秦東晨,潘守辰，徐一村，王迎佳

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

混聯(lián)混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)建模與轉(zhuǎn)矩分配控制策略研究

秦東晨,潘守辰，徐一村，王迎佳

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：以某型號(hào)混聯(lián)式混合動(dòng)力公交客車為研究對(duì)象，在分析其動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Cruise軟件建立了動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，并結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以燃油經(jīng)濟(jì)性和超級(jí)電容電量平衡特性為控制目標(biāo)的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，在選定的工況下進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明，與實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)相比，設(shè)計(jì)的控制策略在保證整車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，燃油消耗降低了6.2%，并較好地維持了超級(jí)電容的電量平衡，驗(yàn)證了整車仿真模型與轉(zhuǎn)矩分配控制策略的正確性和有效性.

關(guān)鍵詞：混聯(lián)式混合動(dòng)力客車；Cruise；轉(zhuǎn)矩分配；控制策略；仿真

0引言

在能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的巨大壓力下，混聯(lián)式混合動(dòng)力客車(Series-Parallel Hybrid Electric Bus，SPHEB)以良好的節(jié)油減排效果已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題的主流新能源車型，也是目前研究的重點(diǎn)之一[1-2].混聯(lián)式混合動(dòng)力客車結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)行駛工況的復(fù)雜多變性，靈活控制能量分配，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性和排放性[3].整車控制策略作為SPHEB能量分配的核心技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵.基于規(guī)則的整車控制策略簡(jiǎn)單直觀，容易實(shí)現(xiàn)，具有較好的實(shí)用性且應(yīng)用比較廣泛.龔賢武等[4]以滿足車輛的功率需求和提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的原則，設(shè)計(jì)了邏輯門限值控制策略，并進(jìn)行了仿真分析來(lái)研究其控制效果；姚明亮等[5]以經(jīng)濟(jì)性和排放性為控制目標(biāo)，提出了一種基于模糊邏輯規(guī)則的控制策略.

筆者針對(duì)某型號(hào)城市混合動(dòng)力公交客車，在分析其動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Cruise軟件建立了動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合車輛的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以整車燃油經(jīng)濟(jì)性和超級(jí)電容電量平衡特性為控制目標(biāo)的基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，并建立Simulink模型，通過(guò)聯(lián)合仿真與實(shí)車數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)設(shè)計(jì)建立的仿真模型及控制策略的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.

1混聯(lián)式混合動(dòng)力客車的建模

1.1混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

筆者所研究的混聯(lián)式混合動(dòng)力客車的原型為一款12 m級(jí)，后輪驅(qū)動(dòng)城市公交客車，其動(dòng)力系統(tǒng)主要由6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、啟動(dòng)發(fā)電一體電機(jī)(Integrated/Starter Generator，ISG)、主減速器、自動(dòng)離合器、超級(jí)電容及整車控制器等主要部件組成，如圖1所示.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與ISG的主軸直接相連，兩者采用同軸式布置方式.通過(guò)自動(dòng)離合器的分離與結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)車輛在串聯(lián)與并聯(lián)模式之間的切換.

1.2動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的建立

Cruise軟件模塊化的建模方式可以方便快捷地完成不同結(jié)構(gòu)車輛模型的搭建.Cruise軟件具有跟Matlab/Simulink聯(lián)合仿真的接口，可以將使用者設(shè)計(jì)的邏輯程序集成到Cruise中[6-7].

筆者在Cruise軟件中建立整車動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型.主要用到發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、電機(jī)、離合器、主減速器、超級(jí)電容、車輪、制動(dòng)系、駕駛室及Matlab控制等模塊.各個(gè)模塊選定之后，根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)和部件間的連接關(guān)系建立模擬的機(jī)械/電氣連接，控制信息傳遞則通過(guò)信號(hào)連接進(jìn)行.

