靳旭 严二冬
摘 要：针对并联式混合动力客车，以实现中国典型城市公交循环工况下整车系统效率最优为目标，对混合动力系统工作区域进行划分，制定出整车能量管理控制策略，并对纯电工作模式切换进入并联工作模式的转矩协调控制过程进行了研究与分析。通过调节各种工作模式下的临界负荷曲线，并在中国典型城市公交工况下进行性能仿真分析，得出油耗最低的最优临界负荷曲线，并将其应用在样车上进行试验，试验油耗为28.9 L/100 km，相对传统的基准车型油耗达到了31.2%的节油率，节油效果明显。
关键词：并联式混合动力客车；能量管理；仿真分析；模式切换
中图分类号：U469.7文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.02.06
Abstract：For parallel hybrid electric buses， the work area of the hybrid system was divided into parts to achieve optimal efficiency for the typical city bus cycle， and the energy management control strategy was developed. The coordinated torque control strategy formode-switch was studied as well. By adjusting the critical load curve under different working modes， the optimal critical load curve was obtained through simulation analysis for the typical city bus cycle， and it was applied in the prototype test. The actual fuel consumption is 28.9 L/100 km. The fuel saving rate reaches 31.2% when compared with traditional vehicles and so the impact on fuel saving is obvious.
Key words：parralel hybrid bus； energy management； simulation analysis； mode switch
能源危机与城市环境污染的日益加剧对城市公交客车的能耗与排放要求越来越严格，传统的公交客车已经无法满足现在的能耗与排放标准，然而纯电动公交客车虽然能够实现零排放，但其电池成本过高，续驶里程不足始终是现阶段难以解决的问题。并联式混合动力客车结构简单，在成本增加有限的前提下，能够很好地降低能耗与排放。并联式混合动力客车通过自动离合器机构将发动机和电动机两动力源集成在一起，两动力源同轴，并联式混合动力客车具有多种工作模式，能够实现不同工作模式之间的灵活切换[1]。
当前，混合动力汽车的能量管理策略和协调控制算法已成为研究的重要方向，合理的能量管理策略对降低能量消耗具有重要意义，模式切换与换挡时的转矩协调控制能够较大程度地改善驾驶舒适性。能量管理策略侧重于通过ISG电机来调节发动机的工作点，使发动机始终工作在高效区域，进而达到节约能源与减少排放的目的。童毅等人针对并联式混合动力汽车离合器接合、变速器换挡过程中的汽车转矩管理策略和协调控制算法进行了研究[2]。古艳春等人采用了基于逻辑门限值的能量管理策略，并对混合动力汽车起步和换挡过程的转矩协调控制策略进行了仿真研究[3]。戴一凡等人采用了基于优化发动机效率曲线的能量管理策略，但只对纯电动行进中启动发动机过程的协调控制进行了研究[4]。以上研究采用了简单的逻辑门限值控制策略，侧重于发动机局部最优，并且只对部分工作模式切换的协调控制进行了研究。
本文以国家863计划科技攻关项目中度混合动力客车为研究对象，为了达到最优的燃油经济性目标，以动力系统效率最优兼顾荷电状态（State of Charge，SOC）平衡为实现方法[5]，对基于自动变速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）的并联式混合动力系统工作模式区域进行划分，并制定出相应的能量分配控制策略，计算出在中国典型城市公交工况下任意车速的需求功率，并将需求功率合理地分配给发动机与电机。同时，本文对中国典型城市公交工况下工作模式之间切换的转矩协调控制算法进行了研究。以上研究可以实现工作模式切换过程动力传递的平稳性控制和循环工况油耗最优控制[6]。
1 并联式混合动力系统结构
本文研究的并联式混合动力客车的动力系统如图1所示。系统中发动机输出轴与自动离合器、ISG电机、AMT相连，ISG电机集成在自动离合器与变速器中间，ISG电机既可作为发电机又可作为电动机，驱动力矩通过AMT输出，经车桥主减速器传递至车轮。
通过控制发动机、电机、离合器、变速器的工作状态，该混合动力系统可实现多种工作模式，见表1。由表1可知，该混合动力系统可实现纯电驱动、发动机单独驱动、行车充电、停车充电、联合驱动以及制动回馈工作模式。
2 模式切换转矩协调控制
