有變速系統(tǒng)以滿足外界工況的功率需求，并提高動(dòng)力源高效率運(yùn)行比例.理論上，混合動(dòng)力技術(shù)與之有異曲同工之處，通過優(yōu)化匹配和控制發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和ISG電機(jī)等多種動(dòng)力源的功率耦合，可在滿足整車動(dòng)力性要求下保證各動(dòng)力源都能工作在高效區(qū)而使整車具有較好的經(jīng)濟(jì)性.

目前，混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略大致可分為:基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制策略、基于模糊控制的智能型控制策略和基于優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)控制策略等3類.第一類主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及部件的穩(wěn)態(tài)效率圖來確定各動(dòng)力部件的動(dòng)力參數(shù)匹配，并通過相關(guān)門限值的設(shè)定實(shí)現(xiàn)各工作模式的切換;第二類方法可不需要依賴精確的模型，利用模糊規(guī)則取代明確的規(guī)則來解決動(dòng)力系統(tǒng)能量分配問題，具有較好的魯棒性和自適應(yīng)性;第三類則在既定駕駛循環(huán)工況下，根據(jù)最優(yōu)控制理論動(dòng)態(tài)分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，從而獲得最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性.由于在ISG混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)可行性的驗(yàn)證階段，基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制策略具有比較好的調(diào)試性和魯棒性，本研究采用該控制策略進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試研究，所設(shè)計(jì)的控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示.

對于ISG混合動(dòng)力車輛，因發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速相等，在離合器結(jié)合后與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速無法成為受控變量，轉(zhuǎn)矩耦合成為系統(tǒng)能量管理策略的有效方法.利用PID控制策略可解決各動(dòng)力部件的轉(zhuǎn)矩分配，使整車具有較好的動(dòng)力性，而各個(gè)部件以及系統(tǒng)的效率又得到優(yōu)化，使整車具有較好燃油經(jīng)濟(jì)性.控制程序流程簡圖如圖3所示.所需采集的控制參數(shù)輸入主要有:油門踏板信號、制動(dòng)踏板信號、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器狀態(tài)信號、行駛開關(guān)信號(前進(jìn)、倒車信號)、超級電容剩余電量信號.當(dāng)司機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，當(dāng)制動(dòng)信號強(qiáng)時(shí)，進(jìn)入復(fù)合制動(dòng)模式，保證行車安全;當(dāng)司機(jī)踩油門提高動(dòng)力輸出時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)整車狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、復(fù)合驅(qū)動(dòng)、純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等模式;當(dāng)超級電容電壓過低時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制進(jìn)入發(fā)電狀態(tài).

3 動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析與實(shí)車試驗(yàn)

為了進(jìn)行ISG混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的初步參數(shù)匹配與控制策略研究，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對整車進(jìn)行正確的參數(shù)匹配、性能評估及控制策略開發(fā).目前，混合動(dòng)力汽車仿真軟件很多，主要分為兩類，一類是以ADVISOR為典型代表的逆向仿真軟件，根據(jù)道路工況的功率需求反向推算各部件的功率;第二類是以CRUISE為典型代表的正向仿真軟件，根據(jù)駕駛員的操作意圖確定動(dòng)力系統(tǒng)的功率分配以滿足道路功率需求［16］.考慮到正向仿真更符合駕駛習(xí)慣，車輛模型和控制策略與實(shí)車控制邏輯相符，本研究采用CRUISE作為仿真分析手段，通過建立車輛仿真模型以及嵌入所設(shè)計(jì)的控制策略，進(jìn)行整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真研究.圖4為所搭建的仿真模型，其整車仿真基本參數(shù)和各主要部件的匹配參數(shù)如表2所示.仿真過程顯示，在NEDC行駛工況下，動(dòng)力系統(tǒng)各運(yùn)行模式切換平順穩(wěn)定，并且實(shí)際車速?zèng)]有出現(xiàn)超過最大和最小車速偏差范圍(圖5所示).可見，整車目標(biāo)車速跟蹤效果較好，達(dá)到整車動(dòng)力性要求.此外，仿真結(jié)果百公里油耗為29.1 L，經(jīng)濟(jì)性較同等傳統(tǒng)燃油公交車輛有較大幅度的提升(約25%).

表2 整車仿真基本參數(shù)Tab.2Basic parameters of the vehicle for simulation

圖6 為實(shí)車試驗(yàn)相關(guān)圖片說明，其中圖6(a)為對當(dāng)?shù)啬晨罟卉囘M(jìn)行改裝后的試驗(yàn)樣車，圖6(b)為車載檢測系統(tǒng)(上位機(jī))，可實(shí)時(shí)采集、檢測各動(dòng)力部件的運(yùn)行狀態(tài).將基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制策略思想所設(shè)計(jì)的程序，可實(shí)現(xiàn)整車各運(yùn)行模式的切換，數(shù)據(jù)標(biāo)定后各種模式運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，試驗(yàn)表明控制策略的可行性.

4 結(jié)語

1)提出一種新型的ISG混聯(lián)式城市公交車動(dòng)力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并對其工作原理和典型工作模式進(jìn)行分析;

2)基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制思想完成了整車控制策略的設(shè)計(jì)，并利用Cruise軟件完成整車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件(發(fā)動(dòng)機(jī)、主驅(qū)電機(jī)、ISG電機(jī)、超級電容等)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì).仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)滿足整車動(dòng)力性指標(biāo)要求，其經(jīng)濟(jì)性較傳統(tǒng)燃油汽車提高約25%.

3)在實(shí)車調(diào)試環(huán)境下，完成了相關(guān)門限值的標(biāo)定.通過自主設(shè)計(jì)的上位監(jiān)控系統(tǒng)和試驗(yàn)，表明所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)各模式切換平穩(wěn)，有較好的實(shí)用性.

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(責(zé)任編輯:沈蕓)

Study and design on the powertrain system for series－parallel hybrid city－bus

YU Jie1，2，YAO Ligang1，WU Changlun3，YAN Xiaolei2，REN Chengcheng1
(1.College of Mechanical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China; 2.College of Mechanical and Automobile Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350108，China; 3.Fujian Wanrun Ring Expressway Co Ltd，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China)

Under the technology background of the research mainly focus on ISG(integrated starter/ generator)parallel hybrid city－bus，a kind of powertrain system for series－parallel hybrid city－bus with ISG was designed.Based on the energy control strategy with the engine efficiency as the optimal goal and the vehicle dynamic performance requirements as the constraint condition and the use of software Cruise，the vehicle performance and fuel economy were simulated，the simulation results show that the power system work mode switch stable smoothly and the target speed tracking effect is good.Finally，after the parameters calibration and test in the real vehicle experiment，the feasibility of the power system and its control strategy was proved.

series－parallel;hybrid;city－bus;engine efficiency

U463.2

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0795

1000－2243(2016)06－0795－05

2015－09－15

余捷(1984－)，講師，主要從事電動(dòng)汽車研究，95677615@qq.com

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275092);福建省重大科技建設(shè)平臺(tái)資助項(xiàng)目(2014H21010011);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J05088);福建省教育廳科研資助項(xiàng)目(JAT160322)