2SPHEB轉(zhuǎn)矩分配控制策略

以整車燃油經(jīng)濟(jì)性和超級(jí)電容的電量平衡特性為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略.首先對(duì)車輛的工作模式進(jìn)行判定，然后分別設(shè)計(jì)制定相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配和再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則.混合動(dòng)力客車工作模式的判定流程如圖2所示.

根據(jù)城市公交客車的運(yùn)行特點(diǎn)，該混合動(dòng)力公交客車主要具有純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并發(fā)電模式、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式和再生制動(dòng)模式等5種工作模式.分別取超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOC的上限SOC_high=0.9，SOC的下限SOC_low=0.4.

2.1轉(zhuǎn)矩分配控制策略模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的轉(zhuǎn)矩分配控制策略模型如圖3所示.

信號(hào)處理模塊根據(jù)車速、SOC、主電機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板開(kāi)度等信號(hào)進(jìn)行一系列查表和數(shù)值計(jì)算，從而得到后續(xù)模塊中用到的參數(shù)數(shù)值以及發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)/關(guān)信號(hào)和離合器狀態(tài)控制信號(hào).工作模式選擇模塊則根據(jù)車速、油門踏板開(kāi)度和制動(dòng)踏板開(kāi)度信號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前車輛工作在驅(qū)動(dòng)模式還是再生制動(dòng)模式，然后通過(guò)輸出選擇模塊將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配模塊或再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配模塊所判定控制輸出的信號(hào)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、ISG等動(dòng)力輸出部件，得到各動(dòng)力部件的輸出轉(zhuǎn)矩.

2.2驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分配采用電力輔助的控制方法，將主驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為一個(gè)靈活的動(dòng)力部件來(lái)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，使超級(jí)電容SOC保持在良好的范圍，并獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性.

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配如圖4所示.根據(jù)整車需求轉(zhuǎn)矩的大小分成5種情況，即有5種轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則.

(1)若Treq

(2)若Treq

(3)若Te_min≤Treq

(4)若Te_min≤Treq

(5)若Treq≥Te_max，則工作在發(fā)動(dòng)機(jī)和主電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)控制Te=Te_max，Tm=Treq-Te_max(電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩)，Tisg=0.其中:Treq為整車需求轉(zhuǎn)矩;Te_min為發(fā)動(dòng)機(jī)最小輸出轉(zhuǎn)矩;Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;Tm為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;Tisg為ISG的輸出轉(zhuǎn)矩，單位均為N·m.

2.3再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則

混合動(dòng)力客車的再生制動(dòng)能夠提高能量的利用率，是節(jié)能的重要途徑之一[8].

超級(jí)電容的SOC是再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則的主要控制參數(shù)，若SOC≥SOC_high，說(shuō)明電量充足，無(wú)需進(jìn)行再生制動(dòng)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，否則可能會(huì)造成電量過(guò)充而影響電容的壽命；若SOC

3仿真及結(jié)果分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)定

筆者所研究的混聯(lián)式混合動(dòng)力公交客車整車主要參數(shù)如表1所示.

根據(jù)GB/T 19754規(guī)定的試驗(yàn)方法[9]，選定中國(guó)典型城市公交客車循環(huán)工況，進(jìn)行仿真.

3.2仿真結(jié)果分析

圖6所示為仿真所得到的結(jié)果.從車速對(duì)比曲線可以看出，仿真車速能夠較好的跟隨實(shí)際的行駛工況曲線，滿足對(duì)車速的要求.從超級(jí)電容的SOC變化曲線可看出， SOC的初始值為90%，結(jié)束值為83.6%，說(shuō)明電量平衡性良好.根據(jù)工況變化，超級(jí)電容能夠在不同工作模式下進(jìn)行合理的充放電.結(jié)合各動(dòng)力部件的輸出轉(zhuǎn)矩變化可以看出，在車輛剛起步或者低速時(shí)，整車需求轉(zhuǎn)矩不大，由主驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，SOC下降；隨著車速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，在加速時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)來(lái)提供整車需求轉(zhuǎn)矩；當(dāng)SOC較低時(shí)，ISG輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩發(fā)電，為超級(jí)電容充電；在車輛制動(dòng)時(shí)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩回收制動(dòng)能量，SOC上升.這與所建立的整車控制策略思想吻合，并符合所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，表明了所建整車聯(lián)合仿真模型的正確性和有效性.

