蓄電池公交車電液并聯混合動力系統設計與能量管理*

劉桓龍，陳冠鵬，王家為

(1. 西南交通大學，先進驅動節能技術教育部工程研究中心，成都 610031；2. 西南交通大學機械工程學院，成都 610031)

前言

隨著科技水平的不斷提升，汽車保有量逐年增加，能源問題日益嚴峻[1]。為避免燃油消耗引起的環境污染，提高能源利用率，發展新能源動力技術成為研究重點，以電動和混動汽車為代表的新能源車輛應運而生。然而，受制于動力電池技術等問題，純電動汽車在城市工況下的運行效率不高，續駛里程及蓄電池壽命較短，嚴重限制其推廣和普及[2]。

液壓系統具有功率密度大、無級調速簡單、能量回收迅速等優點，在重型車輛和市政工程車輛等應用廣泛[3]。基于液壓再生/無摩擦制動維持下坡速度穩定同時回收制動能量的系統工作模式，可有效提升重型車輛的行駛安全性[4]。根據車輛實時行駛狀態，加速時通過釋放回收至高壓蓄能器的制動能量，可提高動力系統綜合能量利用效率[5－6]。

對電動車輛而言，蓄電池的工作狀態是制約整車續駛里程和使用壽命的重要因素[7－8]。由于車輛在起步和加速時電機處于大轉矩輸出狀態[9]，通過將單一動力源車輛改為復合動力源[10]，以系統能量消耗最小等作為控制目標，制定相應的管理策略，控制系統協調工作，可有效改善這一現狀，提升蓄電池壽命及續航里程。對復合動力源車輛而言，如何使各動力源協同高效運行是提升系統性能的主要因素，因此需要對切換系統工作模式、調節電機工作狀態和相應能量管理策略進行深入研究[11－12]。

目前多數研究成果主要圍繞油液混合動力構型，研究車輛燃油經濟性及動力性能改善情況。因電液混合動力與油液混合動力存在諸多差異，有必要對電液混動系統特性進行研究。城市公交車起停頻繁，低速和高速時動力元件工作狀態不同，在運行工況、操控性等方面與工程車輛存在差異。鮮有文獻基于切換動力模式調節電機工作點分布對減少能耗和改善蓄電池工作環境進行研究，針對動力系統低速驅動效率低等現象進行動力系統重新設計。

本文中以某蓄電池公交車為原型，提出了新型雙軸電液并聯混合動力系統。根據車速及駕駛員意圖等行駛場景的變化，在能量管理策略的控制下切換不同工作模式，使動力系統盡可能工作于高效區域，減小車輛起步及加速過程引起的轉矩沖擊，保護蓄電池，延長續駛里程。

1 電液混合動力系統

1.1 系統原理

雙軸電液并聯混合動力系統構成如圖1 所示。

圖1 混合動力系統原理

考慮到蓄電池公交車在城市道路工況下運行時的頻繁起停及低速重載特性，起步和加速時的峰值轉矩需求較大，且電機較多工作于低效區域，能量利用效率低。基于液壓驅動系統輸出轉矩大、調速范圍廣且純電動力系統加速性能好、高速驅動效率高等優點，在原車底盤改動最小化前提下，在前軸加入液壓動力系統構成雙軸電液并聯混合動力系統，根據車輛實時行駛場景變化切換不同工作模式，調節電機工作狀態，實現動力系統高效運行，提高系統綜合能量利用效率。

1.2 系統工作模式

所設計的電液混合動力系統對應于不同行駛場景下的工作模式如圖2 所示。

圖2 系統驅動模式

為防止車輛起步時電機峰值轉矩輸出對蓄電池的不利影響，起步時關閉電機，液壓動力系統提供全部動力，根據蓄能器壓力與加速信號確定液壓泵/馬達排量，功率流如圖2(a)所示。達到指定車速后空載起動電機，可避免蓄電池強電流放電。

