魏兆森，費(fèi)曉翔，黃紅林

（濰柴（揚(yáng)州）亞星新能源商用車(chē)有限公司，江蘇揚(yáng)州225001）

基于兩種運(yùn)行工況的增程式混合動(dòng)力客車(chē)控制策略研究

魏兆森，費(fèi)曉翔，黃紅林

（濰柴（揚(yáng)州）亞星新能源商用車(chē)有限公司，江蘇揚(yáng)州225001）

一款增程式混合動(dòng)力客車(chē)，根據(jù)運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)定功率點(diǎn)及多功率點(diǎn)切換的兩種控制策略，通過(guò)綜

合動(dòng)力電池荷電狀態(tài)和整車(chē)車(chē)速狀態(tài)，計(jì)算增程器單元最佳輸出功率，從而有效地實(shí)現(xiàn)能量分配控制，并得到實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

增程式；混合動(dòng)力客車(chē)；運(yùn)行工況；控制策略。

增程式混合動(dòng)力客車(chē)是一種配有可在線、外插充電動(dòng)力電池和增程器的混合動(dòng)力汽車(chē)，當(dāng)電能充足時(shí)，動(dòng)力電池提供車(chē)輛行駛所需的所有能量，當(dāng)電能不足時(shí)，增程器輔助工作。增程式動(dòng)力系統(tǒng)作為從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)向純電動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡技術(shù)產(chǎn)品，通過(guò)增加一個(gè)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有效地改善了純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短的問(wèn)題，延長(zhǎng)了車(chē)輛行駛里程[1-2]。本文主要論述純電動(dòng)和增程式兩種運(yùn)行工況下，某增程式混合動(dòng)力客車(chē)的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。

1 車(chē)輛運(yùn)行模式及工況

增程式混合動(dòng)力客車(chē)運(yùn)行在“電主油副”的狀態(tài)，分兩種工作模式：

第一種為純電動(dòng)工作模式，此時(shí)電池電量充足，車(chē)輛行駛能量均來(lái)自動(dòng)力電池。

第二種為“增程式”工作模式，即在電池電量耗到一定程度時(shí)，起動(dòng)增程器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)電的大部分給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，盈余部分給電池充電，以維持其容量在某個(gè)范圍值。電池電量到達(dá)一定值后，增程器自動(dòng)關(guān)閉或者由駕駛員強(qiáng)制關(guān)閉（車(chē)輛儀表臺(tái)設(shè)有強(qiáng)制關(guān)閉按鈕）。

整車(chē)運(yùn)行工況也分兩種：

第一種是城市客車(chē)工況：城市客車(chē)主要運(yùn)營(yíng)于市區(qū)與市郊，最高時(shí)速69 km/h，加速度＞0.94 m/s2，且經(jīng)常起停。針對(duì)城市客車(chē)工況采集，用同車(chē)型的純電動(dòng)城市客車(chē)在揚(yáng)州市區(qū)、市郊進(jìn)行了實(shí)地行駛，車(chē)輛整備質(zhì)量3.08 t，加載65%后車(chē)輛質(zhì)量4.05 t（以下所有實(shí)車(chē)或仿真都以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行），隨機(jī)選擇了兩路城市客車(chē)路線，路線為南北向與東西向，路線包括市區(qū)、市郊，各循環(huán)6次，采集所有數(shù)據(jù)，得出城市客車(chē)工況下電機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)速分布見(jiàn)圖1。

圖1 城市客車(chē)工況下電機(jī)的輸出

可以看出，電機(jī)輸出功率集中在20 kW以?xún)?nèi)，占比達(dá)82%，轉(zhuǎn)速由于最高時(shí)速的限制，保持在2 000 r/min以?xún)?nèi)，分布較均勻。

第二種是公路客車(chē)工況：公路客車(chē)主要運(yùn)行于市區(qū)、市郊、高速，其中市郊跟高速占比較大，最高時(shí)速限值100 km/h。針對(duì)公路工況采集，采用同車(chē)型純電動(dòng)公路客車(chē)在揚(yáng)州市區(qū)、市郊、環(huán)城高速進(jìn)行了實(shí)地行駛，試驗(yàn)6次循環(huán)，采集所有數(shù)據(jù)，得出公路工況下電機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)速分布見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，電機(jī)輸出功率集中在20～40 kW，占比達(dá)66%；轉(zhuǎn)速多集中在高速段。

圖2 公路工況下電機(jī)的輸出

2 增程式電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，從而對(duì)增程式混合動(dòng)力客車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)選型

