巴 特，高印寒，王慶年，曾小華

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025)

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2015145

并聯(lián)混合動(dòng)力客車行車充電控制規(guī)則的研究*

巴 特，高印寒，王慶年，曾小華

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025)

以一款I(lǐng)SG并聯(lián)混合動(dòng)力客車為對(duì)象，對(duì)比現(xiàn)存的兩種系統(tǒng)效率最優(yōu)控制算法，并提出一種改進(jìn)控制算法。應(yīng)用這3種算法確定行車充電模式切換規(guī)則和轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，并進(jìn)行對(duì)比仿真和硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，所提出的系統(tǒng)效率最優(yōu)行車充電控制規(guī)則進(jìn)一步提高了整車經(jīng)濟(jì)性；該規(guī)則在發(fā)動(dòng)機(jī)低效工況行車充電，以相對(duì)高效的方式適度發(fā)電，既避免了大量能量的二次轉(zhuǎn)化，又通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)替代發(fā)動(dòng)機(jī)低效工作而實(shí)現(xiàn)節(jié)油。采用該控制規(guī)則時(shí)車輛的能量經(jīng)濟(jì)性比采用其他兩種控制規(guī)則時(shí)分別提升了13%和20%，在驗(yàn)證了控制規(guī)則合理性的同時(shí)為系統(tǒng)效率最優(yōu)控制算法的研究和應(yīng)用提供了參考。

混合動(dòng)力客車；等效燃油消耗率；系統(tǒng)效率；控制規(guī)則；轉(zhuǎn)矩分配

前言

油電混合動(dòng)力汽車具有油箱和電池兩個(gè)能量源，而對(duì)于非插電式的混合動(dòng)力系統(tǒng)，電池中的能量來(lái)自于再生制動(dòng)能量回收和發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)主動(dòng)補(bǔ)償。由于行車充電是主動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹饕绞?，制定行車充電的?guī)則、合理分配轉(zhuǎn)矩、使系統(tǒng)高效工作至關(guān)重要。迄今對(duì)行車充電轉(zhuǎn)矩分配已有不少研究，其中文獻(xiàn)[1]中以總體效率最高為目標(biāo)，用等效BSFC的方法對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)間及兩個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)矩分配進(jìn)行了研究，但在分析系統(tǒng)效率之前，并未對(duì)電池充放電效率特性進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[4]中針對(duì)各自構(gòu)型都基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配方法，綜合考慮各個(gè)關(guān)鍵部件的效率，優(yōu)化分配了多工況各動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩，但在計(jì)算總體效率時(shí)充入電池的能量直接被視為輸出能量，沒(méi)有考慮這部分能量再次被利用時(shí)的效率損失；文獻(xiàn)[5]中針對(duì)混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)建立了充、放電工況的效率模型,將電機(jī)和電池等效為發(fā)動(dòng)機(jī)和油箱，進(jìn)而分析系統(tǒng)的綜合效率，但文中充入電池功率被視為輸入功率，換算為等效油箱的儲(chǔ)存功率只考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前熱效率，這種假設(shè)不合理，與實(shí)際能量流不相符。

針對(duì)上述研究的不足，本文中對(duì)ISG并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)各動(dòng)力總成的效率特性進(jìn)行研究，提出基于文獻(xiàn)的系統(tǒng)等效燃油消耗率改進(jìn)算法，以等效燃油消耗率最小為目標(biāo)確定行車充電條件，及該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配；并與文獻(xiàn)所提方法進(jìn)行仿真對(duì)比，從整車經(jīng)濟(jì)性和行車充電節(jié)油效果兩方面驗(yàn)證算法及其所制定規(guī)則的合理性。

1 技術(shù)方案

1.1 整車參數(shù)及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型

混合動(dòng)力客車整車參數(shù)：滿載質(zhì)量ma=18 000kg，迎風(fēng)面積A=7.21m2，空氣阻力系數(shù)CD=0.585,車輪半徑r=0.457m,軸距L=6.1m。

所研究的混合動(dòng)力客車采用單軸并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器與ISG電機(jī)相連，該離合器控制發(fā)動(dòng)機(jī)是否參與驅(qū)動(dòng)，電機(jī)后連接5擋變速器輸入軸，通過(guò)變速器減速增矩可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 并聯(lián)混合動(dòng)力客車關(guān)鍵部件的效率

