基于兩種運行工況的增程式混合動力客車控制策略研究

魏兆森，費曉翔，黃紅林

（濰柴（揚州）亞星新能源商用車有限公司，江蘇揚州225001）

基于兩種運行工況的增程式混合動力客車控制策略研究

魏兆森，費曉翔，黃紅林

（濰柴（揚州）亞星新能源商用車有限公司，江蘇揚州225001）

一款增程式混合動力客車，根據(jù)運行工況，設(shè)計定功率點及多功率點切換的兩種控制策略，通過綜

合動力電池荷電狀態(tài)和整車車速狀態(tài)，計算增程器單元最佳輸出功率，從而有效地實現(xiàn)能量分配控制，并得到實車驗證。

增程式；混合動力客車；運行工況；控制策略。

增程式混合動力客車是一種配有可在線、外插充電動力電池和增程器的混合動力汽車，當(dāng)電能充足時，動力電池提供車輛行駛所需的所有能量，當(dāng)電能不足時，增程器輔助工作。增程式動力系統(tǒng)作為從傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力系統(tǒng)向純電動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過渡技術(shù)產(chǎn)品，通過增加一個燃料發(fā)動機有效地改善了純電動汽車續(xù)駛里程短的問題，延長了車輛行駛里程[1-2]。本文主要論述純電動和增程式兩種運行工況下，某增程式混合動力客車的開發(fā)與驗證。

1 車輛運行模式及工況

增程式混合動力客車運行在“電主油副”的狀態(tài)，分兩種工作模式：

第一種為純電動工作模式，此時電池電量充足，車輛行駛能量均來自動力電池。

第二種為“增程式”工作模式，即在電池電量耗到一定程度時，起動增程器帶動發(fā)電機發(fā)電，所發(fā)電的大部分給驅(qū)動電機供電，盈余部分給電池充電，以維持其容量在某個范圍值。電池電量到達一定值后，增程器自動關(guān)閉或者由駕駛員強制關(guān)閉（車輛儀表臺設(shè)有強制關(guān)閉按鈕）。

整車運行工況也分兩種：

第一種是城市客車工況：城市客車主要運營于市區(qū)與市郊，最高時速69 km/h，加速度＞0.94 m/s2，且經(jīng)常起停。針對城市客車工況采集，用同車型的純電動城市客車在揚州市區(qū)、市郊進行了實地行駛，車輛整備質(zhì)量3.08 t，加載65%后車輛質(zhì)量4.05 t（以下所有實車或仿真都以此標準進行），隨機選擇了兩路城市客車路線，路線為南北向與東西向，路線包括市區(qū)、市郊，各循環(huán)6次，采集所有數(shù)據(jù)，得出城市客車工況下電機輸出功率、轉(zhuǎn)速分布見圖1。

圖1 城市客車工況下電機的輸出

可以看出，電機輸出功率集中在20 kW以內(nèi)，占比達82%，轉(zhuǎn)速由于最高時速的限制，保持在2 000 r/min以內(nèi)，分布較均勻。

第二種是公路客車工況：公路客車主要運行于市區(qū)、市郊、高速，其中市郊跟高速占比較大，最高時速限值100 km/h。針對公路工況采集，采用同車型純電動公路客車在揚州市區(qū)、市郊、環(huán)城高速進行了實地行駛，試驗6次循環(huán)，采集所有數(shù)據(jù)，得出公路工況下電機輸出功率、轉(zhuǎn)速分布見圖2?？梢钥闯觯姍C輸出功率集中在20～40 kW，占比達66%；轉(zhuǎn)速多集中在高速段。

圖2 公路工況下電機的輸出

2 增程式電動車動力系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上分析，從而對增程式混合動力客車的動力系統(tǒng)進行設(shè)計。

2.1 動力系統(tǒng)選型

增程器選擇現(xiàn)有且已量產(chǎn)的成品，發(fā)動機1.2 L三缸汽油機，額定功率35 kW，最大功率38 kW；驅(qū)動電機選擇額定功率40 kW，最大功率70 kW，最大扭矩700 N·m，最高轉(zhuǎn)速4 500 r/min，扭矩滿足滿載最大爬坡＞20%[3-5]的要求；電池采用功率型磷酸鐵鋰電池[6]，相比于能量型電池，該類型電池具有充放次數(shù)多、充放倍率高的特性，電池標稱容量60 Ah，標稱電壓340 V，電池能量20.5 kW·h，其他相關(guān)部件沿用純電動車型部件。

