增程式电动公交车动力系统仿真分析

刘春生

摘 要：本文以某款增程式电动公交车为原型，以功率跟随控制策略和恒功率控制策略对整车能量进行管理，并在Matlab/simulink仿真软件中建立了整车仿真模型，对两种控制策略的仿真结果进行了分析比较，结果表明在功率跟随控制策略下，增程式电动公交车的油耗略高于恒功率控制策略，但其动力性较好，爬坡性能和加速性能均优于恒功率控制策略。对于恒功率控制策略发动机运行在最高效率点，所以其经济性要优于功率跟随控制策略，但其充放电循环频率高于功率跟随控制策略。

关键词：增程式电动客车 能量管理 仿真分析

Abstract：In this paper， taking a certain increased program electric bus as the prototype， the power follow control strategy and constant power control strategy are used to analyze the energy management of the whole vehicle， and the vehicle simulation model is established in Matlab/simulink simulation software. The simulation results of the two control strategies are analyzed and compared. The results show that under the power follow control strategy， the fuel consumption of the increased program electric bus is slightly higher than that of the constant power control strategy， but its power performance is good， The climbing performance and acceleration performance are better than the constant power control strategy. The constant power control strategy engine running at the highest efficiency point， its economy is better than the power follow control strategy， but its charge and discharge cycle frequency is higher than the power follow control strategy.

Key words：Additional electric bus; Energy management; Simulation analysis

近年来，随着中国石油消费量的急剧上升，中国能源安全问题日益突出[1]。为顺应发展需求，现如今众多城市公交车辆都已逐渐使用增程式电动公交车辆投入实际运营。因为传统车辆能耗高，排放污染严重，难以满足发展要求，此缺陷对城市工况运行的车辆尤为突出。在新能源车辆方面，纯电动车辆自重较大，动力电池成本较高、存在续航里程短等问题，但增程式电动汽车不仅具有纯电动汽车的众多优点，动力电池组较小的尺寸和质量能提高整车的动力性和经济性，较长的行驶里程也能与传统的混合动力相媲美，且动力电池组始终处于浅充放电状态[2]。该动力系统形式的汽车既能实现节能减排的目标，又能保证其续驶里程。同时为实现较优的整车经济性和动力性，整车能量管理策略也影响极大。目前基于规则的策略因其具备简单、稳定性高、鲁棒性强等优势在实车中已得到广泛应用，虽然基于优化的策略对车辆的性能在理论层面有所提升，但因其复杂、不够稳定，目前却难以进行实车应用[3]。

基于上述条件和特点，现阶段增程式动力系统在城市公交车辆的应用潜力和需求较大。具备一套匹配较佳的增程动力系统和能量管理策略可极大的提升车辆的动力性和经济性，更好达到节能减排的要求。尤其面对中国如此巨大的市场需求，十分有必要对增程式城市公交车辆动力系统进行研究。

所以本文针对增程式城市公交车辆的动力系统进行了研究并利用Matlab/simulink仿真平台搭建整车仿真模型及进行整车性能分析。且针对该车辆动力系统制定了基于功率跟随的控制策略和恒功率控制策略，然后根据仿真结果分析了两种控制策略对车辆的影响。

1 主要参数及建模

增程式电动公交车动力系统主要由动力电池组、增程器和驱动电机组成。车辆控制器能够结合踏板信号、制动信号和当前车輛行驶状态，充分考虑动力性与燃油经济性等因素，实现能量最优分配。发动机控制器根据控制策略所制定的方案控制发动机的启停，传递能量给驱动电机和动力电池。电池较大的容量能为增程式电动汽车提供足够的动力，可以单独为驱动机提供能量。其结构如图1所示。

1.1 整车主要参数

本文选取某款纯电动客车的基本参数和性能指标如表1所示。

1.2 整车需求功率模型

为了更容易确定车辆各种参数，通常对整车进行动力学分析，将车辆复杂的运行状态简化。经典车辆运动方程式为：

式中，为车辆需求功率，为车辆滚动阻力功率，为车辆空气阻力功率，为车辆坡道阻力功率，为车辆加速阻力功率。

1.3 APU模型

在增程式系统中APU非直接通过机械连接驱动车辆，这使得APU单元可以进行独立的控制，其能够更好工作在效率较高区域。为简化模型复杂度，本文在进行仿真时可直接通过功率插值先前计算完成的最佳燃油消耗曲线得到当前燃油消耗率：

式中，为燃油消耗率，为APU当前功率。

1.4 驱动电机模型

对于电驱动车辆的驱动电机，在驱动工况下电机可以提供驱动力以驱动车辆前进，在减速工况下电机可以实现能量回收以减少能量损耗。本文在仿真时，为简化模型复杂度，通过电机转速和转矩插值电机效率MAP以得到电机工作效率。