增程器選擇現(xiàn)有且已量產(chǎn)的成品，發(fā)動(dòng)機(jī)1.2 L三缸汽油機(jī)，額定功率35 kW，最大功率38 kW；驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇額定功率40 kW，最大功率70 kW，最大扭矩700 N·m，最高轉(zhuǎn)速4 500 r/min，扭矩滿(mǎn)足滿(mǎn)載最大爬坡＞20%[3-5]的要求；電池采用功率型磷酸鐵鋰電池[6]，相比于能量型電池，該類(lèi)型電池具有充放次數(shù)多、充放倍率高的特性，電池標(biāo)稱(chēng)容量60 Ah，標(biāo)稱(chēng)電壓340 V，電池能量20.5 kW·h，其他相關(guān)部件沿用純電動(dòng)車(chē)型部件。

2.2 增程器控制策略研究

在選擇增程器工作點(diǎn)前，對(duì)其進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，標(biāo)定后得出4個(gè)經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)：6 kW/1 400 r/min，16 kW/ 2 300 r/min，25 kW/2 800 r/min，30 kW/3 200 r/min。

2.2.1 城市客車(chē)工況控制策略

城市客車(chē)工況采用定功率點(diǎn)控制策略，具體如下：

1）當(dāng)電池SOC＜55%時(shí)，增程器自動(dòng)起動(dòng)，整車(chē)控制器發(fā)出定點(diǎn)功率請(qǐng)求16 kW，APU內(nèi)部完成功率閉環(huán)，響應(yīng)整車(chē)控制器的功率，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，將功率閉環(huán)帶寬設(shè)置為1 kW，當(dāng)響應(yīng)的功率與目標(biāo)功率誤差在1 kW以?xún)?nèi)將不再閉環(huán)調(diào)節(jié)。

2）不同駕駛員有不同的駕駛習(xí)慣，為防止SOC下降，在SOC進(jìn)入不同區(qū)域時(shí)以不同的發(fā)電功率發(fā)電：當(dāng)SOC＜50%時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)出功率請(qǐng)求25 kW；當(dāng)SOC＜30%時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)出功率請(qǐng)求30 kW；當(dāng)SOC＞60%，增程器自動(dòng)關(guān)閉（考慮到電池持續(xù)充電時(shí)間、電池壽命[7-9]、綜合油耗，將增程器停止值設(shè)定在60%）。

3）增程器起動(dòng)時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)出小功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)，此時(shí)功率設(shè)定為6 kW，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫到達(dá)60℃時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)出大功率請(qǐng)求。

根據(jù)此定功率點(diǎn)策略，進(jìn)行多次仿真模擬與實(shí)地試驗(yàn)，仿真循環(huán)見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。仿真結(jié)果如圖3所示[10]。

圖3電池SOC變化與增程器工作狀態(tài)

圖3 結(jié)果顯示，電池SOC維持在55%～60%之間，此段SOC對(duì)應(yīng)的電池電壓為350～355 V，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)的最優(yōu)工作電壓平臺(tái)，且45%的電量可保證純電動(dòng)模式行駛50 km，增程器介入工作后，可以將電機(jī)持續(xù)工作在相對(duì)高效區(qū)域。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況試驗(yàn)方法[9]，在公司試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地行駛，在SOC為55%時(shí)開(kāi)始進(jìn)入路譜，一次循環(huán)時(shí)間1 300 s，增程器起動(dòng)1次，當(dāng)循環(huán)結(jié)束時(shí)，SOC剛好再次回到55%，一次試驗(yàn)做兩次循環(huán)，一共實(shí)地做了4次試驗(yàn)，并全程采集數(shù)據(jù)，電池SOC變換、車(chē)輛速度、增程器瞬時(shí)油耗如圖4所示，可以看出，電池SOC穩(wěn)定在55%～60%之間，車(chē)輛速度與標(biāo)準(zhǔn)工況吻合，一次循環(huán)增程器起動(dòng)一次。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)工況試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 公路客車(chē)工況控制策略

從圖2可以看出，公路工況運(yùn)行模式中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率主要集中在20～40 kW，且隨路況變化，電機(jī)的輸出功率變化很大，定功率點(diǎn)發(fā)電不能維持電池電量穩(wěn)定。而傳統(tǒng)意義上的功率跟隨控制策略，又會(huì)造成額外的油耗與噪聲[11]。鑒于此考慮，公路客車(chē)工況下采用多功率點(diǎn)切換的控制策略。

多功率點(diǎn)切換的控制條件為電池SOC與車(chē)速，整車(chē)控制器的功率請(qǐng)求隨SOC、車(chē)速變化，當(dāng)SOC越低且車(chē)速越快時(shí)，增程器發(fā)電功率越大，反之則越小。

當(dāng)SOC＜70%時(shí)，增程器起動(dòng)，暖機(jī)策略同城市客車(chē)。增程器正常工作后，其功率點(diǎn)隨車(chē)速、SOC數(shù)值階段性變化，具體如下：