2.2 增程器控制策略研究

在選擇增程器工作點前，對其進行了臺架試驗，標定后得出4個經(jīng)濟工作點：6 kW/1 400 r/min，16 kW/ 2 300 r/min，25 kW/2 800 r/min，30 kW/3 200 r/min。

2.2.1 城市客車工況控制策略

城市客車工況采用定功率點控制策略，具體如下：

1）當(dāng)電池SOC＜55%時，增程器自動起動，整車控制器發(fā)出定點功率請求16 kW，APU內(nèi)部完成功率閉環(huán)，響應(yīng)整車控制器的功率，為避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，將功率閉環(huán)帶寬設(shè)置為1 kW，當(dāng)響應(yīng)的功率與目標功率誤差在1 kW以內(nèi)將不再閉環(huán)調(diào)節(jié)。

2）不同駕駛員有不同的駕駛習(xí)慣，為防止SOC下降，在SOC進入不同區(qū)域時以不同的發(fā)電功率發(fā)電：當(dāng)SOC＜50%時，整車控制器發(fā)出功率請求25 kW；當(dāng)SOC＜30%時，整車控制器發(fā)出功率請求30 kW；當(dāng)SOC＞60%，增程器自動關(guān)閉（考慮到電池持續(xù)充電時間、電池壽命[7-9]、綜合油耗，將增程器停止值設(shè)定在60%）。

3）增程器起動時，整車控制器發(fā)出小功率需求，發(fā)動機暖機，此時功率設(shè)定為6 kW，當(dāng)發(fā)動機水溫到達60℃時，整車控制器發(fā)出大功率請求。

根據(jù)此定功率點策略，進行多次仿真模擬與實地試驗，仿真循環(huán)見文獻[9]。仿真結(jié)果如圖3所示[10]。

圖3電池SOC變化與增程器工作狀態(tài)

圖3 結(jié)果顯示，電池SOC維持在55%～60%之間，此段SOC對應(yīng)的電池電壓為350～355 V，為驅(qū)動電機、發(fā)電機的最優(yōu)工作電壓平臺，且45%的電量可保證純電動模式行駛50 km，增程器介入工作后，可以將電機持續(xù)工作在相對高效區(qū)域。

根據(jù)標準工況試驗方法[9]，在公司試驗場進行了實地行駛，在SOC為55%時開始進入路譜，一次循環(huán)時間1 300 s，增程器起動1次，當(dāng)循環(huán)結(jié)束時，SOC剛好再次回到55%，一次試驗做兩次循環(huán)，一共實地做了4次試驗，并全程采集數(shù)據(jù)，電池SOC變換、車輛速度、增程器瞬時油耗如圖4所示，可以看出，電池SOC穩(wěn)定在55%～60%之間，車輛速度與標準工況吻合，一次循環(huán)增程器起動一次。

圖4 標準工況試驗結(jié)果

2.2.2 公路客車工況控制策略

從圖2可以看出，公路工況運行模式中，驅(qū)動電機輸出功率主要集中在20～40 kW，且隨路況變化，電機的輸出功率變化很大，定功率點發(fā)電不能維持電池電量穩(wěn)定。而傳統(tǒng)意義上的功率跟隨控制策略，又會造成額外的油耗與噪聲[11]。鑒于此考慮，公路客車工況下采用多功率點切換的控制策略。

多功率點切換的控制條件為電池SOC與車速，整車控制器的功率請求隨SOC、車速變化，當(dāng)SOC越低且車速越快時，增程器發(fā)電功率越大，反之則越小。

當(dāng)SOC＜70%時，增程器起動，暖機策略同城市客車。增程器正常工作后，其功率點隨車速、SOC數(shù)值階段性變化，具體如下：

1）SOC在50%～70%區(qū)間：車速低于60 km/h時，增程器以16 kW發(fā)電；車速在60～80 km/h時，增程器以25 kW發(fā)電；車速高于80 km/h時，增程器以30 kW發(fā)電。

2）SOC在30%～50%區(qū)間：車速低于40 km/h時，增程器以16 kW發(fā)電；車速在40～60 km/h時，增程器以25 kW發(fā)電；車速在60～90 km/h時，增程器以30 kW發(fā)電；車速高于90 km/h，增程器以35 kW發(fā)電。

