混聯式商用車動力系統控制策略研究

【摘要】為提升某款混聯式商用車的燃油經濟性，提出了綜合考慮發動機油耗、行星排機械損失、電機發電/驅動/空轉的功率損失、控制器功率損失、機械能與電能換算關系等因素的系統綜合效率最優的發動機轉速控制策略。建立了混聯式動力系統的數學模型和控制模型，并以動力系統效率最高為目標，通過大量數據迭代獲得發動機轉速和扭矩的最優解。仿真結果表明，與基于發動機效率最優的轉速控制策略相比，動力系統綜合效率最優的轉速控制策略在循環工況下使整車油耗降低了7.9%，最后搭建混聯式動力系統臺架，驗證了控制策略的有效性，且燃油經濟性優化效果較為顯著。

關鍵詞：混聯式混合動力 Python 燃油經濟性 控制策略

中圖分類號：U462.2；U462.3" 文獻標志碼：A" DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240369

Research on the Control Strategy of the Power System for Hybrid Commercial Vehicle

Liu Nan， Zhai Meiyu， Ma Zhi， Wu Hexu， Liu Chang

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】To enhance the fuel economy of the certain series-parallel hybrid commercial vehicle， a control strategy for optimizing engine speed based on the overall system efficiency has been proposed. This strategy comprehensively considers factors such as engine fuel consumption， planetary gear set mechanical losses， power losses during motor generation/driving/idling， controller power losses， and the conversion relationship between mechanical and electrical energy. Mathematical and control models for the series-parallel hybrid powertrain system have been established， with the objective of maximizing powertrain efficiency. Through iterative analysis of vast amounts of data， optimal solutions for engine speed and torque have been obtained. Simulation results indicate that， compared to a speed control strategy based solely on optimizing engine efficiency， the proposed strategy for optimizing overall system efficiency reduces vehicle fuel consumption by 7.9% under cyclic operating conditions. Finally， a series-parallel hybrid powertrain test bench is set up to verify the effectiveness of the control strategy， and the optimization effect on fuel economy is found to be significant.

Key words： PSHEV， Python， Fuel economy， Control strategy

【引用格式】 柳楠， 翟美玉， 馬治， 等. 混聯式商用車動力系統控制策略研究[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 9-13+21.

LIU N， ZHAI M Y， MA Z， et al. Research on the Control Strategy of the Power System for Hybrid Commercial Vehicle[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 9-13+21.

1 前言

針對混聯式商用車動力系統燃油經濟性提升，本文在發動機效率最優的控制策略基礎上，提出一種基于混動系統各部件效率、機械損失、電能損失等綜合效率最優的發動機轉速控制策略。通過Python搭建動力系統模型，計算得到發動機轉速在各工況下的最優解，基于Cruise和Simulink搭建整車動力性經濟性模型及動力系統控制策略進行仿真分析，并通過試驗臺架驗證仿真分析的準確性[1]。

2 混聯式商用車動力系統模型

2.1 混聯式動力系統結構

本文的研究對象是某款混聯式商用車，其動力系統結構如圖1所示[2]。

調速電機MG1與太陽輪連接，用于控制發動機轉速及起動發動機。驅動電機MG2與齒圈相連：對于單軸驅動車輛，電機MG2根據齒圈輸出的機械功率與通過加速踏板開度計算出的需求功率的差值進行驅動或發電；對于多軸驅動車輛，電機MG2根據齒圈輸出的機械功率及混聯橋驅動力分配系數進行驅動或發電。發動機與行星架相連：當太陽輪正轉時，發動機一部分功率通過齒圈輸出到輪端，另一部分功率通過太陽輪驅動電機MG1發電，用于整車用電器及電機MG2驅動；當太陽輪反轉時，動力系統處于功率循環狀態，電機MG1和發動機同時驅動，通過齒圈輸出，此時電機MG2從齒圈吸收機械功率發電，用于整車用電器及電機MG1驅動。該商用車的基本參數如表1所示。

行星排速比需要考慮車輛起步階段的加速性能、發動機與電機MG1扭矩平衡、循環工況發動機工作點分布等綜合因素。

2.2 整車動力系統仿真模型

為驗證發動機轉速控制策略對車輛燃油經濟性的影響，建立了車輛縱向運動的數學模型。本文選擇AVL Cruise軟件作為車輛動力學仿真分析工具，建立混合動力系統模塊、前橋模塊、后橋模塊、變速器控制模塊、MATLAB接口等，并利用MATLAB DLL模塊將混動系統控制策略嵌入整車仿真模型中，仿真模型如圖2所示。

