電動公交客車用增程器控制策略試驗研究*

嚴海波　樓狄明　　徐寧　張孟超（-上海汽車集團乘用車有限公司上海0804-同濟大學汽車學院）

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電動公交客車用增程器控制策略試驗研究*

嚴海波1樓狄明2徐寧2張孟超2
（1-上海汽車集團乘用車有限公司上海2018042-同濟大學汽車學院）

基于某增程式電動城市公交客車，進行了柴電增程器工作路徑及控制策略設計，并通過搭建的專用試驗系統，重點進行了增程器控制策略中發動機功率上升和下降速度限值對發動機動力跟隨特性、油耗和排放的試驗研究。結果表明：當增程器發動機功率下降速度限值較大時，減速減載過程中，會出現較明顯的發動機轉速超調及震蕩。綜合考慮制動能回收余量和增程器噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）性能，最大功率下降速度限值定為較小的-8 kW/s。隨著增程器發動機功率上升速度限值的增大，中國典型道路循環（CCBC）下發動機輸出的能量增加，可以減少電池的充放電，而循環比油耗基本不變，但循環超細顆粒排放比數量和比質量都會顯著增加，循環NOx比排放也有所增加。考慮到增程式電動公交車每日都將出現增程模式，為保證電池壽命，同時避免排放增加太多，選擇功率上升速度限值為1 kW/s。

增程器控制策略功率上升速度功率下降速度

引言

增程式電動公交客車有動力電池和增程器兩個能量來源，可以在保證續駛里程的前提下，減少動力電池的使用，增程式電動系統向純電動系統過渡是一種理想的技術路線［1］。

增程式電動公交客車中增程器控制策略的好壞直接影響到整車性能。增程器控制策略主要有兩大類［2-4］：一是基于規則的控制策略，二是基于優化的智能算法控制策略。其中智能算法需要處理器具有較強的計算能力，可靠性較差，因而沒有得到推廣。基于規則的控制策略主要包括開關式和功率跟隨兩種。開關式控制策略下，增程器起動后發動機恒定地輸出功率，排放和燃油消耗較低，但對電池壽命損傷大。功率跟隨控制策略根據動力電池的狀態及整車需求功率來確定增程器功率輸出，增程器輸出功率大部分可以直接傳給驅動電機減少電池充放電過程，避免能量多級轉換，并提高電池的壽命，但由于工作過程發動機不斷進行工況切換，發動機的燃油消耗和排放會增加。

面對每日都存在較大比例增程模式的增程城市電動公交用增程器，本文選用了功率跟隨控制策略。并重點對功率跟隨控制策略中不同功率上升速度和下降速度對油耗和排放的影響進行了試驗研究。

1　增程器工作路徑及控制策略確定［5］

根據所匹配12 m長公交車整車功率需求，進行了增程器匹配。增程器所匹配發動機為某排量1.9 L的渦輪增壓直噴柴油機，額定功率為72 kW。

1.1増程器工作路徑確定

圖1所示為綜合發動機與發電機效率后的増程器的燃油消耗率及初選的功率跟隨控制策略下的最佳燃油消耗曲線。

圖1增程器燃油效率及最佳燃油消耗曲線

圖2、圖3所示分別為增程器的NOx比質量排放和超細顆粒比數量排放。通過合理設置增程器工作路徑的起點有效地避開了NOx比排放嚴重區域，而最佳燃油消耗線的終點所處區域顆粒排放較為嚴重，且增程器工作在終點的時間較長，對整個循環的排放影響較大，所以需要將最佳燃油消耗線往下調整，最終得到增程器工作路徑。

圖2　NOx排放特性

圖3　超細顆粒排放特性

増程器工作路徑最大功率輸出點選擇較佳燃油消耗點，需滿足動力性對電功率的需求，同時不能超過電池最大充放電倍率限制，最終確定其對應增程器的發動機功率為46 kW。

1.2増程器控制策略

當電池荷電狀態（SOC）低于設定的下限值后，增程器起動后迅速切換到工作路徑的起點進行暖機［6］并等待。當動力電池SOC高于設定上限值，增程器回到怠速并怠速一段時間進行冷機后再停機。暖機結束后，増程器發動機輸出功率將跟隨驅動電機需求功率。當驅動電機需求功率大于46 kW時，增程器發動機輸出功率為46 kW，當驅動電機需求功率小于26 kW時，增程器發動機輸出功率為26 kW，當驅動電機需求功率介于26 kW～46 kW時，增程器發動機輸出功率為跟隨驅動電機需求功率。

2　試驗設備及方法

基于瞬態測功機搭建了增程器發動機瞬態過程模擬測試臺架，通過上位機進行增程器發動機功率輸出控制，通過控制發動機電子油門輸入來控制增程器轉速，對電力測功機施加扭矩指令。利用TSI EEPS 3090進行超細顆粒排放分析，利用Horiba OBS 2000進行氣態排放物NOx的分析，測試系統示意圖如圖4所示。

