搭載CHS混合動力系統(tǒng)的城市客車仿真分析

萬輔君，王偉，史廣奎，王仁廣

(中國汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300)

搭載CHS混合動力系統(tǒng)的城市客車仿真分析

萬輔君，王偉，史廣奎，王仁廣

(中國汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300)

在解析CHS混合動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點介紹裝配CHS混合動力系統(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力總成的具體性能狀況。

混合動力總成；控制策略；仿真分析

0 引言

CHS混合動力系統(tǒng)為典型的深度混聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用1個發(fā)電機、1個電動機和2套普通行星齒輪機構(gòu)構(gòu)成，以行星齒輪機構(gòu)作為動力耦合和分配裝置，為車輛提供純電動和混聯(lián)驅(qū)動兩種驅(qū)動模式，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)油高效，已為國內(nèi)多家城市客車配套并在公交線上實際運行。

1 CHS系統(tǒng)簡介

1.1 基本組成

CHS混合動力系統(tǒng)是中國汽車技術(shù)研究中心開發(fā)的一款深度混合動力總成，實現(xiàn)了機電耦合、自動變速、自動離合3大功能，使得整個結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動變速器的功能，集成度高，便于在汽車上布置和安裝；總成裝置使用2個普通行星排，1個完成動力分配和耦合，1個完成電動機的減速增扭，使得發(fā)動機同驅(qū)動輪在機械上完全解耦，能夠使發(fā)動機工作在最佳狀態(tài)。CHS混合動力總成主要包括發(fā)動機、緩沖組合機構(gòu)、發(fā)電機、主電機、前行星排、后行星排、第一軸和第二軸，其中緩沖組合機構(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，大客車用混合動力總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。發(fā)動機飛輪通過緩沖組合機構(gòu)連接第一軸，第一軸與前行星排的行星架相連；發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸與前行星排的太陽輪相連，主電機的轉(zhuǎn)子軸與后行星排的太陽輪相連；后行星排的外齒圈固定，主電機轉(zhuǎn)子輸出的動力經(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)純電動模式。發(fā)動機關(guān)閉，發(fā)電機空轉(zhuǎn)，來自電池的能量通過主電機驅(qū)動車輛，車輛前進和倒車由主電機的旋轉(zhuǎn)方向控制；(2)混合動力模式。發(fā)動機的動力由前行星排分成兩路，一路經(jīng)其齒圈、第二軸直接驅(qū)動車輛，另一路由發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)電機控制器變頻后，再由主電機驅(qū)動車輛；(3)能量回饋模式。制動減速時，車輪帶動第二軸運轉(zhuǎn)，經(jīng)后行星排驅(qū)動主電機發(fā)電，對動力電池充電；(4)停車充電模式。停車時前行星排的齒圈靜止，發(fā)動機通過前行星排帶動發(fā)電機發(fā)電，對電池動力充電；(5)電網(wǎng)充電模式。非運營時，可以通過充電樁對動力電池充電[2]。

2 控制策略模型

CHS混合動力客車整車控制策略主要用于發(fā)動機、主電機、發(fā)電機、動力電池、行星齒輪等部件的協(xié)調(diào)控制。所建模型主要包括3個部分：輸入部分、多動力源動力分配控制模塊、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、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、實際車速、制動踏板信號、電池荷電狀態(tài)、主電機轉(zhuǎn)速、主電機扭矩、發(fā)動機扭矩、電池電壓、電池電流、主電機工作電壓、主電機工作電流、發(fā)電機工作電壓、發(fā)電機工作電流、發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速、發(fā)電機實際扭矩、電池的實際溫度、主電機實際溫度、發(fā)電機實際溫度、CRUISE實時控制。將這21個參數(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)動機、主電機、發(fā)電機、電池等。上述定義的輸入變量均是實車實時控制需要的輸入量，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)一了不同混合動力汽車整車控制策略的輸入端，為混合動力汽車開發(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。

2.2 多能源動力分配模塊

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

多能源動力總成的動力分配控制從轉(zhuǎn)矩分配、發(fā)動機啟停控制、再生制動、混合動力控制、純電動、故障診斷控制等6個內(nèi)容展開。

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

再生制動。當(dāng)駕駛員踏下制動踏板時，整車進入制動工況，根據(jù)制動情況，CHS總成中的主電機適時參與制動回收能量和滑行制動。根據(jù)制動踏板強度的不同，電機制動強度也不同。滑行制動模式：當(dāng)駕駛員油門踏板為零，制動踏板也為零，并且車速在20 km/h以上的時候，車輛進行滑行制動模式，電機轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化查表而變化。再生制動模式:當(dāng)駕駛員踏下制動踏板時，當(dāng)開度大于5%的時候，電機的再生制動隨著制動踏板和電機轉(zhuǎn)速查表確定。

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

發(fā)動機啟停控制。當(dāng)油門信號大于一定值或者對應(yīng)的功率需求大于當(dāng)前電池組最大允許放電功率時，發(fā)動機立即啟動參與功率輸出，當(dāng)剎車踏板踩下并持續(xù)數(shù)秒后允許發(fā)動機停止工作。當(dāng)電動機或者發(fā)電機溫度過高的時候，停止發(fā)動機工作。

純電動控制。當(dāng)整車擋位處于前進擋,同時不滿足發(fā)動機的啟動條件時，系統(tǒng)采用純電動輸出。

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)動機、主電機、發(fā)電機的開關(guān)及負荷信號，整車工作模式及離合器狀態(tài)信號，變速器要求擋位和換擋標(biāo)識等信號。發(fā)動機的負荷信號、電機的負荷信號、整車的工作模式、主電機的開關(guān)、發(fā)動機的開關(guān)、發(fā)電機的開關(guān)、發(fā)電機的負荷信號、要求擋位等參數(shù)定義的輸出變量主要用來對動力源進行控制，即對發(fā)動機、電機(主、發(fā)電機)的開關(guān)和負荷信號進行控制。這種定義也統(tǒng)一了不同混合動力汽車整車控制策略的輸出端，為混合動力汽車開發(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。

3 混合動力客車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)動機模型

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

3.3 主電機模型

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

表2 主電機基本參數(shù)

3.4 發(fā)電機模型

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

表3 發(fā)電機基本參數(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 制動器模型

制動器模型基本參數(shù)如表5所示。

表5 制動器基本參數(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)、車輪滾動阻力系數(shù)等。

表6 車輪基本參數(shù)

4 混合動力客車仿真性能分析

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

4.1 經(jīng)濟性仿真結(jié)果

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

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

4.2 動力性仿真結(jié)果

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

4.3 實車試驗結(jié)果

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

5 結(jié)束語

通過建模，對搭載CHS混合動力系統(tǒng)的城市公交客車進行建模仿真，通過對動力性和經(jīng)濟性的計算分析和試驗結(jié)果對比，表明所建模型具有較好的預(yù)測效果，對于具體的開發(fā)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

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

【2】趙航，史廣奎，王仁廣，等.車輛用混合動力控制系統(tǒng)：中國,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。