基于CCBC工況的混合動力公交客車能耗優(yōu)化控制策略研究

基金項目：安徽省高校自然科學(xué)研究項目（2023AH052966）

摘要：燃油經(jīng)濟(jì)性直接影響混合動力城市公交客車的產(chǎn)品性能，如何基于仿真和實(shí)車試驗數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)控制策略的優(yōu)化具有現(xiàn)實(shí)的研究意義。針對某105 m同軸混聯(lián)式ISG混合動力城市公交客車搭建了整車仿真模型，基于中國典型城市公交循環(huán)（CCBC）工況進(jìn)行了Cruise、Matlab/Simulink聯(lián)合仿真分析，并結(jié)合GB/T19754—2021《重型混合動力汽車能量消耗量試驗方法》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對該混合動力車輛進(jìn)行了多輪綜合燃油消耗量測試驗證。最終的試驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化之后的控制策略顯著提高了車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：混動公交客車；控制策略；聯(lián)合仿真；能耗試驗

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2024-03-28

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405010

1 前言

《中國制造2025》提出“節(jié)能與新能源汽車”作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，計劃到2025年，生產(chǎn)的插電式混動客車節(jié)油達(dá)到70%以上，排放減少80%。目前，現(xiàn)有混合動力客車還存在一些問題和技術(shù)瓶頸，并聯(lián)混合動力存在可靠性低、平順性差、節(jié)油率低等問題，混聯(lián)系統(tǒng)存在爬坡度低、扭轉(zhuǎn)減振盤壽命低等問題［1］。而高效的插電式混合動力客車及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究可以攻克我國在發(fā)動機(jī)、機(jī)電耦合系統(tǒng)等方面技術(shù)瓶頸，高效解決混合動力客車現(xiàn)存技術(shù)難點(diǎn)。

本文基于市場對于插電式混合動力公交燃油經(jīng)濟(jì)性的高要求，著眼于研究發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)電耦合控制來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)的效率，通過仿真和實(shí)車試驗數(shù)據(jù)，計算發(fā)動機(jī)控制、電池能量管理、電驅(qū)動系統(tǒng)控制等整車控制策略中各相關(guān)參數(shù)對整車能耗的影響因子，得到最優(yōu)控制策略參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)車輛的能耗優(yōu)化。

2 混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

21 ISG混動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為某105 m混動公交客車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)部件包括發(fā)動機(jī)、扭轉(zhuǎn)減震器、ISG電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、牙嵌式電磁離合器及輔助部件等，以上機(jī)械部件為同軸式結(jié)構(gòu)，混合動力系統(tǒng)為同軸混聯(lián)式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具備高效率、低能耗、高防護(hù)、高可靠性的技術(shù)特點(diǎn)。

22 混動系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)具有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種模式，整車控制原理如下：車速起步時，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)之前，車輛由電機(jī)驅(qū)動；當(dāng)車輛達(dá)到一定車速，電磁離合器結(jié)合，車輛進(jìn)入并聯(lián)模式，發(fā)動機(jī)參與驅(qū)動。另外，為保證動力電池的高效使用，電池SOC需保持在一定的閾值范圍內(nèi)，可通過串聯(lián)、并聯(lián)發(fā)電或者利用發(fā)動機(jī)剩余功率補(bǔ)充電池電量［2］。

3 整車控制策略

31 整車控制模型搭建

根據(jù)上文所述，結(jié)合車輛車身及底盤參數(shù)，將發(fā)動機(jī)外特性及萬有特性曲線擬合后，在MATLAB/Simulink中搭建整車控制模型，如圖2所示。

32 整車控制策略優(yōu)化

混合動力客車整車控制策略是實(shí)現(xiàn)車輛協(xié)調(diào)控制的核心和關(guān)鍵，最終目的是實(shí)現(xiàn)整車能量的最優(yōu)化管理。該系統(tǒng)采用全工況條件下整車多工作模式切換策略，保證在儲能系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的邊界約束條件下，實(shí)現(xiàn)大范圍車速下離合器快速接合與分離。同時充分利用混聯(lián)系統(tǒng)的串/并聯(lián)優(yōu)勢，車輛可以自動適應(yīng)各種工作路況，有效提升綜合燃油經(jīng)濟(jì)性。同時，合理有效的能量優(yōu)化管理策略，對整車的節(jié)能降耗指標(biāo)起著非常重要的作用。各模式下，整車控制系統(tǒng)需要考慮以下兩個問題：在平衡乘座舒適度與能量回饋效率的基礎(chǔ)上，合理匹配最大制動扭矩；在平衡整車安全性與能量回饋效率的基礎(chǔ)上，合理分配剎車踏板的電制動開度［3］。

