串联式混合动力客车控制策略研究

房亮　王新　李晶华

【摘 要】城市公交车在运行过程中长时间怠速运转，不仅降低了燃油的经济性还对城市环境造成了污染。本文针对串联式混合动力客车的控制策略进行了深入的研究，基于ADVISOR仿真平台对比分析了不同控制策略对车辆动力性和经济性的影响，确定了最优控制策略。

【关键词】混合动力客车；控制策略；优化仿真

0 前言

与纯电动汽车相比，混合动力汽车减少了对蓄电池组的依赖程度。从而可以大大突破蓄电池组储能量、电池成本，充电配套设施等瓶颈问题，更有利于市场推广和使用。而且，串混合动力车辆可以最大限度的保留原车结构，在原车基础上加装电动机和动力蓄电池组。由于混合动力车辆对电池组的依赖性较低，这样可以减小电池组的使用规模，混合动力车辆空调、照明、多媒体系统等仍由发动机进行电能转化供给，对其性能要求均可适当降低，节约了制造成本，降低了生产工艺要求。另外混合动力车辆无续驶里程和充电站建设等因素限制，这样更有利于推广和普及[1]。

串联式混合动力客车（以下简称SHEB）结构与并联式结构和混联式结构相比，电动机与传动机构刚性相连，直接驱动；发动机—发电机组与蓄电池及电动机间采用电气连接。这样发动机的运转不受车辆运行工况的影响，可以工作在高效率区域，大大降低了油耗。同时，虽然发动机的动能转化为蓄电池组的电能有一定的能量损失，但由于城市路况中客车行驶速度低、长时间怠速，故可以大大抵消此部分损失的能量，提升燃油经济性。此外，串联式机构中蓄电池组尺寸较大，但将其应用在城市客车中，可以忽略此影响。如果可以设计插电模式，将可以进一步降低油耗。

1 控制策略分析

混合动力车辆研发的主要目的是在保证车辆动力性能的同时，最大限度的降低油耗，减少排放。为达到此目标可以从两方面进行研发设计：一是，混合动力部件中发动机、电动机、动力电池等的匹配优化；二是，控制策略的研发设计。

控制策略的设计是混合动力车辆研发的核心环节，通过混合动力车辆的控制策略可以控制各部件之间的能量流动方向。优化系统的控制策略，使各部件协调工作，可以大大提高整车的运转效率，达到节能减排的目的。

为了保证混合动力车辆动力性，兼顾生产成本、燃油经济性和排放等方面，在SHEB控制策略制定时应考虑以下问题：

（1）发动机工作区间优化。由于发动机—发电机组与电动机之间为电气连接，动力系统对发动机运转工况的影响小，这样可使发动机的扭矩和转速运转在最佳工作点或区域内，从而可以降低油耗和排放。

（2）减少发动机转速和扭矩波动。由于在SHEB动力系统中发动机运转的相对独立，可以在满足车辆功率需求的前提下，尽量减少发动机的工况波动，避免在整个负荷区间运行时增加油耗，降低使用寿命。

（3）设置发动机运转速度下限。当发动机运转速度过低时，会增加车辆油耗，可以通过关闭发电机改善排放。

（4）设置动力电池SOC下限值。通过设置SOC下限值可以保證整个动力系统在任意时刻均能保证充沛的动力。

（5）设置动力电池SOC下限值。为了防止车辆在再生自动时，由于能量的回收造成动力电池的过压现象应设置SOC上限。

（6）减少动力电池SOC波动。较大的SOC波动会大大减低动力电池的使用寿命，电池工作时最好浅充浅放。

（7）尽量减少发动机启停次数。发动机频繁启动会减低经济性，导致排放恶劣。

混合动力车辆的控制策略主要分为稳态管理策略和动态控制策略。目前，稳态管理策略应用较为集中，通过设置系统的能量流向和发动机工作状态，优化控制结果。稳态管理策略包括优化算法控制、模糊逻辑控制和逻辑门限控制三种。前两种为实时控制方式，因在控制过程中需要实时准确的监控车辆发动机最佳油耗和排放点，需要高速可靠的信号采集处理系统，分析大量的数据。而逻辑门限控制方式通过设置门限值，使SHEB中各部件工作在最优工作区域。逻辑门限控制方式主要包括：恒温器控制策略、功率跟随控制策略和前两种相结合的综合控制策略[2]。

