串聯(lián)式混合動(dòng)力客車控制策略研究

房亮　王新　李晶華

【摘 要】城市公交車在運(yùn)行過程中長時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅降低了燃油的經(jīng)濟(jì)性還對城市環(huán)境造成了污染。本文針對串聯(lián)式混合動(dòng)力客車的控制策略進(jìn)行了深入的研究，基于ADVISOR仿真平臺(tái)對比分析了不同控制策略對車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響，確定了最優(yōu)控制策略。

【關(guān)鍵詞】混合動(dòng)力客車；控制策略；優(yōu)化仿真

0 前言

與純電動(dòng)汽車相比，混合動(dòng)力汽車減少了對蓄電池組的依賴程度。從而可以大大突破蓄電池組儲(chǔ)能量、電池成本，充電配套設(shè)施等瓶頸問題，更有利于市場推廣和使用。而且，串混合動(dòng)力車輛可以最大限度的保留原車結(jié)構(gòu)，在原車基礎(chǔ)上加裝電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池組。由于混合動(dòng)力車輛對電池組的依賴性較低，這樣可以減小電池組的使用規(guī)模，混合動(dòng)力車輛空調(diào)、照明、多媒體系統(tǒng)等仍由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化供給，對其性能要求均可適當(dāng)降低，節(jié)約了制造成本，降低了生產(chǎn)工藝要求。另外混合動(dòng)力車輛無續(xù)駛里程和充電站建設(shè)等因素限制，這樣更有利于推廣和普及[1]。

串聯(lián)式混合動(dòng)力客車（以下簡稱SHEB）結(jié)構(gòu)與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)和混聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性相連，直接驅(qū)動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組與蓄電池及電動(dòng)機(jī)間采用電氣連接。這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不受車輛運(yùn)行工況的影響，可以工作在高效率區(qū)域，大大降低了油耗。同時(shí)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為蓄電池組的電能有一定的能量損失，但由于城市路況中客車行駛速度低、長時(shí)間怠速，故可以大大抵消此部分損失的能量，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，串聯(lián)式機(jī)構(gòu)中蓄電池組尺寸較大，但將其應(yīng)用在城市客車中，可以忽略此影響。如果可以設(shè)計(jì)插電模式，將可以進(jìn)一步降低油耗。

1 控制策略分析

混合動(dòng)力車輛研發(fā)的主要目的是在保證車輛動(dòng)力性能的同時(shí)，最大限度的降低油耗，減少排放。為達(dá)到此目標(biāo)可以從兩方面進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)：一是，混合動(dòng)力部件中發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池等的匹配優(yōu)化；二是，控制策略的研發(fā)設(shè)計(jì)。

控制策略的設(shè)計(jì)是混合動(dòng)力車輛研發(fā)的核心環(huán)節(jié)，通過混合動(dòng)力車輛的控制策略可以控制各部件之間的能量流動(dòng)方向。優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略，使各部件協(xié)調(diào)工作，可以大大提高整車的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

為了保證混合動(dòng)力車輛動(dòng)力性，兼顧生產(chǎn)成本、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放等方面，在SHEB控制策略制定時(shí)應(yīng)考慮以下問題：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間優(yōu)化。由于發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組與電動(dòng)機(jī)之間為電氣連接，動(dòng)力系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況的影響小，這樣可使發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳工作點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)，從而可以降低油耗和排放。

（2）減少發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩波動(dòng)。由于在SHEB動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的相對獨(dú)立，可以在滿足車輛功率需求的前提下，盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的工況波動(dòng)，避免在整個(gè)負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)增加油耗，降低使用壽命。

（3）設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度下限。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度過低時(shí)，會(huì)增加車輛油耗，可以通過關(guān)閉發(fā)電機(jī)改善排放。

（4）設(shè)置動(dòng)力電池SOC下限值。通過設(shè)置SOC下限值可以保證整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在任意時(shí)刻均能保證充沛的動(dòng)力。

（5）設(shè)置動(dòng)力電池SOC下限值。為了防止車輛在再生自動(dòng)時(shí)，由于能量的回收造成動(dòng)力電池的過壓現(xiàn)象應(yīng)設(shè)置SOC上限。

（6）減少動(dòng)力電池SOC波動(dòng)。較大的SOC波動(dòng)會(huì)大大減低動(dòng)力電池的使用壽命，電池工作時(shí)最好淺充淺放。

（7）盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)會(huì)減低經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致排放惡劣。

混合動(dòng)力車輛的控制策略主要分為穩(wěn)態(tài)管理策略和動(dòng)態(tài)控制策略。目前，穩(wěn)態(tài)管理策略應(yīng)用較為集中，通過設(shè)置系統(tǒng)的能量流向和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，優(yōu)化控制結(jié)果。穩(wěn)態(tài)管理策略包括優(yōu)化算法控制、模糊邏輯控制和邏輯門限控制三種。前兩種為實(shí)時(shí)控制方式，因在控制過程中需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控車輛發(fā)動(dòng)機(jī)最佳油耗和排放點(diǎn)，需要高速可靠的信號(hào)采集處理系統(tǒng)，分析大量的數(shù)據(jù)。而邏輯門限控制方式通過設(shè)置門限值，使SHEB中各部件工作在最優(yōu)工作區(qū)域。邏輯門限控制方式主要包括：恒溫器控制策略、功率跟隨控制策略和前兩種相結(jié)合的綜合控制策略[2]。