并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率由部件效率和控制策略決定，控制策略在不同轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩下控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩將影響電池的充放電功率，所以發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和電池的充放電效率都將隨著其工作狀態(tài)的不同而變化。

本文中通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，采用三次多項(xiàng)式插值擬合的方法得到了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并畫(huà)出了萬(wàn)有特性圖(圖2)。

電機(jī)的效率特性由AVL測(cè)功機(jī)在恒轉(zhuǎn)速模式設(shè)定不同輸出轉(zhuǎn)矩測(cè)試，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，得到效率萬(wàn)有特性圖(圖3)。

電池的充放電功率(包括電池端電壓和充放電電流)、SOC、環(huán)境溫度T等因素影響著電池的充放電效率。但根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)分析，電池SOC在0.2～0.8、溫度在20～40℃范圍內(nèi)，電池電壓和內(nèi)阻的變化不明顯，可簡(jiǎn)化為單一內(nèi)阻模型進(jìn)行計(jì)算，因此本文中在計(jì)算電池充放電效率時(shí)只考慮充放電功率對(duì)它的影響。

2 系統(tǒng)效率最優(yōu)控制算法分析

該并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)主要有電動(dòng)行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、行車充電和聯(lián)合驅(qū)動(dòng)4種驅(qū)動(dòng)工作模式；以及機(jī)械制動(dòng)和聯(lián)合制動(dòng)兩種制動(dòng)模式。而本文的研究重點(diǎn)是以行車充電模式為例，對(duì)比已發(fā)表的系統(tǒng)效率計(jì)算方法，并提出一種更為合理的系統(tǒng)效率計(jì)算方法，依據(jù)這種方法制定控制規(guī)則。

行車充電模式的工作條件：當(dāng)SOC低于所設(shè)下限且需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作效率低，這時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，使其在較為高效區(qū)域工作，并控制ISG電機(jī)發(fā)電，將多余能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中。

為了平衡電池SOC，行車充電和再生制動(dòng)的電能將被用于電動(dòng)行駛模式和聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式，從而使系統(tǒng)在不同工況下高效工作。

2.1 行車充電模式下動(dòng)力學(xué)方程

按照汽車?yán)碚?，汽車的行駛方程?/p>

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

(2)

式中：Ft，F(xiàn)f，F(xiàn)i，F(xiàn)w和Fj分別為車輛驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速阻力；Treq為車輛克服阻力需要發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同輸出的轉(zhuǎn)矩，后文簡(jiǎn)稱需求轉(zhuǎn)矩；ig和i0為變速器和主減速器的傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)系的機(jī)械效率；G為作用于車輛上的重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua(km/h)，u(m/s)為車輛行駛速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為整車質(zhì)量；r為車輪半徑。

行車充電模式下，ISG電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)整車需求輸出的能量轉(zhuǎn)化為電能。

Treq=Te-Tm

(3)

ωe=ωm

(4)

式中ωe，ωm，Te和Tm分別為發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的角速度與轉(zhuǎn)矩。

2.2 系統(tǒng)等效燃油消耗率的一般計(jì)算方法

針對(duì)這樣的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，文獻(xiàn)中計(jì)算其系統(tǒng)效率(即系統(tǒng)等效燃油消耗率)的方法分為兩種：

算法一[2-4]：因?yàn)樾熊嚦潆娔Ｊ较孪到y(tǒng)能量都來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)，所以將發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率看作系統(tǒng)的輸入，而經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系傳輸?shù)杰囕営糜隍?qū)動(dòng)車輛的功率作為系統(tǒng)輸出的一部分，另一部分為經(jīng)過(guò)電力系統(tǒng)充入到電池內(nèi)的功率，由此計(jì)算輸入與輸出的比值乘以發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，即為系統(tǒng)等效燃油消耗率，如式(5)所示。

(5)

其中：

Pb=Pmηmηb_ch

(6)

Pw=(Pe-Pm)ηT=TreqωeηT

(7)

式中：b為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率；Pe，Pm，Pb和Pw分別為發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電機(jī)的機(jī)械功率、充入電池內(nèi)的功率和用于驅(qū)動(dòng)車輛的功率；ηm和ηb_ch為電機(jī)瞬時(shí)效率和電池的瞬時(shí)充電效率。

