含2挡箱增程式客车参数设计与仿真分析

黄鼎键，钟 勇，闫晓磊

（福建工程学院 机械与汽车工程学院，福州 350118）

含2挡箱增程式客车参数设计与仿真分析

黄鼎键，钟 勇，闫晓磊

（福建工程学院 机械与汽车工程学院，福州 350118）

为进一步提高增程式客车爬坡性能、加速性能及城市循环工况下的燃油经济性，根据整车基本结构参数和目标性能要求增配了2挡箱，完成了新型增程式客车的动力参数设计，以AVL/ CRUISE为平台建立了整车仿真模型，结合MATLAB/Simulink所建立的基于逻辑控制的控制器模型以及发动机PID控制模型；通过联合仿真，结果表明：所设计的含2挡箱增程式客车爬坡性能、加速性能和燃油经济性均有较好提升，基于逻辑控制的控制策略可满足。

增程式客车；2挡箱；控制策略

0 引言

增程式客车作为新能源汽车一种模式，得到国内外学者重视并开展了多研究。Matt Van Wieringen等完成基于双燃油动力系统，提高增程式汽车动力性[1]；Hong Zhang等提出了能量分配原则的新的控制模式，在ADVISOR中进行了仿真实验，验证了控制策略，最大限度地降低了能量消耗[2]；Xiaogang Wu等基于中国典型城市工况，进行增程式汽车能量管理系统优化，燃耗相对于传统汽车可降低31.08%[3]；牛继高、司璐璐等提出了增程用发动机的选配原则及整车燃油经济性评价方法，引入基于规则的发动机定点和最优曲线能量控制策略[4,5]。姜蕴珈、宋珂针设计了基于遗传所发的多输入单输出的模糊控制器，以电池SOC和负载需求功率为输入变量，以发动机最佳输出功率为输出变量，优化设计后，燃油经济性明显提高[6]。王若飞对增程式客车动力系统进行匹配，设计了相应控制策略，运用CRUISE对客车的动力性和经济性进行仿真[7]。

上述研究大都在传统无变速器增程式汽车开展参数匹配和控制策略研究，针对带2挡变速箱的增程式汽车的研究较少涉及；本文研究的原车型也是无变速器的增程式客车，实际营运过程中出现整车燃油经济性和加速性能较差，特别是在部分路段爬坡能力无法满足需求；故将针对含2挡变速器的增程式客车参数设计、控制策略制定与实现开展研究。

1 含2挡箱增程式客车结构

为进一步提高增程式客车的燃油经济性和动力性，本文所研究的含2挡箱增程式客车是在原车型基础上增设了2挡变速箱，主要由发动机、发电机、动力电池、超级电容、驱动电机、2挡变速箱、主减速器等组成，如图1所示，其基本参数为：满载质量为M=18000kg，整备质量MB=13300kg，迎风面积A=8.13m2，风阻系数CD=0.62，车轮滚动半径r=0.526m，轴距L=6m，主减速比i0=6.16。其主要动力指标要求和燃油经济性要求如下：最高车速vmax=69km/h，最大爬坡度i≥20%，0～50km/h的加速时间t≤30s，城市工况下平均百公里油耗Q≤22.5L。

图1 增程式客车组成简图

2 动力系统参数设计

2.1 驱动电机参数设计

增程式客车中驱动电机是既是驱动汽车行驶的唯一动力装置又是制动能回收的发电装置，直接驱动整车行驶、加速、爬坡；动力系统参数需要根据整车动力性能、经济性能要求、行驶工况等进行设计，主要包括额定转速、最高转速、额定扭矩、峰值扭矩、额定功率和峰值功率等参数，最终根据配套厂家的产品目录进行选型、确定合适的驱动电机。

增程式客车动力系统中驱动电机既是动力装置又是制动能回收的发电装置，直接驱动整车行驶、加速、爬坡；驱动电机的转速是一个重要的参数，其最高转速nmax需与增程式客车所允许的最高车速umax匹配，并根据基速比2β==2选定额定转速nb，由于该客车变速器第二挡为直接挡其传动比i2=1，则可根据式(1)确定驱动电机最高转速和电机额定转速；驱动电机峰值功率Pmax需与最高车速umax、最大爬坡度α以及由v0～vt加速性能匹配，并根据电机过载系数2µ==2选定额定功率，可根据式(2)确定驱动电机峰值功率Pmax和额定功率Pb。

根据最高转速、额定转速、峰值功率和额定功率，由配套厂家的产品目录选用了一款驱动电机，其额定功率为100kW，额定转速为1200r/min，峰值扭矩为1592 Nm。