1.1 恒溫器控制策略

具體控制方式描述如下：

（1）當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC小于CS_LO_SOC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并向動(dòng)力電池充電；

（2）當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC大于CS_HI_SOC時(shí)，立即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC介于二者之間時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不變；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)Pfc=CONST。

此種控制策略中，SOC為唯一門限值。發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳工作點(diǎn)，排放性能最好，但SOC波動(dòng)較大，對動(dòng)力電池的壽命會(huì)有影響。

1.2 功率跟隨控制策略

功率跟隨控制策略是指發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功率輸出時(shí)刻跟隨車輛的功率需求，具體控制策略如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其輸出功率要隨著動(dòng)力電池荷電量SOC進(jìn)行調(diào)節(jié)，使SOC保持在（CS_HI_SOC+ CS_LO_SOC）/2附近；

（2）當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC大于CS_HI_SOC時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC小于CS_HI_SOC，且車輛需求功率Pb小于蓄電池可輸出功率Pess時(shí)，停止發(fā)動(dòng)機(jī)；Pb大于Pess時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；

（4）當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC小于CS_LO_SOC，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；

（5）其他工況發(fā)動(dòng)機(jī)保持原狀態(tài)不變。

此種控制策略動(dòng)力電池荷電量波動(dòng)最小，大大延長了電池的使用壽命。但發(fā)動(dòng)機(jī)需要在整個(gè)負(fù)荷區(qū)間工作，其排放性能大大降低，同時(shí)油耗急劇上升。而且由于發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁起停也增加了動(dòng)力系統(tǒng)的故障率[3]。

1.3 綜合控制策略

圖1 綜合控制策略endprint

以上兩種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了充分利用兩種控制策略的優(yōu)勢，制定了綜合控制策略。綜合控制策略控制方式采用功率跟隨策略為主，兼顧恒溫器策略[4]。該策略可以使發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池高效運(yùn)行，提升了整體效率，綜合控制策略如圖1所示。此種控制模式下發(fā)動(dòng)機(jī)并非工作在最佳工作點(diǎn)，也沒有工作在整個(gè)負(fù)荷區(qū)間，而是工作在最優(yōu)工作曲線上。

2 控制策略建模

為了滿足SHEB動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的要求，現(xiàn)對SHEB的三種控制策略基于MATLAB_SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行建模。

圖2為恒溫器式控制模型，其中1部分實(shí)現(xiàn)功能為：當(dāng)動(dòng)力電池荷電量SOC低于下限值時(shí)打開發(fā)動(dòng)機(jī)；2部分實(shí)現(xiàn)功能為：當(dāng)荷電量SOC高于下限值而低于上限值時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)SOC超過上限值時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；3部分可實(shí)現(xiàn)令發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)位置的功能[5]。

對于綜合控制策略的模型，我們主要通過在功率跟隨模型的基礎(chǔ)上，修改M文件獲得。

3 仿真分析

對于同一SHEB車輛，不同的控制策略會(huì)對整車的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放等產(chǎn)生直接影響。接下來，我們借助ADVISOR仿真環(huán)境分析同一SHEB在三種不同的控制策略下對車輛性能的影響。首先將匹配計(jì)算的SHEB各部件參數(shù)（見表1）輸入到ADVISOR仿真環(huán)境中。工況選擇CYC_ UDDS城市路況，循環(huán)次數(shù)為3。

通過ADVISOR軟件進(jìn)行仿真，不同的控制策略對應(yīng)的動(dòng)力電池荷電量SOC變化如圖4所示。

4 結(jié)論

通過對三種控制策略的仿真分析，可以得出：三種控制策略與傳統(tǒng)客車相比均可大大降低油耗；其中恒溫器式控制由于發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最高效工作點(diǎn)故燃油經(jīng)濟(jì)性能最具優(yōu)勢，但動(dòng)力蓄電池荷電量SOC波動(dòng)幅度最大，大大降低了動(dòng)力蓄電池的使用壽命；功率跟隨控制方式中SOC波動(dòng)幅度最小，但此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足功率需求需要工作在整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)，耗油量大，排放惡劣；綜合控制策略結(jié)合了以上兩種控制策略的優(yōu)點(diǎn)，平衡了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，大大延長了SHEB動(dòng)力系統(tǒng)的使用壽命，為SHEB的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了最優(yōu)解決方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳清泉，孫逢春.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002：1-2.

[2]高燕.串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車參數(shù)匹配與控制策略研究[D].山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007.endprint