該系統(tǒng)工作模式可分為停車、驅(qū)動和制動三種模式。這三種模式又可以根據(jù)發(fā)動機(jī)和電機(jī)的工作狀態(tài)分為不同的子模式，各模式之間轉(zhuǎn)換通過機(jī)電耦合裝置實(shí)現(xiàn)，各模式詳細(xì)劃分如表1所示。整車工作模式的劃分及切換是控制策略的核心，結(jié)合發(fā)動機(jī)外特性及萬有特性曲線，根據(jù)油門踏板開度、車速以及系統(tǒng)狀態(tài)等因素獲得當(dāng)前總的扭矩需求，最終確定車輛當(dāng)前處于何種工作模式，在各個模式下進(jìn)行控制策略的優(yōu)化。

33 整車性能仿真

基于中國典型城市公交循環(huán)（CCBC）工況，采用Cruise、Matlab/Simulink聯(lián)合仿真分析，得到動力電池電壓電流功率、SOC變化、續(xù)駛里程、工作模式切換過程、動力系統(tǒng)扭矩變化及發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)等各性能參數(shù)的仿真結(jié)果，如圖3所示。

4 實(shí)車試驗

41 實(shí)車試驗過程

結(jié)合以上控制策略，分別優(yōu)化發(fā)動機(jī)噴油啟動轉(zhuǎn)速點(diǎn)、參考扭矩、并聯(lián)模式下發(fā)動機(jī)熄火次數(shù)、SOC閾值范圍、發(fā)動機(jī)串聯(lián)發(fā)電工作點(diǎn)、純電模式進(jìn)并聯(lián)模式車速、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動工作范圍、水泵啟停控制溫度等控制參數(shù)，依據(jù)GB/T19754—2021《重型混合動力汽車能量消耗量試驗方法》［4］，基于CCBC工況在實(shí)車上對車輛進(jìn)行燃油消耗試驗。

具體試驗過程如下：

a.整車部件修改：為驗證整車部件對燃油消耗率的影響，將車輛自身機(jī)械部件對油耗的影響降到最低，對發(fā)動機(jī)渦輪增壓器、輪胎、轉(zhuǎn)向電機(jī)、發(fā)動機(jī)皮帶驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵、空調(diào)壓縮機(jī)等車輛部件進(jìn)行了拆除、更換試驗對比。

b.控制策略修改：根據(jù)試驗環(huán)境，采取多輪次、分階段的方式修改控制參數(shù)，得出多組試驗數(shù)據(jù)。

42 試驗結(jié)果分析

分別對以上控制參數(shù)進(jìn)行多次修改嘗試，并基于CCBC工況進(jìn)行仿真試驗和實(shí)車驗證，得到該105 m混動車輛的燃油消耗值，記錄能耗數(shù)據(jù)并分析匯總，得到整車控制策略中各參數(shù)對該混動車輛能耗的影響因子估算值，如表2所示。

說明：由于試驗數(shù)據(jù)有限，表2中各影響因子數(shù)值是基于現(xiàn)有仿真和試驗數(shù)據(jù)分析所獲得的估算值。

基于以上影響因子數(shù)據(jù)，持續(xù)對整車控制策略各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化和試驗驗證，最終將此105 m混合動力公交客車綜合燃油消耗值降低至13 L/100km（CCBC工況），依據(jù)GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》［5］，節(jié)油率達(dá)62%以上。

5 結(jié)語

本文以某105 m同軸混聯(lián)式ISG混合動力城市公交客車為例，分析了車輛動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制原理，搭建了整車控制模型，結(jié)合車輛不同的工作模式對整車控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，通過仿真和實(shí)車試驗數(shù)據(jù)，得到了各控制參數(shù)對該車輛能耗的影響因子，經(jīng)過控制策略的優(yōu)化和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)油效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鎧嘉插電式混合動力客車能量管理控制策略優(yōu)化方法研究[D]秦皇島：燕山大學(xué)，2021.

[2]李殿凱，張冰戰(zhàn)混聯(lián)式混合動力客車控制策略參數(shù)優(yōu)化研究[J]合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019（6）：741-745

[3]王冉基于發(fā)動機(jī)效率區(qū)間劃分的混合動力客車控制策略優(yōu)化[J]專用汽車，2023（7）：26-28

[4]GB/T 19754—2021 重型混合動力汽車能量消耗量試驗方法[S]

[5]GB 30510—2018 重型商用車輛燃料消耗量限值[S]

作者簡介：

趙姍姍，女，1997年生，助教，研究方向為新能源汽車控制策略。