基于发动机效率区间划分的混合动力客车控制策略优化

摘要：经济性是衡量混合动力客车性能的重要指标，如何合理划分发动机工作区间直接影响着混合动力客车的燃油经济性。针对某同轴混联式ISG混合动力客车系统，划分该系统中发动机的工作模式进行并拟合出不同工作模式下发动机工作区间曲线。基于中国典型城市公交循环（CCBC）工况，使用该优化后的控制策略在MATLAB/Simulink建立的混合动力客车整车模型中进行仿真，并在实车上进行验证。仿真结果和实车试验数据表明，优化之后的整车控制策略显著提高了燃油经济性。

关键词：混合动力客车；发动机工作区间；控制策略；CCBC工况

中图分类号：U469.1  收稿日期：2023-06-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.008

1 前言

随着插电式混合动力客车的推广和应用，人们对其经济性指标提出了更高的要求[1]。相较于传统客车，混合动力客车可以利用动力电池的能量并采用不同的机电耦合方式实现发动机工作区间主动调节，如何调整和优化控制策略，合理划分发动机工作区间是提高混动系统效率的关键技术之一。当前，混合动力客车用于改善发动机工作效率的控制策略大多基于并联式混合动力系统，很少有对混联式混合动力汽车在控制策略上工作的开展。这些控制策略中，往往忽略了动力电池对于发动机工作点优化效果的影响，单一地寻找发动机最佳工作点和最佳工作效率曲线，并以此为基础进行控制策略的优化[2]。

针对该问题，本文以一款同轴混联式ISG混合动力客车为研究对象，结合混动车型发动机介入的不同工作模式，对发动机的工作区间进行划分，并拟合出不同发动机工作区间曲线，基于MATLAB/Simulink建立整车模型，对该控制策略进行仿真，并实车验证其经济性。

2 混动系统结构与原理

ISG混联式混合动力系统为同轴式结构，发动机和ISG电机采用扭转减震器实现机电耦合，驱动电机和发动机之间，由电磁离合器实现结合与分离。该系统具有串联、并联、混聯三种工作模式。串联模式中，电磁离合器分离，整车由电机提供动力，发动机带动ISG电机进行串联发电；并联模式中，电磁离合器接合，发动机、ISG电机和主电机协调分配，进行车辆驱动。

3 发动机工作区间划分

混合动力客车发动机通过传动系统机械连接的方式对整车进行驱动，发动机的工作点易受车速影响，故发动机难以稳定工作在较窄的最优效率区。但是在离合器的作用下，发动机存在电机的负载平衡，通过制定优化的控制策略可以使发动机在较宽广的高效率工作区间工作。根据前文所述，依据ISG混联式混合动力系统三种工作模式，将发动机工作区间划分串联发电区间、驱动区间和并联区间［3］。

3.1 串联发电曲线的确定

串联发电曲线是指发动机由串联发电模式介入驱动模式的临界曲线，即发动机进入单独驱动的最低曲线。当发动机需进入驱动状态时，发动机的工作区间在此曲线上方。系统由串联工作模式进入并联工作模式，意味着发动机的单独驱动的效率应高于发动机发电驱动的效率。定义P动为发动机功率，P电为电机发电功率，P桥为驱动功率，be动为发动机经济特性，be电为电机发电经济特性，be桥为驱动经济特性，I电为电机发电效率，I桥为驱动效率。

发动机发电功率：

P电=P动I电                                                 （1）

发电机功率作用到驱动桥上的功率：

P桥=P电I桥                                                      （2）

通过类比发动机万有特性曲线来表达混动系统通过发电驱动的经济特性，有：

be=g/kWh                                                         （3）

be电=be动/I电                                                  （4）

be桥=be电/I桥=be动/I电/I桥                                     （5）

運用MATLAB对发动机及电机数据进行处理，得到发动机的万有特性曲线和电机的MAP图，并分别求得对应的转速、扭矩下的be动和I电，得到发动机发电的特性曲线，如图1所示。