算法二[1]：系統(tǒng)輸入不變，仍是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量，但系統(tǒng)輸出不再是充入電池能量和驅(qū)動(dòng)車輛的能量，而是驅(qū)動(dòng)車輛的能量的和，包括當(dāng)前時(shí)刻由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的能量和之后利用先前行車充電時(shí)充入電池的電能，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的能量，所以系統(tǒng)等效燃油消耗率的計(jì)算式為

(8)

其中Pw_f=Pmηm_aveηb_ch_aveηm_aveηb_disch_aveηT

(9)

式中：Pw_f為電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的功率；ηm_ave，ηb_ch_ave和ηb_disch_ave為電機(jī)平均效率、電池平均充電和放電效率。

2.3 系統(tǒng)等效燃油消耗率計(jì)算方法的改進(jìn)

與算法一相比，算法二在于計(jì)算系統(tǒng)等效燃油消耗率時(shí)充入電池內(nèi)的能量不再被看作系統(tǒng)輸出的一部分，而是系統(tǒng)內(nèi)能量流動(dòng)的中間過(guò)程。因?yàn)椴捎眯熊嚦潆姷囊饬x在于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)這一時(shí)刻多消耗一定的燃油，通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生電能存入電池，并在下一時(shí)刻利用那部分電能通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，以節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的燃油消耗，所以計(jì)算系統(tǒng)等效燃油消耗時(shí)應(yīng)采用式(8)的方法。但式(9)中的電機(jī)效率和電池充放電效率都是平均值，這會(huì)影響計(jì)算模型的精度，進(jìn)而影響模式切換規(guī)則和轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則，所以如式(10)所示，在計(jì)算充入電池的功率時(shí)查取電機(jī)瞬時(shí)效率，計(jì)算電池的充電瞬時(shí)效率，而下一時(shí)刻電池內(nèi)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)電池放電功率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)法確定，故電池放電效率和電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率采用平均值計(jì)算。

(10)

將上面闡述的改進(jìn)計(jì)算方法簡(jiǎn)稱為算法三，系統(tǒng)等效燃油消耗率的計(jì)算更為合理和精確。

3 系統(tǒng)效率最優(yōu)控制規(guī)則對(duì)比

根據(jù)上述3種算法確定的轉(zhuǎn)矩分配須通過(guò)優(yōu)化程序計(jì)算。

f=minbsys

(11)

(12)

根據(jù)式(11)和式(12)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和邊界條件，可計(jì)算出3種算法的行車充電模式切換規(guī)則和該模式的轉(zhuǎn)矩分配規(guī)則。

3.1 行車充電模式切換規(guī)則對(duì)比

行車充電模式的判定流程圖如圖4所示。結(jié)合系統(tǒng)等效燃油消耗率的計(jì)算公式和圖4可以判定在某一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩下，發(fā)動(dòng)機(jī)采用哪種工作模式系統(tǒng)效率更高，如果行車充電系統(tǒng)更加高效，則所對(duì)應(yīng)的方格標(biāo)記為白色，否則為深灰色。圖5～圖7分別為3種算法確定的行車充電模式切換規(guī)則，圖中白色區(qū)域上邊界表示行車充電或發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)判定條件。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)圖6模式切換規(guī)則曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率等高線最為相近，這是由于式(11)中電機(jī)和電池的效率都為定值，這就使得算法二計(jì)算的系統(tǒng)等效燃油消耗率受發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率b的影響。而且與圖5和圖7的規(guī)整邊界相比，圖6的邊界較為散亂，這也是因?yàn)椴捎昧似骄?，沒(méi)有考慮到目標(biāo)條件下發(fā)電功率很小，電機(jī)或電池?zé)o法達(dá)到假設(shè)的平均效率，所以做出了不合理的判斷。圖5采用算法一計(jì)算系統(tǒng)的等效燃油消耗率沒(méi)有考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率和電池放電效率，判定系統(tǒng)在需求轉(zhuǎn)矩為300N·m時(shí)采用行車充電仍然高效，所以行車充電情況相比圖6和圖7更多。對(duì)于切換規(guī)則曲線的形狀，其在1 200～1 600r/min與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率等高線較為相似，而低速和高速區(qū)域由于對(duì)應(yīng)電機(jī)低效區(qū)，曲線呈下降趨勢(shì)。圖7中由于考慮電路徑功率損失更多，判定需求轉(zhuǎn)矩小于150N·m時(shí)行車充電更為高效。

