基于Simulink的E-Power自卸車發(fā)動機控制方法

收稿日期：2023-12-26

作者簡介

孫佳玥（1990—），女，工程師，碩士，主要從事柴油機、新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)工作。

【摘 要】E-Power作為一種新興混動技術(shù)，能夠?qū)l(fā)動機運行與車輛驅(qū)動解耦，實現(xiàn)能量的高效利用。文章介紹一種E-Power自卸車發(fā)動機控制方法，該方案充分考慮發(fā)電機的工作效率和電池充放電功率限值的條件，通過Simulink模型搭建發(fā)動機控制策略。實車CHTC-D循環(huán)試驗結(jié)果表明，按照該控制方法進(jìn)行發(fā)動機驅(qū)動，可以平穩(wěn)控制發(fā)動機起停，起到節(jié)油效果。

【關(guān)鍵詞】E-Power；發(fā)動機；控制策略

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0029-03

Engine Control Strategy of E-Power Dump Truck Based on Simulink Model

SUN Jiayue，ZHAO Hongsha，LIU Hao，YU Jiangtao，LI Yanhong

（Automotive Research Institute，China National Heavy Duty Truck Group Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

【Abstract】As a new technology，E-Power hybrid technology can decouple engine operation from vehicle drive so the energy consumption can be more efficient. This paper introduces an engine control method of E-Power dump truck，which fully considers the working efficiency of generator and the battery charging and discharging power limits. It builds the engine control strategy based on Simulink model. The results of CHTC-D cycle test show that the engine start-stop control logic is effective and the fuel consumption would be lower.

【Key words】E-Power；engine；control strategy

自卸車因其市場需求廣泛，被多數(shù)車企定位為新能源轉(zhuǎn)型的主要車型之一。隨著串聯(lián)混合動力技術(shù)的快速發(fā)展，E-Power因其良好的經(jīng)濟性和適用性，為自卸車提供了新的動力方案。E-Power自卸車最大特點在于動力傳動系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)從機構(gòu)上得以分離，車輛柴油發(fā)動機僅作為發(fā)電專用的動力裝置，系統(tǒng)最大限度地運用了純電動系統(tǒng)的優(yōu)勢，行駛感受無限接近純電動車，續(xù)航里程卻能得以兼顧。本文根據(jù)車輛運行工況、發(fā)電機工作效率和電池充放電功率限值條件，基于Simulink模型搭建一種發(fā)動機的控制策略，使發(fā)動機運行在高效區(qū)，避免整車能量浪費和頻繁起停，提升駕駛體驗。

1 E-Power自卸車架構(gòu)

E-Power混動系統(tǒng)由發(fā)動機、發(fā)電機、電機控制器、電動機和動力電池組成。發(fā)電機在發(fā)動機帶動下轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，電能經(jīng)過電機控制器的調(diào)節(jié)提供給驅(qū)動電機，驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛，整個過程進(jìn)行了機械能與電能的多次轉(zhuǎn)換。E-Power自卸車架構(gòu)如圖1所示[1]。當(dāng)蓄電池電量處于充足狀態(tài)時，增程器不需要工作，蓄電池直接為驅(qū)動電機提供電量，驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器、傳動軸及驅(qū)動橋驅(qū)動車輪；當(dāng)蓄電池電量較低時，增程器由發(fā)電機帶動發(fā)動機起動，為驅(qū)動電機和蓄電池提供能量；當(dāng)車輛能量需求較大時，增程器與蓄電池同時為驅(qū)動電機提供能量。發(fā)動機在蓄電池的協(xié)助作用下可始終工作在一個高效工作區(qū)間，其排放和油耗均能得到有效控制。

2 發(fā)動機控制策略

2.1 模式分配

根據(jù)E-Power混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下幾種工作模式。

1）純電機驅(qū)動模式：發(fā)動機關(guān)閉，由驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛。

2）駐車充電模式：發(fā)動機工作，為電池充電。該模式主要用于車輛靜止且電池SOC較低的工況。

3）混動模式：驅(qū)動功率由發(fā)動機-發(fā)電機組和蓄電池共同提供。該模式主要用于車輛加速和爬坡工況。其中，根據(jù)輪端需求功率和SOC情況，混動模式可分為混動電池放電模式和混動電池充電模式。

4）制動能量回收模式：該模式下發(fā)動機不工作，電動機以發(fā)電形式工作，把來自車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，通過電機控制器給動力電池充電。該模式主要用于車輛制動、下坡、滑行工況。

2.2 發(fā)動機起?？刂?/p>

為避免發(fā)動機頻繁起停造成NVH噪聲和油耗升高，在輪端需求功率較低且SOC電量充足時，采用純電機驅(qū)動模式，不起動發(fā)動機。

當(dāng)輪端需求功率高或SOC電量較低時，控制器接收到起動請求指令，控制發(fā)電機拖動發(fā)動機起動，并維持在高效區(qū)運行，為整車供電。

2.3 發(fā)動機功率跟隨策略

根據(jù)上述模式分配中不同模式下的輪端需求功率、SOC值，劃分模式工作區(qū)。模式工作區(qū)及發(fā)動機工作狀態(tài)按照以下原則劃分。

1）駐車充電模式Sta=1。VCU接收到駐車充電指令后，將發(fā)動機起動請求標(biāo)志位置1。VCU通過報文控制發(fā)電機為轉(zhuǎn)速模式，拖動發(fā)動機起動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在怠速后，認(rèn)為發(fā)動機起動成功，發(fā)動機起動請求標(biāo)志位置0，進(jìn)入駐車充電模式。此時模式標(biāo)志位Sta為1，發(fā)動機按照[n1，trq1]定點運行。