正常行駛時，系統工作于純電模式，電機驅動效率較高。加速時，為避免電機轉矩沖擊，由加速信號與蓄能器壓力確定液壓泵/馬達排量，與電機共同提供行駛所需動力，功率流如圖2(b)所示。

基于液壓系統功率密度高、能量回收迅速等優點，制動時液壓泵/馬達工作于泵工況回收能量，根據制動強度及蓄能器壓力等確定液壓泵/馬達排量，動態提供制動轉矩，減少機械制動裝置發熱和磨損，保障行車安全[13]，功率流如圖2(c)所示。

車輛需求轉矩較小時，電機工作點效率低，為保證液壓系統的動力輸出連續性，控制液壓泵/馬達在車軸驅動下向高壓蓄能器平行充液，調節電機工作點效率的同時將富余電能轉化為液壓能，提高系統能量利用率，功率流如圖2(d)所示。

2 系統模型

2.1 車輛動力學

本文中以成都市區運行的某蓄電池公交車為對象展開研究，其整車參數見表1。

表1 電動公交車整車參數

車輛在平直道路和坡道上行駛時須克服來自道路的多重阻力，計算公式如下:

滾動阻力Ff計算如下:

式中:Cr為車輛滾動阻力系數；m為公交車滿載質量；α為坡度。

空氣阻力Fw滿足:

式中:Cd為風阻系數；A為迎風面積；v為車速。

坡道阻力Fi計算如下:

慣性阻力Fj滿足:

式中δ為車輛旋轉質量換算系數，取值1.2。

車輛行駛時的負載轉矩滿足:

式中R為車輪半徑。

2.2 液壓元件參數匹配

所設計的電液混合動力系統要求液壓動力系統能獨立提供車輛行駛所需全部動力。考慮公交車底盤空間限制，液壓系統所占體積不宜過大，選取液壓動力系統減速器減速比i為9.5，液壓系統最高工作壓力為35 MPa。

液壓泵/馬達輸出轉矩滿足:

式中:Tm為液壓泵/馬達輸出轉矩；Δp為壓力差；Vm為排量；ηmt為液壓泵/馬達機械效率，取值0.85。

高壓蓄能器作為液壓儲能元件，其關鍵參數的選取直接影響電液混合動力系統的動力和經濟特性。最高工作壓力、最低工作壓力和充氣壓力可由下述經驗公式確定:

根據Boyle－Mariotte 定律，對于理想氣體而言，蓄能器應滿足下列方程:

式中:p0、p1、p2分別為充氣壓力、最低壓力、最高壓力；Vi為其對應體積；n為氣體多變指數，取值1.4。

蓄能器在制動時可回收的最大能量Ereg滿足:

蓄能器容量應滿足回收典型循環工況或巡航車速下平均制動能量Eavg的需求[14]，即

液壓系統最低工作壓力應可提供車輛制動強度為0.1 時所需全部制動力，即

根據上述分析，液壓系統主要參數見表2。

表2 液壓系統參數

2.3 蓄電池及電機數學模型

大電流放電是影響蓄電池壽命的主要因素[7]，蓄電池作為電動車輛整車動力源，其放電電壓、電流和功率PB的關系[3]為

式中:U為蓄電池端電壓；I為放電電流；ηB為蓄電池放電效率。

電機輸出功率PE為

式中:T為電機轉矩；n為電機轉速，ηe為電機效率。

因此，蓄電池放電電流I為

車輛在起步和加速時頻繁發生轉矩沖擊現象，從而使蓄電池處于大電流放電狀態，且蓄電池容量與放電電流正相關。由式(15)可知，當轉速一定時，減小轉矩沖擊或改善電機工作點效率可減小蓄電池電流，提高能量利用率，延長壽命和續航。

3 仿真模型與結果分析

3.1 仿真模型

基于動力系統原理和表1 與表2 的整車及動力元件參數，在 AMESim 與 Simulink－stateflow 軟件內搭建動力系統和控制模型，對不同工作模式的系統特性進行分析，模型結構如圖3 所示。