3.2 行車充電模式轉(zhuǎn)矩控制規(guī)則對(duì)比

混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制規(guī)則除了模式切換規(guī)則外，還包括轉(zhuǎn)矩控制規(guī)則。對(duì)于行車充電模式下3種算法的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)則也有所不同，如圖8～圖10所示。

圖8～圖10為在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩下基于3種算法確定的發(fā)動(dòng)機(jī)控制曲線，而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制可以由需求轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，所以不再逐一分析闡述。圖8與圖10較為相似，發(fā)動(dòng)機(jī)控制曲線接近水平，由于算法一確定的模式切換門(mén)限更高，所以其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制相對(duì)較高，控制在350N·m水平線上，而算法三則將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在200N·m水平線上。圖9中發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩曲線可以擬合為兩條曲線，其中需求轉(zhuǎn)矩小于50N·m工作在曲線1，需求轉(zhuǎn)矩大于50N·m小于模式切換閾值時(shí)工作在曲線2，這是由于計(jì)算時(shí)電機(jī)和電池的功率假設(shè)為固定的平均效率，所以系統(tǒng)等效燃油消耗率最小曲線近似于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率最小曲線，即為曲線1。但實(shí)際控制中充電效率會(huì)隨充電功率增大而減小，進(jìn)而影響系統(tǒng)效率；而且發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩過(guò)大，但其自身存在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢的特性，這也將影響控制效果。為了對(duì)比3種算法的控制效果還需要進(jìn)一步的仿真驗(yàn)證。

4 仿真對(duì)比分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

在CRUISE和Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)搭建整車模型與控制模型，依據(jù)3種系統(tǒng)效率最優(yōu)算法計(jì)算的控制規(guī)則，對(duì)控制模型中的行車充電模式切換條件及該模式下轉(zhuǎn)矩控制分別進(jìn)行修改，并進(jìn)行仿真測(cè)試。

4.1 整車經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

在中國(guó)城市綜合工況下應(yīng)用3種算法的整車經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表1所示。

表1 整車經(jīng)濟(jì)性仿真對(duì)比

由表1可見(jiàn)：3次仿真結(jié)束后電池SOC值變化很小，所以折算電耗的誤差對(duì)綜合油耗造成的影響可以忽略不計(jì)，而本文中提出的系統(tǒng)效率最優(yōu)改進(jìn)算法(算法三)綜合油耗最低，但相對(duì)另兩種方法降低幅度不大，分別約為1.6%和1.4%。所以行車充電模式的優(yōu)化在整個(gè)循環(huán)工況下對(duì)比并不明顯，需要對(duì)各個(gè)模式的油耗電耗細(xì)化分析，對(duì)比各個(gè)算法中行車充電模式的節(jié)油貢獻(xiàn)。

4.2 循環(huán)工況總成能耗與節(jié)油分析

為了進(jìn)一步分析中國(guó)城市綜合工況下行車充電的節(jié)約貢獻(xiàn)，提取了工作模式、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和電機(jī)功率等信號(hào)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，如表2所示。

表中電機(jī)電耗的正負(fù)值代表電機(jī)驅(qū)動(dòng)消耗或是發(fā)電回收的電能，Edsoc的正負(fù)值是電池內(nèi)部相對(duì)于初始狀態(tài)減少或增多的電能；而電耗變化ΔE是3種算法相對(duì)于原策略總成能耗的變化，如果電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)ΔE為正說(shuō)明電機(jī)消耗電能增加，電機(jī)用于發(fā)電ΔE為正說(shuō)明電機(jī)發(fā)電所得能量減少，電池能量損失ΔE為正說(shuō)明損失能量增加，而電池電耗ΔE為正說(shuō)明相對(duì)于原策略中電池的末狀態(tài)電能減少，反之亦然。

表2 動(dòng)力總成在各模式下能耗統(tǒng)計(jì)