2.2 变速器一挡传动比设计

该增程式客车低速爬坡时，忽略空气阻力，则其动力主要用于克服爬坡阻力和滚动阻力，再根据驱动轮与路面附着条件，按式(3)可确定变速器一挡传动比值的范围。代入相关参数数据计算，并综合尺寸、性能等因数，选定变速器的一挡传动比为3.2。

式中，η为传动效率；

ϕ为附着系数；

Temax为电机最大转矩；

M为满载质量。

2.3 动力电池的参数设计

动力电池的功率需和电机功率相匹配，应满足式(4)，经计算，动力电池组额定电压为576V，电池组容量66Ah，38.01kW.h。

式中：

Qc为电池组容量，Ah；

W为电池组总能量，kW.h；

ηb为电池放电效率，0.85；

Paux为附件电气的功率，kW；

Ib为动力电池电流，A；

Ub为动力电池电压，V。

2.4 增程器参数设计

增程器由发动机、发电机及控制器组成，当动力电池的SOC消耗到低于设置值SOC_low时，该车由纯电动驱动模式切换为增程模式，此时，发动机启动、带动发电机发电，为整车运行供能，并为动力电池充电，直到动力电池的SOC增加到SOC_high，关闭发电机和发动机，停止发电；发动机功率直接影响整车的燃油经济性，所以应在满足车辆平均行驶功率需求前提下，其取值尽可能小；研究和试验表明，在中国典型城市工况下，此类客车平均需求功率约为35kW，考虑发电机效率ηf==0.09.292和驱动电机的效率ηe==0.092.9，2则发动机的功率为：

经计算得PE=41.35kW。进一步考虑空调、转向电机等电气设备的功率需求，增加内燃机功率裕量15kW，最终发动机功率和发电机功率均选取为57kW。

3 控制策略分析与实现

控制策略决定了增程式客车燃油经济和动动力性[3,4]。利用MATLAB/Simulink按该车的控制策略建立控制器，控制器按其逻辑规则和实时获取的汽车以及各部件的运行状况，完成对变速器挡位、驱动电机状态、增程器启闭等的控制，最终影响整车动力性和燃油经济性。

2挡变速器的控制目的是为了根据行驶工况实现变速器2个挡位切换、以满足爬坡、高速行驶及节能的需求[5]；控制过程所需要的参数是汽车速度，其规则是当车速小于22km/h时，变速器处于低速挡；当车速大于等于22km/h时，自动切换到高速挡，其控制规则如图2所示。

图2 变速器的控制规则图

驱动电机的控制目的是实现驱动电机功能切换，主要有驱动和制动能量回收两种状态；控制过程所需要的参数是汽车速度和驾驶员制动踏板信号，其规则是驾驶员没有制动时，驱动电机处于驱动状态，驾驶员加速踏板单独控制驱动电机；当车速大于0.1km/h，且驾驶员有制动时，驱动电机由纯电驱动模式切换为制动能回收模式，其控制规则如图3所示，图中，MLS表示电机负荷信号，其值在[-1,1]区间、LS表示驾驶员负荷信号，其值在[0,1]区间、BP、MBP、BFC分别表示制动压力、最大。

图3 驱动电机控制规则图

发动机和发电机的控制目的是实现两种状态组合的切换：发动机和发电机均停机，APU处于不发电状态（NG）；发动机和发电机均启动处于发电状态（G）。控制过程以动力电池SOC为控制参数，当动力电池SOC大于SOC_low时，整车行驶过程中所需的全部功率由动力电池单独提供，处于纯电动模式，发动机和发电机均不工作，该模式占比大；当动力电池SOC小于等于SOC_low时，增程器APU开启，处于增程模式，发动机的转速由PID控制器控制，达到高效、经济的转速，发动机带动发电机运转并输出功率满足汽车行驶需求，剩于部分为动力电池充电；当动力电池SOC大于等于SOC_high时，增程器APU关闭，重新切换为纯电动模式。其控制规则如图4所示，图中的GSW、GLS、ESW、ELSD、PID_C分别表示发电机启动开关、发电机负荷信号、发动机启动开关、发动机负荷信号、PID控制器的信号。

图4 发动机/发电机控制规则图

按上述规则在MATLAB/Simulink中建立了多输入多输出的动力系统控制器，转换成DLL文件后，供AVL/CRUISE的控制器模块调用，实现MATLAB与CRUISE联合仿真。

发动机PID控制的目的是使该车处于增程模式下时，控制发动机转速为预设的转速。PID控制器根据发动机转速值nr(t)与实际值na(t)两个参数值以及这两参数值的差值：e(t)=nr(t)−na(t)，将偏差的比例Kp、积分Ti、微分Td通过线性组合构成控制量，对控制发动机转速的油门执行器进行控制，最终实现发动机转速恒定控制，其控制原理如图5所示，其控制规律为：