1）SOC在50%～70%區(qū)間：車(chē)速低于60 km/h時(shí)，增程器以16 kW發(fā)電；車(chē)速在60～80 km/h時(shí)，增程器以25 kW發(fā)電；車(chē)速高于80 km/h時(shí)，增程器以30 kW發(fā)電。

2）SOC在30%～50%區(qū)間：車(chē)速低于40 km/h時(shí)，增程器以16 kW發(fā)電；車(chē)速在40～60 km/h時(shí)，增程器以25 kW發(fā)電；車(chē)速在60～90 km/h時(shí)，增程器以30 kW發(fā)電；車(chē)速高于90 km/h，增程器以35 kW發(fā)電。

3）SOC在0～30%區(qū)間：車(chē)速低于20 km/h，增程器以16 kW發(fā)電；車(chē)速在20～40 km/h時(shí)，增程器以25 kW發(fā)電；當(dāng)車(chē)速在40～70 km/h時(shí)，增程器以30 kW發(fā)電；當(dāng)車(chē)速高于70 km/h時(shí)，增程器以35 kW發(fā)電。

4）當(dāng)SOC低于10%時(shí)，整車(chē)控制器限制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率在25 kW以?xún)?nèi)。

5）當(dāng)SOC高于75%時(shí)，增程器自動(dòng)關(guān)閉。

針對(duì)此策略，實(shí)車(chē)在揚(yáng)州-泰州模擬客運(yùn)，往返試驗(yàn)8個(gè)循環(huán)，全程采集數(shù)據(jù)。圖5為其中一次往返試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以看出，電池SOC可以穩(wěn)定在40%左右。

圖5 公路工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 應(yīng)用效果

實(shí)車(chē)在兩種路況下進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的路試，證明兩種控制策略可以滿(mǎn)足動(dòng)力系統(tǒng)能量分配，達(dá)到了預(yù)期的控制目的；增程器工作狀態(tài)下油耗控制在9 L/100 km以下；在車(chē)輛安全方面，本次研發(fā)中加入了兩項(xiàng)限制：禁止車(chē)輛在原地大功率發(fā)電，以防排氣管過(guò)熱引起安全隱患[10]；減小在增程器起動(dòng)后的電回饋，禁止充電超調(diào)的過(guò)大電流給動(dòng)力電池帶來(lái)累積損傷[6-9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要結(jié)合客運(yùn)市場(chǎng)需求、動(dòng)力電池SOC、車(chē)輛運(yùn)行工況、車(chē)速等因素，綜合考慮提出兩種控制策略，并進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證，在動(dòng)力性、舒適性不減的前提下，綜合油耗比傳統(tǒng)汽油車(chē)降低40%，整體效果良好，但還需進(jìn)一步完善，以提高整車(chē)性能。

[1]謝俊淋.基于多功率點(diǎn)切換的增程式電動(dòng)車(chē)研究[J].機(jī)電技術(shù)，2014（4）：106-108.

[2]張洪延，董煒江.增程式電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)與控制[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2014，4（5）：342-352.

[3]焦磊.增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成參數(shù)匹配及控制策略研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[4]孫奎洲，王凱，范鑫，等.增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成參數(shù)匹配設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（10）：3396-3398.

[5]田甜，鄭燕萍，蔣元廣，等.混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略?xún)?yōu)化研究綜述[J].公路與汽運(yùn)，2010（5）：1-4.

[6]黃鋒濤.高功率型磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能[J].廣東化工，2016，43（11）：100.

[7]高飛，楊凱，惠東，等.儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命的能量分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，50（5）：41-45.

[8]羅玉濤，王峰，喻皓，等.基于行駛工況的磷酸鐵鋰電池壽命模型研究[J].汽車(chē)工程，2015，37（8）：881-885.

[9]胡銀全，劉和平，劉平，等.電動(dòng)汽車(chē)用磷酸鐵鋰電池充電特性的分析[J].汽車(chē)工程，2013，35（4）：293-297.

[10]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法：GB/T 19754-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：5.

[11]胡亞楠.發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素分析[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）：66-69.

修改稿日期：2017-02-20

Research on Control Strategies of Extended Range Hybrid Bus Based on Two Operating Conditions

Wei Zhaosen，F(xiàn)ei Xiaoxiang，HuangHonglin
（Weichai（Yangzhou）YaxingNewEnergyCommercial Vehicle Co.,Ltd,Yangzhou 225001,China）

According to the operating conditions,the authors design two kinds of control strategies including constant power point and multiple points switching for an extended range hybrid bus.Through compositing the power batteries charge state and the vehicle speed state,they calculate the optimal output power of the extended range hybrid unit,soas toeffectivelyrealizes the energydistribution control,which is verified byvehicle test.

extended range;hybrid bus;operatingcondition;control strategy

U464

A

1006-3331（2017）03-0016-03

魏兆森（1989-），男，工程師；主要從事新能源汽車(chē)研發(fā)工作。