摘要：經(jīng)濟性是衡量混合動力客車性能的重要指標，如何合理劃分發(fā)動機工作區(qū)間直接影響著混合動力客車的燃油經(jīng)濟性。針對某同軸混聯(lián)式ISG混合動力客車系統(tǒng)，劃分該系統(tǒng)中發(fā)動機的工作模式進行并擬合出不同工作模式下發(fā)動機工作區(qū)間曲線。基于中國典型城市公交循環(huán)（CCBC）工況，使用該優(yōu)化后的控制策略在MATLAB/Simulink建立的混合動力客車整車模型中進行仿真，并在實車上進行驗證。仿真結果和實車試驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化之后的整車控制策略顯著提高了燃油經(jīng)濟性。

關鍵詞：混合動力客車；發(fā)動機工作區(qū)間；控制策略；CCBC工況

中圖分類號：U469.1 ?收稿日期：2023-06-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.008

1 前言

隨著插電式混合動力客車的推廣和應用，人們對其經(jīng)濟性指標提出了更高的要求[1]。相較于傳統(tǒng)客車，混合動力客車可以利用動力電池的能量并采用不同的機電耦合方式實現(xiàn)發(fā)動機工作區(qū)間主動調(diào)節(jié)，如何調(diào)整和優(yōu)化控制策略，合理劃分發(fā)動機工作區(qū)間是提高混動系統(tǒng)效率的關鍵技術之一。當前，混合動力客車用于改善發(fā)動機工作效率的控制策略大多基于并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，很少有對混聯(lián)式混合動力汽車在控制策略上工作的開展。這些控制策略中，往往忽略了動力電池對于發(fā)動機工作點優(yōu)化效果的影響，單一地尋找發(fā)動機最佳工作點和最佳工作效率曲線，并以此為基礎進行控制策略的優(yōu)化[2]。

針對該問題，本文以一款同軸混聯(lián)式ISG混合動力客車為研究對象，結合混動車型發(fā)動機介入的不同工作模式，對發(fā)動機的工作區(qū)間進行劃分，并擬合出不同發(fā)動機工作區(qū)間曲線，基于MATLAB/Simulink建立整車模型，對該控制策略進行仿真，并實車驗證其經(jīng)濟性。

2 混動系統(tǒng)結構與原理

ISG混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)為同軸式結構，發(fā)動機和ISG電機采用扭轉(zhuǎn)減震器實現(xiàn)機電耦合，驅(qū)動電機和發(fā)動機之間，由電磁離合器實現(xiàn)結合與分離。該系統(tǒng)具有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種工作模式。串聯(lián)模式中，電磁離合器分離，整車由電機提供動力，發(fā)動機帶動ISG電機進行串聯(lián)發(fā)電；并聯(lián)模式中，電磁離合器接合，發(fā)動機、ISG電機和主電機協(xié)調(diào)分配，進行車輛驅(qū)動。

3 發(fā)動機工作區(qū)間劃分

混合動力客車發(fā)動機通過傳動系統(tǒng)機械連接的方式對整車進行驅(qū)動，發(fā)動機的工作點易受車速影響，故發(fā)動機難以穩(wěn)定工作在較窄的最優(yōu)效率區(qū)。但是在離合器的作用下，發(fā)動機存在電機的負載平衡，通過制定優(yōu)化的控制策略可以使發(fā)動機在較寬廣的高效率工作區(qū)間工作。根據(jù)前文所述，依據(jù)ISG混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)三種工作模式，將發(fā)動機工作區(qū)間劃分串聯(lián)發(fā)電區(qū)間、驅(qū)動區(qū)間和并聯(lián)區(qū)間［3］。

3.1 串聯(lián)發(fā)電曲線的確定

串聯(lián)發(fā)電曲線是指發(fā)動機由串聯(lián)發(fā)電模式介入驅(qū)動模式的臨界曲線，即發(fā)動機進入單獨驅(qū)動的最低曲線。當發(fā)動機需進入驅(qū)動狀態(tài)時，發(fā)動機的工作區(qū)間在此曲線上方。系統(tǒng)由串聯(lián)工作模式進入并聯(lián)工作模式，意味著發(fā)動機的單獨驅(qū)動的效率應高于發(fā)動機發(fā)電驅(qū)動的效率。定義P動為發(fā)動機功率，P電為電機發(fā)電功率，P橋為驅(qū)動功率，be動為發(fā)動機經(jīng)濟特性，be電為電機發(fā)電經(jīng)濟特性，be橋為驅(qū)動經(jīng)濟特性，I電為電機發(fā)電效率，I橋為驅(qū)動效率。

發(fā)動機發(fā)電功率：

P電=P動I電 ????????????????????????????????????????????????（1）

發(fā)電機功率作用到驅(qū)動橋上的功率：

P橋=P電I橋 ?????????????????????????????????????????????????????（2）

通過類比發(fā)動機萬有特性曲線來表達混動系統(tǒng)通過發(fā)電驅(qū)動的經(jīng)濟特性，有：

be=g/kWh ????????????????????????????????????????????????????????（3）

be電=be動/I電 ?????????????????????????????????????????????????（4）

be橋=be電/I橋=be動/I電/I橋 ????????????????????????????????????（5）

運用MATLAB對發(fā)動機及電機數(shù)據(jù)進行處理，得到發(fā)動機的萬有特性曲線和電機的MAP圖，并分別求得對應的轉(zhuǎn)速、扭矩下的be動和I電，得到發(fā)動機發(fā)電的特性曲線，如圖1所示。