由表2可見(jiàn)：3種算法的再生制動(dòng)回收能量基本相同，滿足了整個(gè)循環(huán)工況中60%～85%的電能需求，為混合動(dòng)力汽車主要節(jié)能途徑，所以要排除再生制動(dòng)能量對(duì)節(jié)能分析的影響，須通過(guò)對(duì)比電能和油耗變化量研究行車充電優(yōu)化控制的節(jié)能效果。而行車充電模式節(jié)油的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速或者低負(fù)荷區(qū)提高負(fù)荷率驅(qū)動(dòng)并發(fā)電，增加較少的油耗ΔQedg發(fā)電ΔEmdg儲(chǔ)能，并在發(fā)動(dòng)機(jī)其他低效工況電動(dòng)行駛，增加電能消耗ΔEmev節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)過(guò)程所需能耗，包括起動(dòng)過(guò)程所需油耗ΔQest，離合器接合后由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足觸發(fā)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī)油耗ΔQehy和電機(jī)能耗ΔEmhy，以及發(fā)動(dòng)機(jī)正常驅(qū)動(dòng)油耗ΔQeengd，所以各總成的電耗和油耗存在如下關(guān)系：

ΔEmdg+(-ΔEdsoc+ΔEmbrak)=

-(ΔEmev+ΔEbloss+ΔEmhy)

(13)

Qesav=ΔQedg+ΔQeengd+ΔQehy+ΔQest

(14)

式(13)中，等號(hào)右邊的3項(xiàng)代表由系統(tǒng)電動(dòng)工作時(shí)間增加而引起的能耗變化，3項(xiàng)的能量總和使各個(gè)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)油耗總和減少，即如果假設(shè)節(jié)油總量Qesav為收益，則ΔEmev+ΔEbloss+ΔEmhy就是獲得這個(gè)收益的成本，而成本又由行車充電電耗變化ΔEmdg、聯(lián)合制動(dòng)電耗變化ΔEmbrak和電池電耗變化ΔEdsoc組成。

作為成本之一，由行車充電ΔEmdg而節(jié)約的油耗Qesavdg是判斷哪種算法在行車充電中更加節(jié)油的依據(jù)，可通過(guò)計(jì)算ΔEmdg占電能供給增加總量的比例pmdg確定，如式(15)～式(18)所示。

pmdg=-ΔEmdg/(ΔEmev+ΔEbloss+ΔEmhy)

(15)

Qesavdg=Qesav·pmdg

(16)

ηsavdg=Qesavdg/ΔQedg

(17)

kf2edg=(-ΔEmdg)/ΔQedg

(18)

表3為3種算法的行車充電節(jié)油情況的對(duì)比分析。由表可見(jiàn)：算法三的行車充電節(jié)油貢獻(xiàn)最多，相對(duì)于算法一和算法二分別提升13.25%和20.42%；而從油電轉(zhuǎn)換比例kf2edg看，算法一和算法二發(fā)電過(guò)程更加高效，但是從其各自的控制規(guī)則可以看出，算法一行車充電的工況過(guò)多，儲(chǔ)存大量電能用于電動(dòng)行駛，必然存在一部分電能替代了發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)高效的工況，導(dǎo)致費(fèi)油，綜合電池充放電的能量損失，使綜合節(jié)油Qesav最少，行車充電節(jié)油Qesavdg不如算法三；算法二控制規(guī)則是將發(fā)動(dòng)機(jī)效率最低的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到近似于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線上，所以kf2edg最高；由于算法二的控制規(guī)則設(shè)定行車充電工況很少，所以可以利用少量電能電動(dòng)行駛節(jié)省較多的發(fā)動(dòng)機(jī)低效工作油耗，使這種算法的節(jié)油效率ηsavdg最高，但這也使行車充電能量供給所占比例pmdg只有54%，導(dǎo)致行車充電節(jié)油Qesavdg最少。

表3 3種算法行車發(fā)電節(jié)油情況對(duì)比

研究結(jié)果顯示，基于系統(tǒng)效率最優(yōu)改進(jìn)算法的控制規(guī)則，整車經(jīng)濟(jì)性有所提高，而且相對(duì)于其他兩種算法的行車充電節(jié)油貢獻(xiàn)有13%～20%的提升，具有更好的節(jié)能效果。

4.3 硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)效率最優(yōu)改進(jìn)算法的合理性和實(shí)時(shí)性，本文中采用硬件在環(huán)(HIL)試驗(yàn)方法將CRUISE仿真模型和整車控制策略模型分別下載至Dspace/Simulator處理器和TTC200控制器中模擬車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和整車控制器及其通信網(wǎng)絡(luò)，硬件在環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成如圖11所示。

應(yīng)用HIL系統(tǒng)在中國(guó)城市綜合工況下對(duì)車輛模型和控制算法進(jìn)行了測(cè)試，采集工況中發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)等部分工作曲線如圖12所示。