并联式混合动力客车由静止启动，首先进入纯电驱动模式，当车速信号与加速踏板信号大于设定阀值时，车辆由纯电驱动模式进入并联驱动模式。如果没有转矩协调控制，车辆由纯电驱动模式切换进入并联驱动模式时，离合器结合与变速器换挡会存在很大的冲击，驾驶舒适性很差。通过在模式切换过程中合理地控制ISG电机的转矩变化能够很大程度降低离合器结合与变速器换挡的冲击，进而改善驾驶舒适性。如图2所示，给出了工作模式切换的整个控制过程。
3 整车能量管理控制策略
整车能量管理控制策略是以燃油经济性为主要目标，结合动力电池的SOC状态、车速信息、负荷信息等因素进行能量分配与工作模式切换的一种控制策略。其原则主要是通过纯电驱动、行车充电、混合驱动等工作模式调节发动机的工作点，使发动机大部分时间工作在高效区域，通过让电机参与制动将制动过程中的一部分能量回馈给动力电池，从而达到节油的目标。图3给出了详细的控制策略示意图。
如图3所示，黑色曲线为车速曲线，蓝色曲线为SOC状态曲线。此控制策略中的时间轴并非真正试验时的时间轴，此时间轴没有实际意义，只是用于说明不同工作模式之间的切换情况。整车能量管理策略具体描述如下：当车速≤u且n≤SOC 将整车能量管理策略进行转矩解析，如图4所示，表示了在不同转速下的需求转矩与不同工作模式之间的关系。当0≤Treq 表2列出了不同工作模式下，电机与发动机的转矩分配情况。 4 搭建仿真模型 以中国典型城市公交工况为混合动力客车的试验工况，利用整车性能仿真分析专业软件AVL Cruise进行性能仿真分析。通过AVL Cruise软件搭建整车动力系统模型，并输入整车与各部件的技术参数，通过Matlab/Simulink搭建整车能量管理策略模型，并将整车控制策略模型通过Interface接口与AVL Cruise整车动力系统模型交互实现联合仿真。并联式混合动力客车整车动力系统模型如图5所示。 表3中列出了并联式混合动力客车整车的基本参数。 图6为整车控制策略中并联模式下的能量管理模型，此模型规定了并联模式下行车充电、纯发动机及混合驱动模式的能量分配情况。 5 仿真结果与试验结果对比分析 根据系统效率最优原则，为了获得最低的油耗值，在标定文件中分别对Tm1、Te1、Te2 三条临界负荷曲线乘以一个系数，得出aTm1、bTe1、cTe2。基于纯电驱动电机效率、发动机燃油消耗特性以及SOC平衡的原则，通过调整a、b、c三个参数进而得到不同的纯电驱动、行车充电及混合驱动临界负荷曲线，分别进行仿真分析。表4中列出了三组不同参数下的仿真油耗值，对比之后在参数三（0.8、0.9、1.1）下的油耗值最低为28.8 L/100 km，进而获得了最优的临界负荷曲线。 通过仿真分析，可以得到在整个循环工况下不同节油方式对节油率的贡献情况，见表5。基准传统车型工况油耗为42 L/100 km，通过减小发动机规格（由传统车6.7 L发动机减小到3.8 L发动机）可以实现15.7%的节油率。在中国典型城市公交工况下，通过发动机快速启动可以实现在车速<10 km/h时，发动机始终处于停机状态，进而可以实现5%的节油率。在中国典型城市公交工况下，通过低速纯电（10 km/h以下为纯电工况）与制动回馈（当5 km/h<车速<60 km/h进行制动能量回收）可以实现10.7%的节油率。最终整车的节油率可到31.4%。 将参数三下的发动机工作点、发动机的外特性以及发动机的万有特性曲线表示在同一图中，如图7所示。从图中可以看出，发动机90%以上的工作点都分布在了发动机效率高于38%的区域。由此可见，其系统效率达到了最优值，中国典型城市公交工况下的燃油经济性能最好。 将参数三（a3，b3，c3）对应的a3Tm1、b3Te1、c3Te2临界负荷曲线应用到试验样车中进行油耗试验，试验所得在公共典型城市公交工况下的综合油耗为28.9 L/100 km，相对基准传统车型油耗42 L/100 km，节油率达到了31.2%，节油效果明显。 6 结论 通过分析并联式混合动力客车的动力系统结构特点，搭建了基于AVL Cruise的整车动力系统模型以及基于Matlab/Simulink的控制策略模型，并设计了基于参数化调节的能量管理控制策略。使用AVL Cruise与Matlab/Simulink进行联合性能仿真分析，计算整车基于中国典型城市公交工况下的油耗，并进一步在试验样车上进行试验验证，结果表明： （1）通过调节不同负荷临界参数（a、b、c），并联式混合动力客车在中国典型城市公交工况下的综合工况油耗能够降低到28.9 L/100 km，与基准传统车型相比，节油率达到了31.2%。
（2）在中国典型城市公交工况下，通过驱动电机调节后发动机能够达到90%以上的工作点集中在高效区域，能够很大程度改善车辆燃油经济性。
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作者介绍
责任作者：靳旭（1983-），男，河北衡水人。学士，系统工程师，主要从事新能源汽车动力系统研发工作。
Tel：010-59912854
E-mail：jinxu@foton.com.cn
通讯作者：严二冬（1986-），男，河北沧州人。硕士，系统工程师，主要从事新能源汽车动力系统研发工作。
Tel：010-59912854
E-mail：yanerdong@foton.com.cn