式中，为驱动电机效率，为驱动电机转矩，为驱动电机转速。

1.5 电池模型

不考虑电池寿命和温度变化的影响，通过电池性能试验可得电池的电动势和内阻模型[4]。电池SOC（State Of Charge， SOC）变化如公式所示：

式中，为电池SOC变化值，为电池电动势，为电池功率，为电池内阻，为电池容量。

2 控制策略

增程式电动公交车有两个动力源，在电池SOC值高于逻辑控制下限时，整车所需要的动力全部由电池提供，电池SOC达到下限时，增程器启动，为整车提供动力同时为电池充电。增程器的启停影响着整车的性能和油耗排放，其控制策略是保证动力性的前提下，减少增程器的启停，且尽可能使发动机工作在高效区，因此制定合理的控制策略对实现能量的最佳分配尤为重要。

由于对混合动力电动车辆几种常见的控制策略分析知道，基于规则的控制策略算法较为简单，易于在对实时性要求较高的嵌入式系统中实现，且具有较好的鲁棒性[5]。所以本文选取功率跟随和恒功率两种控制策略对整车进行控制，并对比分析两种控制策略下整车的动力性以及经济性。

2.1 功率跟随控制策略

对于功率跟随控制策略其发动机沿设定的路径工作，此控制策略下整车的动力性较好，具有很强的爬坡性能和加速性能，其输出的功率大部分为整车提供动力，小部分为电池充电。这种控制策略可以避免电池频繁的充放电，提高电池的寿命。该策略下客车的工作模式大致思路流程如图2所示。

2.2 恒功率控制策略

对于恒功率控制策略其较为简单，增程器的启停完全由SOC决定，SOC高于设定上限时，动力完全由电池提供，发动机不工作；SOC达到下限时，发动机运行在最高效点，此点发动机燃油消耗率最低。SOC没有达到逻辑控制下限时，增程器是不启动的，其工作模式最大的不同就是恒功率控制策略下增程式电动客车没有功率跟随模式，即增程模式下动力电池始终处于充放电状态。其大致思路流程如图3所示。

3 仿真结果

本文采用中国典型城市工况（ China Typical City Cycle，CTCC）对动力系统模型进行仿真，该工况最高车速60km/h，一个循环5.91km，总耗时1314s。具体如图4所示。

本次仿真中设定电池容量低于0.3时，增程器启动进入续驶阶段。图5和图6分别展示了SOC与油耗的关系。功率跟随下，动力SOC低于0.3之前，当所要求的功率较高时，发动机启动，可以看到此时发动会产生缓慢上升的油耗，进入增程模式后，功率进行跟随，发动机为主能量源，此时电池充电较为缓慢，油耗急剧上升。恒功率下，SOC未低于0.3之前，动力全部由电池提供，电池消耗较功率跟随下较快，SOC低于0.3后，功率点恒定，油耗呈一定比例上升，电池充电较功率跟随快。

图7和图8分别是两种控制策略下车速与电池SOC的关系，由图中可以看出，功率跟随下电池放电较为平稳，而恒功率控制策略下电池SOC伴随着车速上升变化较为强烈。

由以上对两种控制策略相同行驶距离下的油耗分析可知：恒功率控制策略下客车的油耗低于功率跟随控制策略下客车的油耗。同时电池SOC可以看出：恒功率控制策略动力电池充放电较功率跟随控制策略频繁，在运行43个循环工况下，功率跟随充放电循环进行了不到2次，而恒功率控制策略下电池充放电已完成5个循环，且电池放电波动较为剧烈，这对电池的寿命会产生较大影响，此外功率跟随下发动机工作区间广，可提供的功率范围更大，因此动力性较恒功率控制策略下要好。

4 总结

本文以某款纯电动客车为原型，制定了以功率跟随控制策略和恒功率控制策略对整车能量进行管理。在Matlab/simulink仿真平台搭建了动力系统后向仿真模型，通过仿真分析得到如下结论：

在中国典型城市循环工况模拟下，分析了两种控制策略的经济性，恒功率控制策略油耗低于功率跟随控制策略，但对于动力性和电池方面的影响较大。总的来说就是恒功率策略下发动机工作条件更好，功率跟随策略下电池工作条件更好、动力性更佳。

重庆市科技局技术创新与应用发展（重点项目）cstc2020jscx-dxwtBX0025纯电动汽车全气候全工况超低能耗集成匹配關键技术研究。

参考文献：

[1]邱香，李红英.增程式电动汽车发展分析[J].时代汽车，2020（18）：95-96.

[2]赵靖华，张雨彤，曹派，王忠恕，李小平，孙亚南，解方喜.CNG发动机增程式电动汽车能量管理优化控制[J/OL].吉林大学学报（工学版）：1-9[2022-11-09].

[3]张风奇，胡晓松，许康辉，唐小林，崔亚辉.混合动力汽车模型预测能量管理研究现状与展望[J].机械工程学报，2019，55（10）：86-108.

[4]李永亮，黄英，王绪，郭汾.增程式电动汽车动力系统参数匹配及控制策略优化[J].汽车工程学报，2021，11（03）：177-190.

[5]冯仁华，孙旺兵，赵智超，王韶阳，陈昆阳，郭栋.增程式混合动力汽车能量管理策略设计与优化研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2022，36（08）：11-20.