萬輔君，王偉，史廣奎，王仁廣

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300)

搭載CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)的城市客車仿真分析

萬輔君，王偉，史廣奎，王仁廣

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300)

在解析CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹裝配CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)的某客車整車控制策略模型開發(fā)和整車仿真模型搭建以及仿真結(jié)果分析。通過仿真分析，可以清楚了解所開發(fā)的整車搭載深度混合動(dòng)力總成的具體性能狀況。

混合動(dòng)力總成；控制策略；仿真分析

0 引言

CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)為典型的深度混聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用1個(gè)發(fā)電機(jī)、1個(gè)電動(dòng)機(jī)和2套普通行星齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成，以行星齒輪機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力耦合和分配裝置，為車輛提供純電動(dòng)和混聯(lián)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)油高效，已為國(guó)內(nèi)多家城市客車配套并在公交線上實(shí)際運(yùn)行。

1 CHS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 基本組成

CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)是中國(guó)汽車技術(shù)研究中心開發(fā)的一款深度混合動(dòng)力總成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電耦合、自動(dòng)變速、自動(dòng)離合3大功能，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)變速器的功能，集成度高，便于在汽車上布置和安裝；總成裝置使用2個(gè)普通行星排，1個(gè)完成動(dòng)力分配和耦合，1個(gè)完成電動(dòng)機(jī)的減速增扭，使得發(fā)動(dòng)機(jī)同驅(qū)動(dòng)輪在機(jī)械上完全解耦，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)。CHS混合動(dòng)力總成主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、緩沖組合機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、主電機(jī)、前行星排、后行星排、第一軸和第二軸，其中緩沖組合機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵、鎖銷、一體化齒圈壓盤和減振摩擦盤構(gòu)成，大客車用混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪通過緩沖組合機(jī)構(gòu)連接第一軸，第一軸與前行星排的行星架相連；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與前行星排的太陽輪相連，主電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與后行星排的太陽輪相連；后行星排的外齒圈固定，主電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的動(dòng)力經(jīng)后行星排的太陽輪，由后行星排的行星架輸出到與其相連的第二軸[1]。

1.2 工作模式

CHS混合動(dòng)力裝置具有多種不同工作模式，可以適用車輛的不同工況需求。(1)純電動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)，來自電池的能量通過主電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，車輛前進(jìn)和倒車由主電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制；(2)混合動(dòng)力模式。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力由前行星排分成兩路，一路經(jīng)其齒圈、第二軸直接驅(qū)動(dòng)車輛，另一路由發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)電機(jī)控制器變頻后，再由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛；(3)能量回饋模式。制動(dòng)減速時(shí)，車輪帶動(dòng)第二軸運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)后行星排驅(qū)動(dòng)主電機(jī)發(fā)電，對(duì)動(dòng)力電池充電；(4)停車充電模式。停車時(shí)前行星排的齒圈靜止，發(fā)動(dòng)機(jī)通過前行星排帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，對(duì)電池動(dòng)力充電；(5)電網(wǎng)充電模式。非運(yùn)營(yíng)時(shí)，可以通過充電樁對(duì)動(dòng)力電池充電[2]。

2 控制策略模型

CHS混合動(dòng)力客車整車控制策略主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、主電機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、行星齒輪等部件的協(xié)調(diào)控制。所建模型主要包括3個(gè)部分：輸入部分、多動(dòng)力源動(dòng)力分配控制模塊、輸出部分。

2.1 輸入部分

輸入部分是混合動(dòng)力客車整車狀態(tài)參數(shù)與控制參數(shù)的輸入接口，包括加速踏板信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)際車速、制動(dòng)踏板信號(hào)、電池荷電狀態(tài)、主電機(jī)轉(zhuǎn)速、主電機(jī)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、電池電壓、電池電流、主電機(jī)工作電壓、主電機(jī)工作電流、發(fā)電機(jī)工作電壓、發(fā)電機(jī)工作電流、發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)實(shí)際扭矩、電池的實(shí)際溫度、主電機(jī)實(shí)際溫度、發(fā)電機(jī)實(shí)際溫度、CRUISE實(shí)時(shí)控制。將這21個(gè)參數(shù)輸入到控制模塊，為整車控制提供狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)。這些參數(shù)主要來自于整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、主電機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池等。上述定義的輸入變量均是實(shí)車實(shí)時(shí)控制需要的輸入量，這些控制輸入量基本覆蓋了整車多能源控制所需的狀態(tài)量，這種定義統(tǒng)一了不同混合動(dòng)力汽車整車控制策略的輸入端，為混合動(dòng)力汽車開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)化端口，規(guī)范了整車控制策略開發(fā)平臺(tái)。