在圖1上可查得be電的最低點，其意義為在對應的轉(zhuǎn)速和扭矩下，發(fā)動機通過電機發(fā)電的效率最高，經(jīng)濟性最優(yōu)。電驅(qū)動的特性be橋可以理解為發(fā)動機燃燒1 g燃料后，帶動發(fā)電機發(fā)電并最終由電機驅(qū)動作用在驅(qū)動橋上的能量。在已經(jīng)確定be電的最優(yōu)點后，根據(jù)公式（5）可以確定be橋的最優(yōu)點。其意義為：在對應的轉(zhuǎn)速和扭矩下，發(fā)動機通過發(fā)電并驅(qū)動到橋上的效率最高，經(jīng)濟性最優(yōu)。最終可知，當發(fā)動機由串聯(lián)模式進入并聯(lián)模式并參與驅(qū)動時，整個系統(tǒng)的效率要高于此點，因此將be橋最優(yōu)點反饋至發(fā)動機的萬有特性上，沿此值可以得到串聯(lián)發(fā)電曲線。

3.2 驅(qū)動曲線的確定

驅(qū)動曲線是指發(fā)動機由單獨驅(qū)動介入邊驅(qū)動邊充電的臨界曲線，即發(fā)動機進如驅(qū)動充電的最低曲線。當發(fā)動機進入邊驅(qū)動邊充電狀態(tài)時，發(fā)動機工作區(qū)間在此曲線上方?；靹酉到y(tǒng)的充電功率至少需要兩個點覆蓋，之前確定單獨驅(qū)動曲線時已經(jīng)確定了較低的充電功率，考慮到發(fā)電機的功率限制，一般將高的充電功率點定為發(fā)動機額定功率附近。同時考慮到扭矩控制需求，可在發(fā)動機萬有特性曲線上找到滿足此發(fā)電功率的等功率曲線，以確定驅(qū)動發(fā)電曲線。

3.3 并聯(lián)曲線的確定

并聯(lián)曲線是指發(fā)動機由邊驅(qū)動邊發(fā)電介入發(fā)動機電機共同驅(qū)動的臨界曲線，即發(fā)動機進入并聯(lián)驅(qū)動的最低曲線。當發(fā)動機進入并聯(lián)驅(qū)動狀態(tài)時，發(fā)動機的工作區(qū)間在此曲線上方。當混動系統(tǒng)整體扭矩需求已經(jīng)超越了發(fā)動機的能力，此時應該需要電機介入提高系統(tǒng)的動力輸出，而發(fā)動機的外特性曲線已經(jīng)反映了發(fā)動機的能力，因此可以直接將發(fā)動機的外特性定義為并聯(lián)曲線［4］。

通過以上分析，得到發(fā)動機工作區(qū)間曲線，并將此三個曲線繪制在發(fā)動機的萬有曲線上，如圖2所示。

4 試驗結果分析

4.1 仿真結果分析

基于某10.5 m插電式混合動力客車，使用MATLAB/Simulink混合動力客車整車模型，將以上所確定的發(fā)動機工作區(qū)間導入發(fā)動機控制模型，基于中國典型城市公交工況（CCBC工況）對實車測試并進行仿真分析，仿真結果為：13.81 L/（100 km），其中油耗為13.03 L/（100 km），電耗折算為油耗為0.78 L/（100 km）。圖3反應了發(fā)動機在不同模式下的工作點分布，可以看到發(fā)動機的工作點基本處于高效率工作區(qū)間，有效實現(xiàn)了控制策略優(yōu)化目標。

4.2 實車試驗結果分析

將該控制策略應用于試驗車輛，基于中國典型城市公交工況（CCBC工況）對某10.5 m ISG混聯(lián)式混合動力客車進行油耗試驗。試驗結果如表1所示。結果表明，該控制策略有效達到達到預期效果，節(jié)油率達60%以上（燃油限值參考《GB 30510-2014重型商用車輛燃料消耗量限值》）［5］。

5 結語

本文針對某同軸混聯(lián)式ISG混合動力客車系統(tǒng)，分析其系統(tǒng)結構原理，并依據(jù)工作模式將發(fā)動機進行了工作區(qū)間的劃分，并繪制出發(fā)動機工作區(qū)間曲線，借助MATLAB/Simulink車輛控制模型，將優(yōu)化后的發(fā)動機控制策略基于中國典型城市公交循環(huán)（CCBC）工況進行仿真分析，仿真結果達到了預期目標，最終將該控制策略應用于實車。試驗數(shù)據(jù)表明，基于發(fā)動機效率區(qū)間劃分的混合動力客車優(yōu)化控制策略，具有較好的節(jié)油效果，滿足經(jīng)濟性指標要求。

參考文獻：

[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，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)大學學報，2019（6）：741-745.

[3]常圣，李韌，吳浩.基于AVL臺架的ISG混合動力客車扭矩優(yōu)化[J].客車技術，2020（1）：50-52.

[4]林歆悠，孫冬野，尹燕莉，等.混聯(lián)式混合動力客車發(fā)動機優(yōu)化控制策略[J].重慶大學學報，2012（7）：13-18.

[5]GB 30510-2014 重型商用車輛燃料消耗量限值[S].

作者簡介：

王冉，男，1987年生，工程師，研究方向為混合動力客車系統(tǒng)集成及控制策略。