2.2.1 行駛阻力曲線

根據同類型車輛滑行試驗數據，擬合行駛阻力與車速的二次曲線[3]，車輛行駛阻力計算公式為：

[Fr=Ca+CbV+CcV2] （1）

式中：[V]為車速，[Fr]為整車行駛阻力，[Ca]、[Cb]、[Cc]為整車行駛阻力系數。

2.2.2 發動機模塊

在發動機模塊輸入外特性曲線及萬有特性曲線等數據，發動機扭矩信號由發動機起動信號、負載信號、外特性參數共同控制，可表示為：

[Te=Tmaxαloadαss] （2）

式中：[Te]為發動機輸出扭矩，[Tmax]為發動機最大扭矩，[αload]為發動機負載信號，[αss]為發動機起動信號。

2.2.3 電機模塊

在電機模塊輸入電機類型、峰值轉速、額定電壓、最大放電電流、電機特性參數等數據。動力性計算時，電機負載信號為1，通過最大允許輸入電流對電機扭矩進行控制；經濟性計算時，電機負載信號通過控制策略計算后輸入電機模塊。

3 動力系統控制策略

3.1 工作模式選擇

該動力系統控制策略分為5個工作模式[4]，如表2所示。根據車速、加速踏板開度信號、整車需求功率（驅動功率、附件功率、制動功率、電池需求充放電功率等）、動力電池荷電狀態（State of Charge，SOC）、發動機起動信號、擋位信號、換擋信號等參數確定下一時刻車輛所處模式。

起步階段根據加速踏板開度、電池SOC、擋位信號、發動機起動信號等參數判斷初始工作模式。當初始工作模式為純電驅動時，電機MG2驅動車輛行駛，當車速、加速踏板開度、SOC中任意一項超過預設閾值，則啟動電機MG1將發動機轉速提升至怠速，發動機起動并進入混聯驅動模式。在混聯驅動模式下，當加速踏板開度、SOC中任意一項低于預設閾值時，發動機停機，電機MG1維持發動機當前轉速一段時間后停機，進入純電驅動模式。在行駛過程中，根據電池SOC進行電池的充電和放電控制，根據制動踏板信號對制動能量進行選擇性回收。

3.2 發動機控制策略

在混聯驅動系統中，發動機起到平衡整車能量需求的作用，維持動力電池SOC穩定在設定區間。由于行星排轉的速特性可使發動機轉速與車速解耦，發動機轉速可在一定范圍內自由選擇。

在混聯式動力系統中，相較于電機、功率分流器等的效率，發動機效率對工況點更為敏感，故將發動機轉速控制在最優工作點是提升混聯式動力系統經濟性的有效方法。根據數據分析，在某些工況下，雖然發動機效率較高，但電機及能量傳遞損失功率較大，整車實際燃油效率較低，例如在高速勻速行駛工況下，齒圈轉速較高，但整車需求機械輸出功率較低，太陽輪反轉， 電機MG1作為驅動電機輸出機械功率，而該部分機械功率通過電機MG2轉換成電能，形成了功率循環，且此時電機MG1的效率和行星排機械傳遞效率均較低[5]，導致混動系統整體燃油經濟較差。故本文提出基于動力系統效率最優的發動機轉速控制策略，與發動機效率最優的控制策略進行對比驗證。

3.3 基于發動機效率最優的發動機轉速控制策略

根據發動機萬有特性曲線獲得每個功率點對應的最優發動機轉速，利用這些工作點擬合獲得發動機效率最優工作曲線，如圖3所示。

根據整車需求功率計算得到發動機的期望輸出功率，計算發動機目標轉速Nereq，再通過MG1電機調速使發動機達到目標轉速：

[Nereq=fPe] （3）

式中：[Pe]為發動機輸出功率，[fPe]為發動機最優工作曲線函數。

3.4 基于動力系統最優的轉速控制策略

混聯式動力系統的能量損失包括：發動機效率、行星排機械損失、電機發電/驅動/空轉的功率損失、電機控制器功率損失、電網功率損失、多合一功率損失、動力電池充放電功率損失。

3.4.1 電機MG1數學模型

電機MG1控制發動機轉速，又稱調速電機，其扭矩計算公式為：

[Tm1=-Tef1Np，Ns，NrK+1] （4）

式中：[Tm1 ]為電機MG1的扭矩，K為功率分流器速比，[f1Np，Ns，Nr]為行星架到太陽輪的機械傳遞效率函數，[Np]為行星架轉速，[Ns]為太陽輪轉速，[Nr]為齒圈轉速。

3.4.2 電機MG2數學模型

電機MG2控制動力系統輸出的扭矩與駕駛員請求的扭矩相等，其扭矩計算公式為：

[Tm2=Treq-TeKK+1?f2Np，Ns，Nr] （5）

式中：[Tm2]為電機MG2扭矩，[Treq]為齒圈需求輸出扭矩，[f2Np，Ns，Nr]為行星架到齒圈的機械傳遞效率函數。

3.4.3 動力電池數學模型

考慮到整車總質量及成本，混合動力汽車動力電池容量相對較小，在混合驅動行駛過程中，電池SOC維持動態平衡，電池動態充放電，其功率與電機和電器功率間存在如下關系：

[Pb=Pm1em1egridep+Pm2em2egridep+Papegridep] （6）

式中：[Pb]為動力電池功率，[Pm1]為電機MG1輸入的機械功率，[Pm2]為電機MG2輸出的機械功率，[Pap]為電器功率，[egrid]為電網效率，[ep]為多合一效率，[em1]為電機MG1輸出效率，[em2]為電機MG2輸出效率。

