含2擋箱增程式客車參數(shù)設(shè)計與仿真分析

黃鼎鍵，鐘 勇，閆曉磊

（福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州 350118）

含2擋箱增程式客車參數(shù)設(shè)計與仿真分析

黃鼎鍵，鐘 勇，閆曉磊

（福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州 350118）

為進一步提高增程式客車爬坡性能、加速性能及城市循環(huán)工況下的燃油經(jīng)濟性，根據(jù)整車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和目標性能要求增配了2擋箱，完成了新型增程式客車的動力參數(shù)設(shè)計，以AVL/ CRUISE為平臺建立了整車仿真模型，結(jié)合MATLAB/Simulink所建立的基于邏輯控制的控制器模型以及發(fā)動機PID控制模型；通過聯(lián)合仿真，結(jié)果表明：所設(shè)計的含2擋箱增程式客車爬坡性能、加速性能和燃油經(jīng)濟性均有較好提升，基于邏輯控制的控制策略可滿足。

增程式客車；2擋箱；控制策略

0 引言

增程式客車作為新能源汽車一種模式，得到國內(nèi)外學者重視并開展了多研究。Matt Van Wieringen等完成基于雙燃油動力系統(tǒng)，提高增程式汽車動力性[1]；Hong Zhang等提出了能量分配原則的新的控制模式，在ADVISOR中進行了仿真實驗，驗證了控制策略，最大限度地降低了能量消耗[2]；Xiaogang Wu等基于中國典型城市工況，進行增程式汽車能量管理系統(tǒng)優(yōu)化，燃耗相對于傳統(tǒng)汽車可降低31.08%[3]；牛繼高、司璐璐等提出了增程用發(fā)動機的選配原則及整車燃油經(jīng)濟性評價方法，引入基于規(guī)則的發(fā)動機定點和最優(yōu)曲線能量控制策略[4,5]。姜蘊珈、宋珂針設(shè)計了基于遺傳所發(fā)的多輸入單輸出的模糊控制器，以電池SOC和負載需求功率為輸入變量，以發(fā)動機最佳輸出功率為輸出變量，優(yōu)化設(shè)計后，燃油經(jīng)濟性明顯提高[6]。王若飛對增程式客車動力系統(tǒng)進行匹配，設(shè)計了相應(yīng)控制策略，運用CRUISE對客車的動力性和經(jīng)濟性進行仿真[7]。

上述研究大都在傳統(tǒng)無變速器增程式汽車開展參數(shù)匹配和控制策略研究，針對帶2擋變速箱的增程式汽車的研究較少涉及；本文研究的原車型也是無變速器的增程式客車，實際營運過程中出現(xiàn)整車燃油經(jīng)濟性和加速性能較差，特別是在部分路段爬坡能力無法滿足需求；故將針對含2擋變速器的增程式客車參數(shù)設(shè)計、控制策略制定與實現(xiàn)開展研究。

1 含2擋箱增程式客車結(jié)構(gòu)

為進一步提高增程式客車的燃油經(jīng)濟性和動力性，本文所研究的含2擋箱增程式客車是在原車型基礎(chǔ)上增設(shè)了2擋變速箱，主要由發(fā)動機、發(fā)電機、動力電池、超級電容、驅(qū)動電機、2擋變速箱、主減速器等組成，如圖1所示，其基本參數(shù)為：滿載質(zhì)量為M=18000kg，整備質(zhì)量MB=13300kg，迎風面積A=8.13m2，風阻系數(shù)CD=0.62，車輪滾動半徑r=0.526m，軸距L=6m，主減速比i0=6.16。其主要動力指標要求和燃油經(jīng)濟性要求如下：最高車速vmax=69km/h，最大爬坡度i≥20%，0～50km/h的加速時間t≤30s，城市工況下平均百公里油耗Q≤22.5L。

圖1 增程式客車組成簡圖

2 動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

2.1 驅(qū)動電機參數(shù)設(shè)計

增程式客車中驅(qū)動電機是既是驅(qū)動汽車行駛的唯一動力裝置又是制動能回收的發(fā)電裝置，直接驅(qū)動整車行駛、加速、爬坡；動力系統(tǒng)參數(shù)需要根據(jù)整車動力性能、經(jīng)濟性能要求、行駛工況等進行設(shè)計，主要包括額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、額定扭矩、峰值扭矩、額定功率和峰值功率等參數(shù)，最終根據(jù)配套廠家的產(chǎn)品目錄進行選型、確定合適的驅(qū)動電機。

增程式客車動力系統(tǒng)中驅(qū)動電機既是動力裝置又是制動能回收的發(fā)電裝置，直接驅(qū)動整車行駛、加速、爬坡；驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速是一個重要的參數(shù)，其最高轉(zhuǎn)速nmax需與增程式客車所允許的最高車速umax匹配，并根據(jù)基速比2β==2選定額定轉(zhuǎn)速nb，由于該客車變速器第二擋為直接擋其傳動比i2=1，則可根據(jù)式(1)確定驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速和電機額定轉(zhuǎn)速；驅(qū)動電機峰值功率Pmax需與最高車速umax、最大爬坡度α以及由v0～vt加速性能匹配，并根據(jù)電機過載系數(shù)2μ==2選定額定功率，可根據(jù)式(2)確定驅(qū)動電機峰值功率Pmax和額定功率Pb。