1.1 恒温器控制策略

具体控制方式描述如下：

（1）当动力电池荷电量SOC小于CS_LO_SOC时，发动机启动并向动力电池充电；

（2）当动力电池荷电量SOC大于CS_HI_SOC时，立即关闭发动机；

（3）当动力电池荷电量SOC介于二者之间时，保持发动机运行状态不变；

（4）发动机工作在最佳工作点Pfc=CONST。

此种控制策略中，SOC为唯一门限值。发动机始终工作在最佳工作点，排放性能最好，但SOC波动较大，对动力电池的寿命会有影响。

1.2 功率跟随控制策略

功率跟随控制策略是指发动机运转时的功率输出时刻跟随车辆的功率需求，具体控制策略如下：

（1）发动机工作时，其输出功率要随着动力电池荷电量SOC进行调节，使SOC保持在（CS_HI_SOC+ CS_LO_SOC）/2附近；

（2）当动力电池荷电量SOC大于CS_HI_SOC时，关闭发动机；

（3）当动力电池荷电量SOC小于CS_HI_SOC，且车辆需求功率Pb小于蓄电池可输出功率Pess时，停止发动机；Pb大于Pess时启动发动机；

（4）当动力电池荷电量SOC小于CS_LO_SOC，发动机启动；

（5）其他工况发动机保持原状态不变。

此种控制策略动力电池荷电量波动最小，大大延长了电池的使用寿命。但发动机需要在整个负荷区间工作，其排放性能大大降低，同时油耗急剧上升。而且由于发动机的频繁起停也增加了动力系统的故障率[3]。

1.3 综合控制策略

图1 综合控制策略endprint

以上两种控制策略各有优缺点，为了充分利用两种控制策略的优势，制定了综合控制策略。综合控制策略控制方式采用功率跟随策略为主，兼顾恒温器策略[4]。该策略可以使发动机和动力电池高效运行，提升了整体效率，综合控制策略如图1所示。此种控制模式下发动机并非工作在最佳工作点，也没有工作在整个负荷区间，而是工作在最优工作曲线上。

2 控制策略建模

为了满足SHEB动力性、经济性和排放的要求，现对SHEB的三种控制策略基于MATLAB_SIMULINK环境下进行建模。

图2为恒温器式控制模型，其中1部分实现功能为：当动力电池荷电量SOC低于下限值时打开发动机；2部分实现功能为：当荷电量SOC高于下限值而低于上限值时，保持发动机的工作状态，当SOC超过上限值时，关闭发动机；3部分可实现令发动机工作在最佳工作點位置的功能[5]。

对于综合控制策略的模型，我们主要通过在功率跟随模型的基础上，修改M文件获得。

3 仿真分析

对于同一SHEB车辆，不同的控制策略会对整车的动力性能、经济性能和排放等产生直接影响。接下来，我们借助ADVISOR仿真环境分析同一SHEB在三种不同的控制策略下对车辆性能的影响。首先将匹配计算的SHEB各部件参数（见表1）输入到ADVISOR仿真环境中。工况选择CYC_ UDDS城市路况，循环次数为3。

通过ADVISOR软件进行仿真，不同的控制策略对应的动力电池荷电量SOC变化如图4所示。

4 结论

通过对三种控制策略的仿真分析，可以得出：三种控制策略与传统客车相比均可大大降低油耗；其中恒温器式控制由于发动机始终工作在最高效工作点故燃油经济性能最具优势，但动力蓄电池荷电量SOC波动幅度最大，大大降低了动力蓄电池的使用寿命；功率跟随控制方式中SOC波动幅度最小，但此时发动机为了满足功率需求需要工作在整个工作区间内，耗油量大，排放恶劣；综合控制策略结合了以上两种控制策略的优点，平衡了各自的优缺点，大大延长了SHEB动力系统的使用寿命，为SHEB的研发设计提供了最优解决方案。

【参考文献】

[1]陈清泉，孙逢春.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002：1-2.

[2]高燕.串联式混合动力城市客车参数匹配与控制策略研究[D].山东理工大学硕士学位论文.2007.endprint