图5 发动机转速PID控制原理图

式中，u(t)为PID控制器的输出信号，用于控制发动机油门执行器，经调定，比例系数Kp=20、积分时间常数Ti=2×10-4、微分时间常数Td=0.0025。

4 仿真及结果分析

为验证本文所制定的控制策略的合理性，利用模块化建模方法，根据图1增程式客车整车结构、机械和电气连接，在CRUISE中搭建整车模型并完成各模块参数设置，从而建立了增程式客车仿真模型，如图6所示。完成设置后，获得仿真结果如图7～图10所示。

图6 增程式客车仿真模型

图7 SOC变化与发动机启闭关系

图8 车速与挡位曲线图

图9 爬坡度

图10 0～50km/h加速性能对比

由图7可知，文中以中国典型城市工况为循环工况，纯电动模式下，动力电池SOC由初始值100%逐步消耗到45%，此时进入增程模式，启动发动机和发电机，为整车功能的同时，也为动力电池充电，使其SOC由45%逐步增加到60%，又由增程模式切换到纯电动驱动模式；当SOC第二次小号到45%时，第二次切换到增程模式。

由图8可知，该增程式客车能按控制规则快速响应并实现换挡动作，当车速高于22km/h时，变速器由1挡切换到2挡，当车速低于22km/h时，又由2挡切换到1挡，停车时处于空挡状态。

提高客车的爬坡性能是该增程式客车增设2挡箱目的之一，本文模拟电池充满状态，客车满载状态下的爬坡性能，由图9可知，1挡最大爬坡度为21.70%，总体来看该客车增设2挡箱后爬坡性能相较于原车型有较大提升，可满足城市道路中出现的爬道行驶。提高客车加速性能是该增程式客车增设2挡箱的另一个目的，由图10可知，含2挡箱增程式客车0～50km/h的加速时间为27.8s，而不含2挡箱增程式客车0～50km/h的加速时间为39.4s，配备2挡箱增程式客车加速性能显著提高，提高了约29.4%。

除完成上述仿真分析外，本文还计算了该客车最高车速、中国典型城市公交工况百公里油耗、初速度50km/h的滑行距离，其结果如表1所示。

表1 仿真结果

5 结论

针对一款新型增程式客车，以提高其爬坡性能、加速性能、燃油经济性为目标，在原车型基础上，增设了2挡变速箱，制定了相关控制策略，在CRUISE中建立了增程式客车仿真模型、运用Simulink/Stateflow建立了控制器模型等；通过发动机PID控制，发动机的工作点基本维持高效的运行，故此提高了燃油经济性；仿真结果表明：所完成的参数设计和控制策略满足要求；与此同时，0～50km/h的加速性能提高了29.4%，爬坡性能显著提高，燃油经济性提高了约10%。

[1] Matt Van Wieringen, Remon Pop-Iliev. Development of a Dual-Fuel Power Generation System for an Extended Range Plug-in Hybrid Electric Vehicle [J].Industrial Electronics,2010,(2):641-648.

[2] Zhang Hong, He Zhao-yang, Wang Yun-long. Control strategy research of auxiliary power unit in range-extended electric bus[A]. Transportation Electrifcation Asia-Pacifc (ITEC Asia-Pacifc)[C], 2014,(1):1-4.

[3] Wu Xiao-gang; Hu Chen; Chen Jing-fu. Energy Flow Chart-Based Energy Effciency Analysis of a Range-Extended Electric Bus[J]. Mathematical Problems in Engineering,2014,(2):1-12.

[4] 牛继高,司璐璐,周苏,等.增程式电动汽车能量控制策略的仿真分析[J].上海交通大学学报,2014,(1):140-145.

[5] 周苏,牛继高,陈凤祥,等.增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究[J].汽车工程,20011,(11):924-929.

[6] 姜蕴珈,宋珂,章桐.基于遗传算法的增程式电动车模糊控制器设计[J].计算机工程,2014,(7):286-290.

[7] 王若飞.增程式电动客车参数匹配及控制策略研究[J].上海汽车,2015,(1):7-12.

Design and simulation analysis of range extended city bus with 2-speed gearbox

HUANG Ding-jian, ZHONG Yong, YAN Xiao-lei

TP391.9

：A

1009-0134(2017)01-0031-05

2016-11-13

福建省教育厅项目（JA15346）；国家自然科学基金资助项目（51505085）

黄鼎键（1982 -），男，福建福州人，讲师，博士研究生，研究方向为新能源汽车技术。