圖4　增程器發動機測試系統示意圖

3　試驗結果及分析

3.1增程器發動機跟隨特性

圖5所示為增程器發動機動力跟隨情況。從圖中可見，發動機實際轉速、轉矩與仿真的目標基本相同，但是在功率上升和下降過程中均有轉速超調現象。圖6所示為驅動電機需求功率與増程器發動機實際輸出功率對比圖。

圖5　發動機實際動力跟隨情況

由圖6可見，當驅動電機需求功率介于26 kW與46 kW時，増程器發動機輸出功率能很好地跟隨整車需求功率。

圖7所示為實際工作過程發動機工作點分布。由圖可見，發動機工作點有部分遠離工作路徑。這是因為發動機輸出功率迅速提高或者降低過程產生轉速超調，將導致發動機排放惡化，油耗增加，因此需對發動機功率變化速度進行限制。重點針對發動機在常用最小功率輸出點和最大功率工況點切換過程中的功率變化速度限值對發動機跟隨特性、燃油經濟性和排放特性進行了研究。

圖6　整車驅動電機需求功率與發動機輸出功率

圖7　實際過程增程器工況點分布

3.2發動機減速減載過程

圖8所示為不同功率下降速度限值下發動機動力跟隨情況。從圖8可見，當功率下降速度為-4 kW/s的時候，發動機的實際轉速、轉矩及功率都能很好地跟隨其對應的目標值，但是功率下降過程需要5 s。當功率下降速度為-6 kW/s時，實際轉速有小幅超調，實際轉矩對目標轉矩的跟隨情況較好。當功率下降速度為-8 kW/s時，實際轉速有小幅超調，實際轉矩對目標轉矩的跟隨情況一般。當功率下降速度為-10 kW/s時，實際轉速有較大幅度的超調，轉速震蕩也較嚴重，實際轉矩的跟隨較差。可見，功率下降速度限值越大，盡管為制動能量回收提供了更大的空間，但是轉速超調情況也會越嚴重，發動機壽命和整車NVH性能將會下降。綜合考慮，增程器發動機功率下降速度限值定為-8 kW/s。

圖8　不同功率下降速度限值下發動機動力跟隨情況

圖9　不同功率上升速度限值下發動機動力跟隨情況

3.3發動機加速加載試驗

以增程器發動機-8 kW/s的最大功率下降速度限值為基礎，研究了中國典型道路工況循環（CCBC）下功率上升速度限值對發動機跟隨、油耗和排放特性的影響。圖9所示為不同功率上升速度限值下發動機的實際狀態與目標需求的對比。由圖可見，功率上升速度限值為0.5 kW/s，1 kW/s，2 kW/s時，加速加載過程中均沒有發生明顯的轉速、轉矩超調和震蕩，動力跟隨特性都較好。

圖10和11所示分別為不同功率上升速度限值下對應的發動機的燃油消耗率及發動機工作點的時間分布。

圖10　不同功率上升速度下發動機的實際功率與油耗

圖11　不同功率上升速度下發動機工作點時間分布

從圖11中可以看出，隨著功率上升速度限值的增加，發動機更長時間地工作在46 kW的工作點上。26 kW和46 kW工作點的燃油消耗率分別為220 g/（kW·h）和210 g/（kW·h），即使有33.3%的點工作在最高功率點上，其循環比油耗為216.5 g/（kW·h），即使全部時間工作在最低功率點上，其循環油耗為220 g/（kW·h）。可見，不同功率上升速度對循環油耗影響不大，如表1所示。

表1　不同功率上升速度下CCBC循環的比油耗

圖12所示為不同轉速和空燃比下發動機超細顆粒排放數量濃度與質量濃度。由圖12可知，空燃比在25左右時，超細顆粒排放數量濃度和質量濃度最低。當負荷增加空燃比小于25時，缸內燃燒狀況惡化，高溫缺氧區域增加，超細顆粒排放數量濃度和質量濃度呈指數級快速增長。當負荷減小空燃比大于25時，隨著空燃比的增加，超細顆粒排放數量濃度略有增加，質量濃度略有減小，這主要是因為顆粒聚并作用減弱，且氧化作用增強引起的［7］。

圖12不同轉速和空燃比下發動機超細顆粒排放數量濃度與質量濃度

圖13是不同功率上升速度限值下對應的發動機空燃比及超細顆粒排放數量濃度。從圖中可以看出，在加速加載過程，由于進氣滯后［8］，而噴油無滯后，空燃比明顯減小，導致超細顆粒排放數量濃度增加，出現峰值，且功率上升速度越大，峰值越大。

圖13不同功率上升速度限值下超細顆粒排放數量濃度

圖14所示為不同功率上升速度限值下對應的超細顆粒排放質量濃度。由圖可見，在發動機加速加載過程也出現顆粒質量濃度的峰值，且該峰值隨著功率上升速度的增加而增加。質量濃度峰值比其他工況點下的質量濃度大4個數量級。同樣地，發動機瞬變過程中的尾氣顆粒質量濃度峰值是由過低空燃比引起的。

表2所示為不同功率上升速度限值下對應循環超細顆粒排放比數量和比質量。從表中可以看出，循環超細顆粒排放比數量和比質量遠高于穩態插值結果，這主要是因為功率上升速度較大時，易出現由于進氣滯后引起的空燃比谷值。隨著功率上升速度的增加，都顯著增加。