由圖可見(jiàn)：在HIL試驗(yàn)中車速跟隨情況較好，動(dòng)力總成轉(zhuǎn)速變化適當(dāng)，說(shuō)明換擋規(guī)律合理；由于換擋和離合器接合過(guò)程的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制沒(méi)有完善，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在這些時(shí)刻有較大的變化；總體來(lái)看本文中采用的算法在實(shí)時(shí)試驗(yàn)中以多種模式實(shí)現(xiàn)了車輛驅(qū)動(dòng)制動(dòng)需求，滿足了算法設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)論

為了保證目標(biāo)構(gòu)型ISG并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)在行車充電過(guò)程中高效工作節(jié)約油耗，本文中對(duì)普遍應(yīng)用的系統(tǒng)效率最優(yōu)控制算法研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合兩種系統(tǒng)效率最優(yōu)控制算法的特點(diǎn)，提出系統(tǒng)效率最優(yōu)改進(jìn)算法。應(yīng)用3種算法分別計(jì)算確定各自行車充電模式的切換規(guī)則和轉(zhuǎn)矩控制規(guī)則，并對(duì)比分析了不同算法的控制差異，并在CRUISE和Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)建模仿真。仿真結(jié)果表明，本文中提出的系統(tǒng)效率最優(yōu)改進(jìn)算法在行車充電模式應(yīng)用后進(jìn)一步提高了整車經(jīng)濟(jì)性，對(duì)比其他兩種算法，改進(jìn)算法的行車充電節(jié)油貢獻(xiàn)分別增加13%和20%，體現(xiàn)了算法的優(yōu)化效果，而混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)HIL試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的合理性和實(shí)時(shí)性。確定并聯(lián)ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制規(guī)則為發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩小于150N·m時(shí)進(jìn)入行車充電模式，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在200N·m時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并發(fā)電。

[1] 楊亞娟,趙韓.基于效率最優(yōu)的混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2013,24(17):2408-2413.

[2] 秦大同,胡明輝.CVT輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作模式下的系統(tǒng)效率優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(11):171-177.

[3] 任勇,鄭永霞.基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的CVT混合動(dòng)力轎車轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配方法[J].汽車使用技術(shù),2012(7):1-6.

[4] 連靜,韓虎.基于傳動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)的混合動(dòng)力汽車控制策略研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,53(5):666-670.

[5] 舒紅,劉文杰,袁景敏,等.混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車能量管理策略優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(3):31-36.

[6] 孫四軍.基于混合動(dòng)力系統(tǒng)效率的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的控制[J].汽車工程,2012,34(3):207-210.

[7] 彭志遠(yuǎn),秦大同,等.基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的新型混合動(dòng)力汽車控制策略[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012(4).

[8] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:2-38.

[9] 王慶年,王文.基于瞬時(shí)效率的功率分流式混合動(dòng)力汽車最佳分離因子的確定[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(5):1160-1164.

[10] 王慶年,李峰.基于發(fā)動(dòng)機(jī)高頻使用區(qū)的混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2014,44(1):1-4.

A Study on the Control Rule for Driving Charging in a Parallel Hybrid Electric Bus

Ba Te, Gao Yinhan, Wang Qingnian & Zeng Xiaohua

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025

With a parallel ISG hybrid electric bus as object, two existing optimal control algorithms for system efficiency are compared, and a revised algorithm is proposed. Based on these three algorithms the corresponding driving charging mode switching rules and torque distribution rules are determined respectively with comparative simulation and hardware-in-the-loop verification test conducted. The results indicate that the proposed driving charging control rule for optimal system efficiency further enhances vehicle energy economy. With the rule, when engine works in low-efficiency condition, driving charging performs with reasonable electricity generation in a relatively high efficient way. As a result, the secondary conversion of a large amount of energy is avoided, while the energy saving is achieved through replacing the low-efficient work of engine by motor drive. The energy economy of vehicle with the proposed control rule is 13% and 20% higher than that with two other control rules, verifying the rationality of the proposed control rule and providing references for the research and application of optimal control algorithm for system efficiency.

hybrid electric bus; equivalent specific fuel consumption; system efficiency; control rules; torque distribution

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA11A210)資助。

原稿收到日期為2014年10月27日，修改稿收到日期為2015年2月6日。