圖3 仿真模型

3.2 基于規則的動態優化能量管理策略

能量管理策略是實現混合動力系統性能的重要因素，目前應用于混合動力系統的能量管理策略主要以基于規則、全局優化和瞬時優化為主，其中基于規則的控制策略應用最為廣泛。結合stateflow 軟件在設定規則下控制系統工作模式切換方面的優勢，為有效提升電液混合動力系統的能量管理特性，本文中制定了基于規則的動態優化能量管理策略，以元件參數及駕駛員意圖等作為模式切換及轉矩分配依據，控制組件協同工作，如圖4 所示。

車輛運行時，通過采集當前車速v、駕駛員發出的加速信號ACC 及制動信號BR和高壓蓄能器壓力p等系統參數，可判斷車輛目前所處運行狀態(起步、加速、勻速、制動)。驅動工況下，主控制器通過加速信號ACC 判斷電機是否位于高效區域。若電機輸出轉矩過大，峰值轉矩引起的蓄電池大電流放電會危害其使用壽命，此時保持電機輸出轉矩盡可能不增加，由當前蓄能器壓力及需求轉矩確定液壓泵/馬達的工作排量，電機和液壓泵/馬達共同提供動力；若電機輸出轉矩較小，則其工作點效率較低，能量利用情況差，此時混合動力系統進入平行充液模式，改善電機工作點分布情況。

圖4 基于規則的動態優化能量策略

當車輛以速度v勻速行駛且系統處于平行充液模式時，假設當前車輛需求轉矩為T1，高壓蓄能器初始壓力為p，當前壓力為p′，進入平行充液模式后，電機輸出轉矩T滿足:

電機轉速滿足:

式中ie為純電動力系統減速比。

因此，蓄電池當前輸出功率滿足:

液壓泵/馬達工作在泵工況時，其轉速nm滿足:

式中im為液壓動力系統減速比。

平行充液模式下液壓泵/馬達出口流量Q滿足:

式中ηmv為液壓泵/馬達容積效率。

充液體積ΔV滿足:

式中t為平行充液模式的持續時間。

平行充液結束后，高壓蓄能器的壓力p″滿足:

高壓蓄能器增加的能量E為

蓄電池消耗的能量Ee為

由上述內容可知，系統進入平行充液模式時，通過采集車輛當前車速及液壓動力系統關鍵元件參數，可將式(24)和式(25)化簡為關于時間t的函數。考慮到液壓管路的泄漏損失及機械傳動效率等因素的影響，蓄能器增加的能量略小于蓄電池消耗的能量。通過使二者盡可能相等，可確定當前行駛場景下平行充液模式的最佳持續時間，使蓄電池消耗的能量盡可能轉化為蓄能器增加的能量，保證控制策略處于動態優化狀態，提升動力系統的綜合性能。

制動工況下，系統根據駕駛員意圖、制動強度及高壓蓄能器壓力等參數實時判斷對應于當前行駛場景下的最佳制動模式。當制動強度較小時，系統處于液壓再生制動模式，液壓泵/馬達工作于泵工況提供全部制動轉矩；當制動需求轉矩較大時，在保證制動安全前提下優先進入液壓再生制動模式，機械制動裝置輔助輸出剩余部分，盡可能多回收制動能量，提高能量利用率。

3.3 CCBC 工況仿真結果分析

CCBC(Chinese city bus cycle)為中國典型城市公交車循環行駛工況，該工況基本包括了公交車在實際行駛場景下的各種工作環境，基于該工況的車輛動力及經濟性能評估更具有參考價值。本文中研究對象正是市區公共道路運行的蓄電池公交車，因此設定整車及控制模型在CCBC 循環工況下進行仿真，工況速度參數如圖5 所示。