2.2 多能源動(dòng)力分配模塊

多能源動(dòng)力分配模塊是混合動(dòng)力整車控制策略的核心部分，通過多能源動(dòng)力總成控制模塊算法，合理協(xié)調(diào)分配3動(dòng)力源的動(dòng)力以適應(yīng)車輛外界工況的變化，滿足整車動(dòng)力性要求，達(dá)到節(jié)能減排的目的是混合動(dòng)力汽車整車控制的最終目標(biāo)。

多能源動(dòng)力總成的動(dòng)力分配控制從轉(zhuǎn)矩分配、發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂啤⒃偕苿?dòng)、混合動(dòng)力控制、純電動(dòng)、故障診斷控制等6個(gè)內(nèi)容展開。

轉(zhuǎn)矩分配。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、主電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和踏板信號(hào)，經(jīng)查表可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、主電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及其最大充電轉(zhuǎn)矩、車輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

再生制動(dòng)。當(dāng)駕駛員踏下制動(dòng)踏板時(shí)，整車進(jìn)入制動(dòng)工況，根據(jù)制動(dòng)情況，CHS總成中的主電機(jī)適時(shí)參與制動(dòng)回收能量和滑行制動(dòng)。根據(jù)制動(dòng)踏板強(qiáng)度的不同，電機(jī)制動(dòng)強(qiáng)度也不同?；兄苿?dòng)模式：當(dāng)駕駛員油門踏板為零，制動(dòng)踏板也為零，并且車速在20 km/h以上的時(shí)候，車輛進(jìn)行滑行制動(dòng)模式，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化查表而變化。再生制動(dòng)模式:當(dāng)駕駛員踏下制動(dòng)踏板時(shí)，當(dāng)開度大于5%的時(shí)候，電機(jī)的再生制動(dòng)隨著制動(dòng)踏板和電機(jī)轉(zhuǎn)速查表確定。

混合動(dòng)力控制。根據(jù)駕駛員的需求，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作啟停條件，一旦滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的工作需求，發(fā)動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)入混合動(dòng)力工作模式。根據(jù)車輛速度、電池組SOC、油門踏板和剎車踏板、電機(jī)或發(fā)電機(jī)溫度等參數(shù)綜合判斷，確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要啟動(dòng)或停止。當(dāng)車輛低于一定速度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，當(dāng)車輛高于一定速度后發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)參與工作，這是最常用的啟動(dòng)判斷條件。當(dāng)SOC低于一定值后，發(fā)動(dòng)機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)，直到電池組SOC達(dá)到設(shè)定的安全值后才允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，這是為了避免電池組出現(xiàn)過放，造成永久傷害。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂?。當(dāng)油門信號(hào)大于一定值或者對(duì)應(yīng)的功率需求大于當(dāng)前電池組最大允許放電功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)立即啟動(dòng)參與功率輸出，當(dāng)剎車踏板踩下并持續(xù)數(shù)秒后允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)溫度過高的時(shí)候，停止發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

純電動(dòng)控制。當(dāng)整車擋位處于前進(jìn)擋,同時(shí)不滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件時(shí)，系統(tǒng)采用純電動(dòng)輸出。

故障診斷。通過故障診斷模塊，判斷各總成狀態(tài)是否良好，只有在總成無故障時(shí)才允許其參與工作。

2.3 輸出部分

輸出部分輸出的控制參數(shù)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、主電機(jī)、發(fā)電機(jī)的開關(guān)及負(fù)荷信號(hào)，整車工作模式及離合器狀態(tài)信號(hào)，變速器要求擋位和換擋標(biāo)識(shí)等信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷信號(hào)、電機(jī)的負(fù)荷信號(hào)、整車的工作模式、主電機(jī)的開關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)、發(fā)電機(jī)的開關(guān)、發(fā)電機(jī)的負(fù)荷信號(hào)、要求擋位等參數(shù)定義的輸出變量主要用來對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行控制，即對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)(主、發(fā)電機(jī))的開關(guān)和負(fù)荷信號(hào)進(jìn)行控制。這種定義也統(tǒng)一了不同混合動(dòng)力汽車整車控制策略的輸出端，為混合動(dòng)力汽車開發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)的輸出端口，規(guī)范了整車控制策略的開發(fā)平臺(tái)。