仿真所得整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)果與使用普通控制策略的實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示.可以看出，仿真得到的最高車速結(jié)果與實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合，0～50 km/h加速時(shí)間仿真結(jié)果要小于實(shí)車數(shù)據(jù)，仿真的燃油消耗比實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)下降了6.2%，說(shuō)明采用所建的轉(zhuǎn)矩分配控制策略進(jìn)行仿真，車輛在保證良好動(dòng)力性的前提下，燃油消耗量得到了降低，表明所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略具有良好的控制效果，能夠提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性.

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩分配控制策略在維持超級(jí)電容電量平衡上的控制效果，與未采用再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配的普通控制策略進(jìn)行了仿真對(duì)比.在普通控制策略中沒(méi)有對(duì)再生制動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，只是在再生制動(dòng)時(shí)控制主電機(jī)輸出定量的轉(zhuǎn)矩，不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助充電作用.超級(jí)電容SOC變化仿真對(duì)比結(jié)果如圖7所示.

從圖7可以看出，與普通控制策略相比，采用筆者所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略仿真得到的超級(jí)電容的電量變化更加平緩，幅度更小，說(shuō)明充放電更加平穩(wěn).在相同的電量初始值條件下，仿真結(jié)束時(shí)，采用所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略電量值為83.6%，比普通控制策略高3.2%，表明超級(jí)電容具有更好的電量平衡特性，證明了所建轉(zhuǎn)矩分配控制策略的有效性.

4結(jié)論

針對(duì)某型號(hào)混聯(lián)式混合動(dòng)力公交客車，在對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上搭建了基于Cruise軟件和Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真模型，并結(jié)合客車實(shí)際運(yùn)行情況，以燃油經(jīng)濟(jì)性和超級(jí)電容的電量平衡特性為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略.

在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下，車輛仿真車速能夠很好的滿足工況對(duì)速度的要求，整車動(dòng)力性能仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)吻合.整車燃油消耗量降低了6.2%，超級(jí)電容的SOC變化更加平穩(wěn)，具有較好的電量平衡特性，說(shuō)明所建轉(zhuǎn)矩分配策略不僅能有效的提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性，而且可較好地維持超級(jí)電容的電量特性，有良好的控制效果，驗(yàn)證了整車動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型與轉(zhuǎn)矩分配控制策略的正確性和有效性.

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Study on Modeling of Power Train for Series-Parallel Hybrid Electric Bus and Torque Distribution Control Strategy

QIN Dong-chen, PAN Shou-chen, XU Yi-cun, WANG Ying-jia

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:Using a series-parallel hybrid electric bus as the study object and based on the analysis of the power train, the simulation model of power train is established in Cruise. Combined with the characteristics of vehicle operation, a torque distribution control strategy with fuel economy and super capacitor charge balance feature as major control objects is proposed. Then the simulation is completed under the selected cycle condition. The results show that on the basis of guarantee the vehicle dynamic performance, the torque distribution control strategy can reduce the fuel consumption by 6.2% compared with the real vehicle test data. And the charge balance of super capacitor is well maintained. All of these verify the validity and feasibility of the simulation model and torque distribution control strategy．

Key words:series-parallel hybrid electric bus; Cruise; torque distribution; control strategy; simulation

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.001

文章編號(hào):1671-6833(2015)02-0001-05

作者簡(jiǎn)介:秦東晨(1965-)，男，河南焦作人，鄭州大學(xué)教授,博士,主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，E-mail：dcqin@zzu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家重大科技成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(財(cái)建2012[258]號(hào));河南省科技廳攻關(guān)項(xiàng)目(142102210103)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13B460367)