3）SOC在0～30%區(qū)間：車速低于20 km/h，增程器以16 kW發(fā)電；車速在20～40 km/h時，增程器以25 kW發(fā)電；當(dāng)車速在40～70 km/h時，增程器以30 kW發(fā)電；當(dāng)車速高于70 km/h時，增程器以35 kW發(fā)電。

4）當(dāng)SOC低于10%時，整車控制器限制驅(qū)動電機的輸出功率在25 kW以內(nèi)。

5）當(dāng)SOC高于75%時，增程器自動關(guān)閉。

針對此策略，實車在揚州-泰州模擬客運，往返試驗8個循環(huán)，全程采集數(shù)據(jù)。圖5為其中一次往返試驗的數(shù)據(jù)，可以看出，電池SOC可以穩(wěn)定在40%左右。

圖5 公路工況實驗結(jié)果

2.3 應(yīng)用效果

實車在兩種路況下進行了長時間的路試，證明兩種控制策略可以滿足動力系統(tǒng)能量分配，達到了預(yù)期的控制目的；增程器工作狀態(tài)下油耗控制在9 L/100 km以下；在車輛安全方面，本次研發(fā)中加入了兩項限制：禁止車輛在原地大功率發(fā)電，以防排氣管過熱引起安全隱患[10]；減小在增程器起動后的電回饋，禁止充電超調(diào)的過大電流給動力電池帶來累積損傷[6-9]。

3 結(jié)束語

本文主要結(jié)合客運市場需求、動力電池SOC、車輛運行工況、車速等因素，綜合考慮提出兩種控制策略，并進行了實車驗證，在動力性、舒適性不減的前提下，綜合油耗比傳統(tǒng)汽油車降低40%，整體效果良好，但還需進一步完善，以提高整車性能。

[1]謝俊淋.基于多功率點切換的增程式電動車研究[J].機電技術(shù)，2014（4）：106-108.

[2]張洪延，董煒江.增程式電動汽車的設(shè)計與控制[J].汽車工程學(xué)報，2014，4（5）：342-352.

[3]焦磊.增程式電動汽車動力總成參數(shù)匹配及控制策略研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[4]孫奎洲，王凱，范鑫，等.增程式電動汽車動力總成參數(shù)匹配設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014，22（10）：3396-3398.

[5]田甜，鄭燕萍，蔣元廣，等.混合動力汽車控制策略優(yōu)化研究綜述[J].公路與汽運，2010（5）：1-4.

[6]黃鋒濤.高功率型磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能[J].廣東化工，2016，43（11）：100.

[7]高飛，楊凱，惠東，等.儲能用磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命的能量分析[J].中國電機工程學(xué)報，2013，50（5）：41-45.

[8]羅玉濤，王峰，喻皓，等.基于行駛工況的磷酸鐵鋰電池壽命模型研究[J].汽車工程，2015，37（8）：881-885.

[9]胡銀全，劉和平，劉平，等.電動汽車用磷酸鐵鋰電池充電特性的分析[J].汽車工程，2013，35（4）：293-297.

[10]全國汽車標準化技術(shù)委員會.重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法：GB/T 19754-2015[S].北京：中國標準出版社，2015：5.

[11]胡亞楠.發(fā)動機燃油經(jīng)濟性影響因素分析[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2011，30（1）：66-69.

修改稿日期：2017-02-20

Research on Control Strategies of Extended Range Hybrid Bus Based on Two Operating Conditions

Wei Zhaosen，F(xiàn)ei Xiaoxiang，HuangHonglin
（Weichai（Yangzhou）YaxingNewEnergyCommercial Vehicle Co.,Ltd,Yangzhou 225001,China）

According to the operating conditions,the authors design two kinds of control strategies including constant power point and multiple points switching for an extended range hybrid bus.Through compositing the power batteries charge state and the vehicle speed state,they calculate the optimal output power of the extended range hybrid unit,soas toeffectivelyrealizes the energydistribution control,which is verified byvehicle test.

extended range;hybrid bus;operatingcondition;control strategy

U464

A

1006-3331（2017）03-0016-03

魏兆森（1989-），男，工程師；主要從事新能源汽車研發(fā)工作。