在图1上可查得be电的最低点，其意义为在对应的转速和扭矩下，发动机通过电机发电的效率最高，经济性最优。电驱动的特性be桥可以理解为发动机燃烧1 g燃料后，带动发电机发电并最终由电机驱动作用在驱动桥上的能量。在已经确定be电的最优点后，根据公式（5）可以确定be桥的最优点。其意义为：在对应的转速和扭矩下，发动机通过发电并驱动到桥上的效率最高，经济性最优。最终可知，当发动机由串联模式进入并联模式并参与驱动时，整个系统的效率要高于此点，因此将be桥最优点反馈至发动机的万有特性上，沿此值可以得到串联发电曲线。

3.2 驱动曲线的确定

驱动曲线是指发动机由单独驱动介入边驱动边充电的临界曲线，即发动机进如驱动充电的最低曲线。当发动机进入边驱动边充电状态时，发动机工作区间在此曲线上方。混动系统的充电功率至少需要两个点覆盖，之前确定单独驱动曲线时已经确定了较低的充电功率，考虑到发电机的功率限制，一般将高的充电功率点定为发动机额定功率附近。同时考虑到扭矩控制需求，可在发动机万有特性曲线上找到满足此发电功率的等功率曲线，以确定驱动发电曲线。

3.3 并联曲线的确定

并联曲线是指发动机由边驱动边发电介入发动机电机共同驱动的临界曲线，即发动机进入并联驱动的最低曲线。当发动机进入并联驱动状态时，发动机的工作区间在此曲线上方。当混动系统整体扭矩需求已经超越了发动机的能力，此时应该需要电机介入提高系统的动力输出，而发动机的外特性曲线已经反映了发动机的能力，因此可以直接将发动机的外特性定义为并联曲线［4］。

通过以上分析，得到发动机工作区间曲线，并将此三个曲线绘制在发动机的万有曲线上，如图2所示。

4 试验结果分析

4.1 仿真结果分析

基于某10.5 m插电式混合动力客车，使用MATLAB/Simulink混合动力客车整车模型，将以上所确定的发动机工作区间导入发动机控制模型，基于中国典型城市公交工况（CCBC工况）对实车测试并进行仿真分析，仿真结果为：13.81 L/（100 km），其中油耗为13.03 L/（100 km），电耗折算为油耗为0.78 L/（100 km）。图3反应了发动机在不同模式下的工作点分布，可以看到发动机的工作点基本处于高效率工作区间，有效实现了控制策略优化目标。

4.2 实车试验结果分析

将该控制策略应用于试验车辆，基于中国典型城市公交工况（CCBC工况）对某10.5 m ISG混联式混合动力客车进行油耗试验。试验结果如表1所示。结果表明，该控制策略有效达到达到预期效果，节油率达60%以上（燃油限值参考《GB 30510-2014重型商用车辆燃料消耗量限值》）［5］。

5 结语

本文针对某同轴混联式ISG混合动力客车系统，分析其系统结构原理，并依据工作模式将发动机进行了工作区间的划分，并绘制出发动机工作区间曲线，借助MATLAB/Simulink车辆控制模型，将优化后的发动机控制策略基于中国典型城市公交循环（CCBC）工况进行仿真分析，仿真结果达到了预期目标，最终将该控制策略应用于实车。试验数据表明，基于发动机效率区间划分的混合动力客车优化控制策略，具有较好的节油效果，满足经济性指标要求。

参考文献：

[1]刘铠嘉.插电式混合动力客车能量管理控制策略优化方法研究[D].秦皇岛：燕山大学，2021.

[2]李殿凯，张冰战.混联式混合动力客车控制策略参数优化研究[J].合肥工业大学学报，2019（6）：741-745.

[3]常圣，李韧，吴浩.基于AVL台架的ISG混合动力客车扭矩优化[J].客车技术，2020（1）：50-52.

[4]林歆悠，孙冬野，尹燕莉，等.混联式混合动力客车发动机优化控制策略[J].重庆大学学报，2012（7）：13-18.

[5]GB 30510-2014 重型商用车辆燃料消耗量限值[S].

作者简介：

王冉，男，1987年生，工程师，研究方向为混合动力客车系统集成及控制策略。