圖14　不同功率上升速度限值下的超細顆粒質量濃度

表2　不同功率上升速度限值下循環超細顆粒排放

圖15所示為不同功率上升速度限值下的NOx排放體積濃度。由圖可知，當空燃比在25左右，NOx體積濃度達到峰值，當負荷增加導致缸內空燃比小于25時，缺氧導致NOx體積排放急劇減小，而當負荷減小導致缸內空燃比大于25時，缸內溫度降低導致NOx體積排放也逐漸減小。相同空燃比下，隨著轉速的增加，NOx排放體積濃度降低，這是由于轉速增加后，NOx生成反應時間縮短。

圖15不同轉速和空燃比下NOx體積分數

圖16所示為不同功率上升速度限值下對應的NOx排放體積分數。從圖中可以看出，當發動機處于加速加載中，會出現NOx排放谷值，且功率上升速度越小，谷值持續時間越長。這主要是因為增程器工作路徑經過了NOx排放較低的區域，如圖2所示，功率上升速度越小，在該區域停留的時間越長，故而谷值持續時間越長。

圖16　不同功率上升速度限值下的NOx排放體積分數

表3所示為不同功率上升速度限值下對應循環NOx比排放。由表可見，NOx比排放低于穩態插值結果，這主要是因為瞬態過程空燃比出現谷值以及溫度上升滯后導致高溫富氧區域減少引起的［8］。隨著功率上升速度的增加，NOx比排放逐漸增加。這主要是因為功率上升速度越快，發動機停留在工作路徑中NOx低排放區域時間越短。

考慮到增程式電動公交車每日都將出現增程模式，為了最大限度地延長電池使用壽命，又同時能避免柴油機主要的超細顆粒及NOx排放增加太多，選擇功率上升速度限值為1 kW/s。

表3　不同功率上升速度限值下NOx排放

4　結論

1）當增程器發動機功率下降速度限值較大時，減速減載過程中，會出現較明顯的發動機轉速超調的震蕩。綜合考慮制動余量和增程器NVH，最大功率下降速度限值定為-8 kW/s。

2）隨著增程器發動機功率上升速度限值的增大，循環工況下發動機輸出的能量增加，可以減少電池的充放電，且比油耗基本不變，但超細顆粒排放比數量和比質量都會顯著增加，NOx比排放也有所增加。

3）考慮到增程式電動公交車每日都將出現增程模式，為保證電池壽命，同時避免排放增加太多，選擇功率上升速度限值為1 kW/s。

1Maradona R.，Steve K.，Dan S.，et al.Advanced energy management strategies for range extended electric vehicle［C］.SAE Paper 2015-26-0121

2朱武喜，孫立清.增程式電動公交客車控制策略研究［J］.汽車技術，2013（4）：1-5

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5林浩強.增程式電動客車增程器能量管理策略及發動機瞬態性能研究［D］.上海：同濟大學，2016

6曹桂軍，閆鳳軍，李雪峰，等.串聯式混合動力客車輔助功率單元控制研究［J］.汽車工程，2007，29（4）：321-324

7樓狄明，徐寧，范文佳，等.國Ⅴ柴油機燃用丁醇-柴油混合燃料顆粒粒徑分布特性試驗研究［J］.環境科學，2014，35（2）：526-532

8Rakopoulos C D，Dimaratos A M，Giakoumis E G，et al.Exhaust emissions estimation during transient turbocharged diesel engine operation using a two-zone combustion model［J］.International Journal of Vehicle Design，2009，49（1/2/3）：125-149

Experimental Research on Control Strategy of Range-extender for Electric Bus

Yan Haibo1，Lou Diming2，Xu Ning2，Zhang Mengchao2

1-SAIC Motor Passenger Vehide Company（Shanghai，201804，China）2-School of Automotive Studies，Tongji University

Based on a range-extended electric city bus，working path and control strategy of a diesel engine powered range-extender are designed.Then with the help of a dedicated test system，experimental study on engine dynamic following，fuel consumption and emissions characteristics caused by different engine power rising and falling rate limits are carried out.The results showed：if the range extender engine power falling rate limit is too large，engine speed is more likely to overshoot and shock during process of speed and load decreasing.Taken regenerative braking and NVH all into account，the maximum speed limit is set as-8 kW/s.With the range extender engine power rising rate limit increasing，during CCBC，the energy output from engine increases which can reduce battery charging and discharging，and the specific fuel consumption hardly changes，but number and quality of ultrafine particulate emission increase significantly，and NOx emission ratio also increases.For range-extended electric buses，who have almost daily extended-range mode，in order to ensure the battery life with emissions increasing not too much，power rising rate limit of 1 kW/s is selected.

Range-extender，Control strategy，Power rising rate limit，Power falling rate limit

U472.7

A

2095-8234（2016）04-0001-07

2016-05-05）

國家科技支撐計劃（2014BAG06B01）。

嚴海波（1978-），男，工程師，碩士，主要研究方向為新能源汽車動力系統控制策略優化。