根據(jù)最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、峰值功率和額定功率，由配套廠家的產(chǎn)品目錄選用了一款驅(qū)動電機，其額定功率為100kW，額定轉(zhuǎn)速為1200r/min，峰值扭矩為1592 Nm。

2.2 變速器一擋傳動比設(shè)計

該增程式客車低速爬坡時，忽略空氣阻力，則其動力主要用于克服爬坡阻力和滾動阻力，再根據(jù)驅(qū)動輪與路面附著條件，按式(3)可確定變速器一擋傳動比值的范圍。代入相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)計算，并綜合尺寸、性能等因數(shù)，選定變速器的一擋傳動比為3.2。

式中，η為傳動效率；

?為附著系數(shù)；

Temax為電機最大轉(zhuǎn)矩；

M為滿載質(zhì)量。

2.3 動力電池的參數(shù)設(shè)計

動力電池的功率需和電機功率相匹配，應(yīng)滿足式(4)，經(jīng)計算，動力電池組額定電壓為576V，電池組容量66Ah，38.01kW.h。

式中：

Qc為電池組容量，Ah；

W為電池組總能量，kW.h；

ηb為電池放電效率，0.85；

Paux為附件電氣的功率，kW；

Ib為動力電池電流，A；

Ub為動力電池電壓，V。

2.4 增程器參數(shù)設(shè)計

增程器由發(fā)動機、發(fā)電機及控制器組成，當動力電池的SOC消耗到低于設(shè)置值SOC_low時，該車由純電動驅(qū)動模式切換為增程模式，此時，發(fā)動機啟動、帶動發(fā)電機發(fā)電，為整車運行供能，并為動力電池充電，直到動力電池的SOC增加到SOC_high，關(guān)閉發(fā)電機和發(fā)動機，停止發(fā)電；發(fā)動機功率直接影響整車的燃油經(jīng)濟性，所以應(yīng)在滿足車輛平均行駛功率需求前提下，其取值盡可能小；研究和試驗表明，在中國典型城市工況下，此類客車平均需求功率約為35kW，考慮發(fā)電機效率ηf==0.09.292和驅(qū)動電機的效率ηe==0.092.9，2則發(fā)動機的功率為：

經(jīng)計算得PE=41.35kW。進一步考慮空調(diào)、轉(zhuǎn)向電機等電氣設(shè)備的功率需求，增加內(nèi)燃機功率裕量15kW，最終發(fā)動機功率和發(fā)電機功率均選取為57kW。

3 控制策略分析與實現(xiàn)

控制策略決定了增程式客車燃油經(jīng)濟和動動力性[3,4]。利用MATLAB/Simulink按該車的控制策略建立控制器，控制器按其邏輯規(guī)則和實時獲取的汽車以及各部件的運行狀況，完成對變速器擋位、驅(qū)動電機狀態(tài)、增程器啟閉等的控制，最終影響整車動力性和燃油經(jīng)濟性。

2擋變速器的控制目的是為了根據(jù)行駛工況實現(xiàn)變速器2個擋位切換、以滿足爬坡、高速行駛及節(jié)能的需求[5]；控制過程所需要的參數(shù)是汽車速度，其規(guī)則是當車速小于22km/h時，變速器處于低速擋；當車速大于等于22km/h時，自動切換到高速擋，其控制規(guī)則如圖2所示。

圖2 變速器的控制規(guī)則圖

驅(qū)動電機的控制目的是實現(xiàn)驅(qū)動電機功能切換，主要有驅(qū)動和制動能量回收兩種狀態(tài)；控制過程所需要的參數(shù)是汽車速度和駕駛員制動踏板信號，其規(guī)則是駕駛員沒有制動時，驅(qū)動電機處于驅(qū)動狀態(tài)，駕駛員加速踏板單獨控制驅(qū)動電機；當車速大于0.1km/h，且駕駛員有制動時，驅(qū)動電機由純電驅(qū)動模式切換為制動能回收模式，其控制規(guī)則如圖3所示，圖中，MLS表示電機負荷信號，其值在[-1,1]區(qū)間、LS表示駕駛員負荷信號，其值在[0,1]區(qū)間、BP、MBP、BFC分別表示制動壓力、最大。