3 混合動(dòng)力客車CRUISE仿真模型

3.1 車輛模型

在車輛模型中，定義了CHS混合動(dòng)力客車的基本數(shù)據(jù)，如外形尺寸，空載、滿載質(zhì)量，重心高度，油箱容量等，如表1所示。

表1 車輛模塊參數(shù)

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

在CRUISE模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建模參數(shù)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線、燃油消耗特性曲線(見圖2)等。

3.3 主電機(jī)模型

電機(jī)模型CRUISE建模數(shù)據(jù)主要有電機(jī)基本參數(shù)(表2)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線(圖3)和電機(jī)效率特性曲線(圖4)等。

表2 主電機(jī)基本參數(shù)

3.4 發(fā)電機(jī)模型

發(fā)電機(jī)CRUISE模型建模數(shù)據(jù)主要有發(fā)電機(jī)基本參數(shù)、發(fā)電機(jī)負(fù)荷特性曲線(圖5)與發(fā)電機(jī)效率特性曲線(圖6)等。表3是發(fā)電機(jī)基本參數(shù)，由于與主電機(jī)使用同一電池包，因此發(fā)電機(jī)基本參數(shù)與主電機(jī)相同。

表3 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

3.5 電池模型

電池CRUISE模型建模參數(shù)有電池基本參數(shù)(表4)、電池充電特性曲線(圖7)、電池放電特性曲線(圖8)等。

表4 電池基本參數(shù)

3.6 行星齒輪模型

CHS系統(tǒng)采用普通的行星排，行星排的齒數(shù)比為2.11，其傳遞效率為0.98。

3.7 制動(dòng)器模型

制動(dòng)器模型基本參數(shù)如表5所示。

表5 制動(dòng)器基本參數(shù)

3.8 車輪模型

車輪模型建模參數(shù)有車輪基本參數(shù)(表6)、車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)等。

表6 車輪基本參數(shù)

4 混合動(dòng)力客車仿真性能分析

模型參數(shù)修正完善后，聯(lián)合Simulink整車控制策略對(duì)雙行星排、雙電機(jī)方案進(jìn)行仿真分析，主要進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性仿真和動(dòng)力性仿真，整車模型如圖9所示。

4.1 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

選擇中國(guó)典型城市工況，在整車負(fù)載為65%額定載荷的條件下進(jìn)行仿真，整車質(zhì)量為16 320 kg，電池初始SOC值為55%，經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果綜合油耗為22.3 L/(102km)。

圖10為中國(guó)典型城市工況車速跟隨曲線，圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線，圖12為主電機(jī)工作曲線，圖13為發(fā)電機(jī)工作曲線，圖14為發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域。

4.2 動(dòng)力性仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：最高車速可達(dá)81 km/h；0～50 km/h加速時(shí)間為21 s；最大爬坡度為18%。動(dòng)力性能完全滿足城市大客車的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)力性方面：0～50 km/h滿載加速時(shí)間19 s；最大爬坡度18%；最高車速79 km/h。經(jīng)濟(jì)性方面：綜合總油耗為22.48 L/(102km)。

5 結(jié)束語

通過建模，對(duì)搭載CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)的城市公交客車進(jìn)行建模仿真，通過對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明所建模型具有較好的預(yù)測(cè)效果，對(duì)于具體的開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

【1】趙航，史廣奎.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

【2】趙航，史廣奎，王仁廣，等.車輛用混合動(dòng)力控制系統(tǒng)：中國(guó),ZL201010159660.6[P].2012-10-03.

SimulationAnalysisonCityBuswithCHSHybridSystem

WAN Fujun，WANG Wei，SHI Guangkui, WANG Renguang

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300,China)

Based on brief instruction to CHS hybrid electric system, the vehicle control strategy model was constructed for a city bus with CHS system. The results show that the model can benefit performance analysis on the city bus with developed hybrid electric system.

Hybrid powertrain; Control strategy; Simulation analysis

2015-01-21

萬輔君(1973—)，男，工程師，主要從事汽車及相關(guān)技術(shù)工作。E-mail：wanfujun@catarc.ac.cn。