圖5 CCBC 循環行駛工況

為便于觀察系統關鍵元件參數的動態變化規律，選取前300 s 的仿真結果進行分析，總距離為942 m，車速及液壓元件參數變化曲線如圖6 所示。

圖6 液壓主元件參數變化

由圖6(a)可知，電液混合動力模式下車速滿足要求，動力性能良好，高壓蓄能器可在加速時有效進行放液輔助并在制動時回收制動能量。電機位于低效率工作區間時，電液混合動力系統可通過液壓單獨提供動力和平行充液兩種工作模式對電機工作狀態進行調節，符合管理策略的控制需求。由圖6(b)可知:液壓泵/馬達可在加速時輔助輸出驅動轉矩，減小電機的轉矩沖擊；在減速制動時根據制動強度變化動態提供制動轉矩，減輕機械制動裝置磨損，保障行車安全。

電機輸出轉矩與工作點效率如圖7 所示。

圖7 仿真結果

由圖可知，電液混合驅動時起步所需動力全部由液壓系統提供，車輛起步后快速空載起動電機，避免起步轉矩沖擊對蓄電池的不利影響。電機輸出轉矩變化趨勢較為平緩，峰值轉矩較純電模式減小約33.8%，有效改善蓄電池工作狀態。在基于策略控制的動力模式切換下，電機工作點相比純電模式更多分布于高效區，能量利用率較高。

蓄電池SOC 變化情況如圖8 所示。

圖8 SOC 變化情況

由圖可知，電液混合驅動模式電量消耗明顯低于純電驅動。基于上述仿真結果可知，當蓄電池電量完全消耗后，電液混合動力系統總續航約261.7 km，純電動力系統總續航約200.4 km，車輛總續航增加約30.6%。考慮到現有蓄電池公交車單次充電難以滿足全天載客行駛需求，改為電液混合動力系統可有效減少工作充電次數，降低運營成本。

3.4 實際調研行駛工況仿真結果分析

在車輛設計周期內，主要基于軟件仿真等手段對所設計動力系統的綜合使用性能進行評估預測。通過建立相應的整車模型并使其在指定循環行駛工況下運行，可觀測各動力參數變化趨勢及車輛續航、油耗等指標，因此行駛工況的選取對車輛參數設計及性能評估的影響極大。

本文中對所選蓄電池公交車實地行駛狀況進行調研以提高仿真結果的參考價值，考慮公共交通車輛實際運行時可能遇到的各種場景，選取調研路線包含住宅區、學校、景區、超市、醫院和公共交通換乘點等典型場所，如圖9(a)所示。

基于圖9(a)所示行駛路線，通過速度檢測設備記錄車輛行駛過程的實時車速，對速度數據進行分析并擬合，繪制該類公交車實際循環工況曲線(見圖9(b))，工況參數如圖9(c)所示。

基于公交車實際行駛環境調研行駛工況下的仿真結果如圖10 所示。

圖9 城市公交車實際循環工況調研

圖10 實際工況下仿真結果

由圖可知，在實際調研工況下，電液混合驅動時，車輛起步所需動力全部由液壓泵/馬達提供，電機峰值轉矩相比純電驅動減小約33.0%，車輛續駛里程增加約20.0%。液壓泵/馬達根據加速或制動信號強度輔助輸出驅動或制動轉矩，通過平行充液及液壓單獨驅動兩種模式調節電機工作點分布，可顯著提高系統的綜合能量利用效率。

4 試驗驗證

為驗證所建立仿真模型及能量管理控制策略的正確性及有效性，搭建了相應的電液混合動力系統試驗平臺。電機與液壓泵及液壓泵/馬達與加載系統之間均設有轉矩轉速儀，用于檢測和實時顯示電機及負載轉矩，實現轉矩的動態調節控制。試驗臺主體結構組成如圖11 所示。