2）行車模式工作區(qū)Sta=2/3/4。車輛行車過程中，根據(jù)計算的輪端需求功率和BMS實際電量分配行車模式工作區(qū)，見表1。

當(dāng)純電驅(qū)動模式Sta=2，發(fā)動機停機請求標(biāo)志位置1，發(fā)動機和發(fā)電機均停機。

當(dāng)混動電池充電模式Sta=3，VCU進(jìn)入混動電池充電模式，將發(fā)動機起動請求標(biāo)志位置1。VCU通過報文控制發(fā)電機為轉(zhuǎn)速模式，拖動發(fā)動機起動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在怠速后，認(rèn)為發(fā)動機起動成功，發(fā)動機起動請求標(biāo)志位置0，進(jìn)入混動電池充電模式。此時模式標(biāo)志位Sta為3，發(fā)動機按[n2，trq2]工作點運行。

當(dāng)混動電池放電模式Sta=4，VCU進(jìn)入混動電池放電模式，將發(fā)動機起動請求標(biāo)志位置1。VCU通過報文控制發(fā)電機為轉(zhuǎn)速模式，拖動發(fā)動機起動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在怠速后，認(rèn)為發(fā)動機起動成功，發(fā)動機起動請求標(biāo)志位置0，進(jìn)入混動電池放電模式。此時模式標(biāo)志位Sta為4，發(fā)動機按[n3，trq3]工作點運行。

上述輪端需求功率W計算方法為：

W=（F滑+F牽）×V（1）

F滑=0.11×V2+15.58×V+1154（2）

F牽=M×a（3）

VRlpeGHIuVFq24yYg6tstKHZQesqsAkvq+GGGR1pM4c= 式中：F滑——滑行阻力；F牽——牽引力；V——車速；M——車重；a——加速度。

3）制動能量回收Sta=5。VCU進(jìn)入制動能量回收模式，發(fā)動機停機請求標(biāo)志位置1，發(fā)動機和發(fā)電機均停機，由驅(qū)動電機進(jìn)行能量回收。

4）發(fā)動機運行點選擇。發(fā)動機功率跟隨控制策略，指發(fā)動機根據(jù)電池SOC和輪端需求功率調(diào)整發(fā)動機工作點，使其輸出功率滿足整車需求功率[2]。當(dāng)電池SOC值大于所設(shè)定閾值的上限，并且輪端需求功率小于所設(shè)定的功率最小值時，發(fā)動機停機；其余工作條件下，發(fā)動機開啟，車輛進(jìn)入增程驅(qū)動模式，發(fā)動機根據(jù)整車功率需求輸出所對應(yīng)的功率。這種控制策略可以優(yōu)化蓄電池的工作區(qū)間，考慮到發(fā)動機頻繁換點會對車輛的NVH等性能產(chǎn)生不良影響，在設(shè)計中充分考慮車輛的舒適性和發(fā)動機、發(fā)電機最佳經(jīng)濟曲線[3]。

根據(jù)車輛模式分配、輪端功率和電池充放電功率限值選取各模式下工況點。電池充電時：

W+WCh=■（4）

式中：W——輪端需求功率；WCh——電池充電功率；nx——發(fā)動機工作點轉(zhuǎn)速；trqx——發(fā)動機工作點扭矩。

電池放電時：

W-WDisCh=■（5）

式中：W——輪端需求功率；WDisCh——電池放電功率；nx—+mpJzcvCGbqXlLgFxUnBAmMATeV0eyLHIJFiKBA4P8M=—發(fā)動機工作點轉(zhuǎn)速；trqx——發(fā)動機工作點扭矩。

其中，nx、trqx（x=1、2、3）為發(fā)動機高效工作區(qū)工作點，是根據(jù)發(fā)動機萬有特性、發(fā)電機工作效率計算得出。根據(jù)上述模式，利用Simulink搭建模型，如圖2所示。

3 試驗結(jié)果

在試驗室重型轉(zhuǎn)轂臺架上，采用中國自卸汽車行駛工況（CHTC-D）測試循環(huán)[4]。該工況分低速和高速兩個速度區(qū)間，工況時長共計1300s。CHTC-D循環(huán)工況曲線如圖3所示。對E-Power架構(gòu)混動自卸車的模式切換和發(fā)動機起動情況進(jìn)行測試，如圖4所示，在低速工況下，發(fā)動機不起動，自卸車按照純電模式運行；高速情況下，發(fā)動機工作在高效區(qū)，為驅(qū)動電機供電。循環(huán)過程中，SOC由初始值55Ah到結(jié)束時的55.5Ah，能夠保持蓄電池電量平穩(wěn)。

4 結(jié)論

1）E-Power架構(gòu)發(fā)動機控制策略，采用發(fā)動機功率跟隨方法，能夠根據(jù)輪端需求功率和電池SOC變化起停發(fā)動機，保持SOC平穩(wěn)，控制靈活，符合自卸車工況需求。

2）發(fā)動機始終運行在高效工作區(qū)，且避免了頻繁起停，大大減小了NVH影響，能夠起到節(jié)油效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 席利賀. 增程式電動汽車能量管理策略優(yōu)化及增程器控制系統(tǒng)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2018.

[2] 馮仁華，孫旺兵，趙智超，等. 增程式混合動力汽車能量管理策略設(shè)計與優(yōu)化研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2022（8）：11-20.

[3] 尹安東，董欣陽，張冰戰(zhàn)，等． 基于Isight的增程式電動汽車控制參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化[J]． 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，38（3）：289-294.

[4] GB/T 38146.2—2019，中國汽車行駛工況第2部分：重型商用車輛[S]. 2019.

（編輯 楊凱麟）