3.4.4 動力系統整體效率數學模型

動力電池充電和放電工況下，動力系統整體效率分別為：

[ηinp=Preq-Pbη1+PapPe/μe] （7）

[ηout=Preq+PapPe/μe+Pbη2] （8）

式中：[ηinp]、[ηout]分別為電池充、放電時動力總成總傳遞效率，[η1]為電能轉換為發動機輸出機械能的效率，[η2]為電能轉換為輪邊輸出機械能的效率，[Preq]為整車需求輸出的機械功率， [μe]為發動機效率。

3.4.5 確定經濟性最優的發動機轉速控制參數

計算不同車速、加速踏板開度、發動機轉速、發動機扭矩、電池充放電功率下動力系統的效率，確定最優解。

基于混聯式動力系統效率最優的轉速控制計算模型的循環計算量超億次，主流的數據分析軟件MATLAB、Excel等無法滿足計算速度要求。本文選擇Python作為構建動力系統數學模型的工具，使用Cython編寫。

計算結果如圖4所示，在齒圈轉速較低時，發動機工況點維持在發動機最優工作點附近，說明此階段發動機功率損失在總功率損失中占比較大。在齒圈轉速較高的區間，通過控制發動機目標轉速，使電機MG1轉速維持在低速區間，減少功率循環對動力系統效率的影響。該控制策略在保證經濟性最優的情況下，也保證了發動機目標轉速變化梯度在合理范圍內，防止發動機轉速變化過快，降低系統控制難度。

3.4.6 確定動力性最優的發動機轉速控制參數

計算加速踏板開度為100%時，不同車速及發動機轉速工況下動力系統輸出的驅動扭矩，確定發動機轉速最優解如圖5所示。

4 仿真結果

4.1 動力性仿真計算結果

本文根據動力電池不同SOC進行動力性仿真計算，計算結果如表3所示。動力性評價指標包括最高車速、0～100 km/h加速時間、最大爬坡度。

由表3分析可知，整車動力性的主要影響因素包括換擋時間、動力電池峰值放電功率、發動機最大扭矩。換擋時間受變速器結構及換擋點等因素影響，優化難度較大，而動力電池最大放電功率及發動機功率主要從成本和質量角度考慮。根據實際需求，可對電池最大放電功率及發動機功率進行調整。

4.2 經濟性仿真計算結果

按照GB/T 19754—2015《重型混合動力汽車能量消耗試驗方法》[6]規定的循環工況及勻速行駛工況的百公里油耗作為兩種控制策略對比的依據，計算結果如表4、表5、圖6所示。根據仿真結果，混聯式動力系統效率最優控制策略經濟性更好，在低速低功率階段，兩種控制策略油耗差距很小，發動機效率直接決定動力系統的效率，在其他工況下，通過電機MG1的調速功能改變發動機轉速，可提升系統整體效率。

5 臺架試驗驗證

基于本文控制邏輯及仿真分析結果搭建試驗臺架如圖7所示，編寫臺架控制程序。表6所示為兩種不同控制策略下的油耗結果。

考慮到行車過程中，混合動力系統需向用電器持續供電，本文試驗中動力電池按照固定功率穩定充電后進行油耗測量。根據試驗結果，基于混動系統效率最優控制策略可有效降低油耗3%～22%。

由仿真和臺架試驗的經濟性結果分析可知，通過合理的控制策略優化，在發動機工作點效率較高的工況下，電機MG1發電功率接近用電器功率，電機MG2停機，類似于發動機直連驅動車輛行駛。發動機工作點效率較低的情況下，可利用電機MG1調速功能改變發動機工作點，或利用動力電池對能量的調節功能改變系統能量流向，提升系統效率。通過結果分析，控制策略對燃油經濟性的影響主要有4個方面：發動機介入驅動的工作點、發動機轉速控制策略、電池能量管理策略、能量回收策略。

6 結束語

針對混聯式商用車，本文提出一種基于動力系統效率最優的發動機轉速控制策略，仿真和試驗驗證結果表明，該控制策略能有效提升整車燃油經濟性，在相同工況下，相較于發動機效率最優的控制策略，油耗可降低3%～22%。本文僅針對發動機控制策略進行研究，但此策略與電池能量管理策略密切相關聯，后續將針對不同控制策略間的協調優化進行研究。

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（責任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2024年11月1日。