圖11 電液混合動力試驗臺

電機經液壓泵帶動液壓泵/馬達旋轉從而驅動加載系統，加載系統液壓泵在其驅動下輸出高壓油經比例溢流閥溢流至低壓回路模擬車輛負載。通過調節液壓泵的排量及進出口壓力使電機單獨驅動時的輸出轉矩與負載轉矩值相等，高壓蓄能器輔助時，直接放液驅動液壓泵/馬達并觀察電機參數變化情況即可，此過程模擬電液混合驅動。對純電驅動進行驗證時，電機同樣驅動液壓泵帶動液壓泵/馬達旋轉并驅動加載系統，通過轉矩轉速儀讀取電機當前轉矩，調節液壓泵的排量及進出口壓力可以使電機轉矩與負載轉矩相等，滿足試驗需求。

試驗時，增大負載轉矩以模擬車輛起步等大轉矩需求，此時保持電機輸出轉矩不變，液壓泵/馬達輸出剩余轉矩；減小負載轉矩以模擬電機低效工作狀態，此時控制電機在輸出所需負載轉矩的同時向高壓蓄能器充液，調節工作點效率。轉矩變化曲線如圖12 所示。

由圖可知，當負載轉矩增加時，通過高壓蓄能器放液驅動液壓泵/馬達提供輔助轉矩可以維持電機輸出轉矩穩定。因此當車輛需求轉矩較大時，通過液壓系統提供輔助動力可以減少電機轉矩沖擊，保護蓄電池。當負載轉矩減小時，控制電機在提供負載轉矩的同時向高壓蓄能器充液，可調節其工作點效率。因此當電機處于低效工作區間時，通過平行充液或液壓系統單獨工作兩種模式，可有效調節電機工作點效率，提高能量利用率。根據試驗結果可知，基于策略控制的電機工作點效率調節是影響續駛里程和蓄電池壽命的重要因素。

圖12 電機轉矩曲線

電機功率變化曲線如圖13 所示。

由圖13 可知:當負載功率增加時，通過高壓蓄能器放液驅動液壓泵/馬達提供輔助轉矩可避免電機功率突然增大；當負載功率減小時，控制電機驅動車輛的同時向高壓蓄能器充液可提升電機的輸出功率，將電機由低效工況調節至高效工況。因此需求轉矩變化時通過動態分配電機與液壓泵/馬達輸出轉矩值，可避免電機轉矩沖擊引起的蓄電池大電流放電，同時調節電機工作狀態，延長電池壽命與續航，驗證了系統設計思路和控制策略的有效性。

圖13 電機功率曲線

電機與液壓泵/馬達輸出轉矩變化如圖14 所示。

圖14 電機與液壓泵/馬達轉矩曲線

由圖可知，當負載轉矩增加時，液壓泵/馬達由高壓蓄能器驅動進行輔助，電機輸出轉矩可維持在穩定狀態。車輛加速等需求轉矩較大時，液壓泵/馬達可有效輸出輔助轉矩，在滿足動力需求的同時避免電機轉矩沖擊，保護蓄電池。

5 結論

(1)為改善車輛起步或加速時電機峰值轉矩對蓄電池的不利影響，本文中以蓄電池公交車為對象，構建雙軸電液并聯混合動力系統，通過車速及駕駛員意圖等行駛場景參數切換不同動力模式，調節電機工作狀態，提高系統綜合能量利用率。

(2)建立動力系統的數學模型，進行理論分析并匹配元件主參數。在AMESim/Simulink－stateflow中搭建整車及控制模型，基于CCBC 與實地調研工況進行聯合仿真。結果表明:電液混合動力系統可有效避免轉矩沖擊，保護蓄電池；CCBC 工況下峰值轉矩減小33.8%，續駛里程增加30.6%；實際調研工況下峰值轉矩減小33.0%，續駛里程增加20.0%。

(3)搭建試驗平臺，對電液混合動力系統的設計思路及仿真模型的正確性進行驗證，試驗結果表明系統設計思路及策略控制下調節電機工作狀態可改善電機工作點分布的可行性、正確性及有效性。系統可按預設控制策略協同工作，滿足動力需求，為后續混合動力實車配置及推廣提供技術思路。