圖3 驅(qū)動電機控制規(guī)則圖

發(fā)動機和發(fā)電機的控制目的是實現(xiàn)兩種狀態(tài)組合的切換：發(fā)動機和發(fā)電機均停機，APU處于不發(fā)電狀態(tài)（NG）；發(fā)動機和發(fā)電機均啟動處于發(fā)電狀態(tài)（G）?？刂七^程以動力電池SOC為控制參數(shù)，當動力電池SOC大于SOC_low時，整車行駛過程中所需的全部功率由動力電池單獨提供，處于純電動模式，發(fā)動機和發(fā)電機均不工作，該模式占比大；當動力電池SOC小于等于SOC_low時，增程器APU開啟，處于增程模式，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由PID控制器控制，達到高效、經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速，發(fā)動機帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)并輸出功率滿足汽車行駛需求，剩于部分為動力電池充電；當動力電池SOC大于等于SOC_high時，增程器APU關(guān)閉，重新切換為純電動模式。其控制規(guī)則如圖4所示，圖中的GSW、GLS、ESW、ELSD、PID_C分別表示發(fā)電機啟動開關(guān)、發(fā)電機負荷信號、發(fā)動機啟動開關(guān)、發(fā)動機負荷信號、PID控制器的信號。

圖4 發(fā)動機/發(fā)電機控制規(guī)則圖

按上述規(guī)則在MATLAB/Simulink中建立了多輸入多輸出的動力系統(tǒng)控制器，轉(zhuǎn)換成DLL文件后，供AVL/CRUISE的控制器模塊調(diào)用，實現(xiàn)MATLAB與CRUISE聯(lián)合仿真。

發(fā)動機PID控制的目的是使該車處于增程模式下時，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速為預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速。PID控制器根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速值nr(t)與實際值na(t)兩個參數(shù)值以及這兩參數(shù)值的差值：e(t)=nr(t)?na(t)，將偏差的比例Kp、積分Ti、微分Td通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的油門執(zhí)行器進行控制，最終實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速恒定控制，其控制原理如圖5所示，其控制規(guī)律為：

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速PID控制原理圖

式中，u(t)為PID控制器的輸出信號，用于控制發(fā)動機油門執(zhí)行器，經(jīng)調(diào)定，比例系數(shù)Kp=20、積分時間常數(shù)Ti=2×10-4、微分時間常數(shù)Td=0.0025。

4 仿真及結(jié)果分析

為驗證本文所制定的控制策略的合理性，利用模塊化建模方法，根據(jù)圖1增程式客車整車結(jié)構(gòu)、機械和電氣連接，在CRUISE中搭建整車模型并完成各模塊參數(shù)設(shè)置，從而建立了增程式客車仿真模型，如圖6所示。完成設(shè)置后，獲得仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖6 增程式客車仿真模型

圖7 SOC變化與發(fā)動機啟閉關(guān)系

圖8 車速與擋位曲線圖

圖9 爬坡度

圖10 0～50km/h加速性能對比

由圖7可知，文中以中國典型城市工況為循環(huán)工況，純電動模式下，動力電池SOC由初始值100%逐步消耗到45%，此時進入增程模式，啟動發(fā)動機和發(fā)電機，為整車功能的同時，也為動力電池充電，使其SOC由45%逐步增加到60%，又由增程模式切換到純電動驅(qū)動模式；當SOC第二次小號到45%時，第二次切換到增程模式。

由圖8可知，該增程式客車能按控制規(guī)則快速響應(yīng)并實現(xiàn)換擋動作，當車速高于22km/h時，變速器由1擋切換到2擋，當車速低于22km/h時，又由2擋切換到1擋，停車時處于空擋狀態(tài)。

提高客車的爬坡性能是該增程式客車增設(shè)2擋箱目的之一，本文模擬電池充滿狀態(tài)，客車滿載狀態(tài)下的爬坡性能，由圖9可知，1擋最大爬坡度為21.70%，總體來看該客車增設(shè)2擋箱后爬坡性能相較于原車型有較大提升，可滿足城市道路中出現(xiàn)的爬道行駛。提高客車加速性能是該增程式客車增設(shè)2擋箱的另一個目的，由圖10可知，含2擋箱增程式客車0～50km/h的加速時間為27.8s，而不含2擋箱增程式客車0～50km/h的加速時間為39.4s，配備2擋箱增程式客車加速性能顯著提高，提高了約29.4%。

除完成上述仿真分析外，本文還計算了該客車最高車速、中國典型城市公交工況百公里油耗、初速度50km/h的滑行距離，其結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

5 結(jié)論

針對一款新型增程式客車，以提高其爬坡性能、加速性能、燃油經(jīng)濟性為目標，在原車型基礎(chǔ)上，增設(shè)了2擋變速箱，制定了相關(guān)控制策略，在CRUISE中建立了增程式客車仿真模型、運用Simulink/Stateflow建立了控制器模型等；通過發(fā)動機PID控制，發(fā)動機的工作點基本維持高效的運行，故此提高了燃油經(jīng)濟性；仿真結(jié)果表明：所完成的參數(shù)設(shè)計和控制策略滿足要求；與此同時，0～50km/h的加速性能提高了29.4%，爬坡性能顯著提高，燃油經(jīng)濟性提高了約10%。

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Design and simulation analysis of range extended city bus with 2-speed gearbox

HUANG Ding-jian, ZHONG Yong, YAN Xiao-lei

TP391.9

：A

1009-0134(2017)01-0031-05

2016-11-13

福建省教育廳項目（JA15346）；國家自然科學基金資助項目（51505085）

黃鼎鍵（1982 -），男，福建福州人，講師，博士研究生，研究方向為新能源汽車技術(shù)。