基于CCBC工况的混合动力公交客车能耗优化控制策略研究

2024-06-01赵姗姗

专用汽车 2024年5期

基金项目：安徽省高校自然科学研究项目（2023AH052966）

摘要：燃油经济性直接影响混合动力城市公交客车的产品性能，如何基于仿真和实车试验数据来实现控制策略的优化具有现实的研究意义。针对某105 m同轴混联式ISG混合动力城市公交客车搭建了整车仿真模型，基于中国典型城市公交循环（CCBC）工况进行了Cruise、Matlab/Simulink联合仿真分析，并结合GB/T19754—2021《重型混合动力汽车能量消耗量试验方法》相关标准要求，对该混合动力车辆进行了多轮综合燃油消耗量测试验证。最终的试验数据表明，优化之后的控制策略显著提高了车辆燃油经济性。

关键词：混动公交客车；控制策略；联合仿真；能耗试验

中图分类号：U469.7 收稿日期：2024-03-28

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405010

1 前言

《中国制造2025》提出“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，计划到2025年，生產的插电式混动客车节油达到70%以上，排放减少80%。目前，现有混合动力客车还存在一些问题和技术瓶颈，并联混合动力存在可靠性低、平顺性差、节油率低等问题，混联系统存在爬坡度低、扭转减振盘寿命低等问题［1］。而高效的插电式混合动力客车及系统关键技术研究可以攻克我国在发动机、机电耦合系统等方面技术瓶颈，高效解决混合动力客车现存技术难点。

本文基于市场对于插电式混合动力公交燃油经济性的高要求，着眼于研究发动机系统和电驱动系统的机电耦合控制来实现发动机系统和动力电池系统的效率，通过仿真和实车试验数据，计算发动机控制、电池能量管理、电驱动系统控制等整车控制策略中各相关参数对整车能耗的影响因子，得到最优控制策略参数，最终实现车辆的能耗优化。

2 混动系统结构与控制原理

21 ISG混动系统结构

图1为某105 m混动公交客车动力系统结构图，该系统部件包括发动机、扭转减震器、ISG电机、驱动电机、牙嵌式电磁离合器及辅助部件等，以上机械部件为同轴式结构，混合动力系统为同轴混联式结构。该系统具备高效率、低能耗、高防护、高可靠性的技术特点。

22 混动系统控制原理

系统具有串联、并联、混联三种模式，整车控制原理如下：车速起步时，当发动机转速达到经济转速区之前，车辆由电机驱动；当车辆达到一定车速，电磁离合器结合，车辆进入并联模式，发动机参与驱动。另外，为保证动力电池的高效使用，电池SOC需保持在一定的阈值范围内，可通过串联、并联发电或者利用发动机剩余功率补充电池电量［2］。

3 整车控制策略

31 整车控制模型搭建

根据上文所述，结合车辆车身及底盘参数，将发动机外特性及万有特性曲线拟合后，在MATLAB/Simulink中搭建整车控制模型，如图2所示。

32 整车控制策略优化

混合动力客车整车控制策略是实现车辆协调控制的核心和关键，最终目的是实现整车能量的最优化管理。该系统采用全工况条件下整车多工作模式切换策略，保证在储能系统和制动系统的边界约束条件下，实现大范围车速下离合器快速接合与分离。同时充分利用混联系统的串/并联优势，车辆可以自动适应各种工作路况，有效提升综合燃油经济性。同时，合理有效的能量优化管理策略，对整车的节能降耗指标起着非常重要的作用。各模式下，整车控制系统需要考虑以下两个问题：在平衡乘座舒适度与能量回馈效率的基础上，合理匹配最大制动扭矩；在平衡整车安全性与能量回馈效率的基础上，合理分配刹车踏板的电制动开度［3］。

该系统工作模式可分为停车、驱动和制动三种模式。这三种模式又可以根据发动机和电机的工作状态分为不同的子模式，各模式之间转换通过机电耦合装置实现，各模式详细划分如表1所示。整车工作模式的划分及切换是控制策略的核心，结合发动机外特性及万有特性曲线，根据油门踏板开度、车速以及系统状态等因素获得当前总的扭矩需求，最终确定车辆当前处于何种工作模式，在各个模式下进行控制策略的优化。

33 整车性能仿真

基于中国典型城市公交循环（CCBC）工况，采用Cruise、Matlab/Simulink联合仿真分析，得到动力电池电压电流功率、SOC变化、续驶里程、工作模式切换过程、动力系统扭矩变化及发动机工作点等各性能参数的仿真结果，如图3所示。

4 实车试验

41 实车试验过程

结合以上控制策略，分别优化发动机喷油启动转速点、参考扭矩、并联模式下发动机熄火次数、SOC阈值范围、发动机串联发电工作点、纯电模式进并联模式车速、发动机单独驱动工作范围、水泵启停控制温度等控制参数，依据GB/T19754—2021《重型混合动力汽车能量消耗量试验方法》［4］，基于CCBC工况在实车上对车辆进行燃油消耗试验。

具体试验过程如下：

a.整车部件修改：为验证整车部件对燃油消耗率的影响，将车辆自身机械部件对油耗的影响降到最低，对发动机涡轮增压器、轮胎、转向电机、发动机皮带驱动转向泵、空调压缩机等车辆部件进行了拆除、更换试验对比。

b.控制策略修改：根据试验环境，采取多轮次、分阶段的方式修改控制参数，得出多组试验数据。

42 试验结果分析

分别对以上控制参数进行多次修改尝试，并基于CCBC工况进行仿真试验和实车验证，得到该105 m混动车辆的燃油消耗值，记录能耗数据并分析汇总，得到整车控制策略中各参数对该混动车辆能耗的影响因子估算值，如表2所示。

说明：由于试验数据有限，表2中各影响因子数值是基于现有仿真和试验数据分析所获得的估算值。

基于以上影响因子数据，持续对整车控制策略各参数进行调整和优化和试验验证，最终将此105 m混合动力公交客车综合燃油消耗值降低至13 L/100km（CCBC工况），依据GB 30510—2018《重型商用车辆燃料消耗量限值》［5］，节油率达62%以上。

5 结语

本文以某105 m同轴混联式ISG混合动力城市公交客车为例，分析了车辆动力系统的结构与控制原理，搭建了整车控制模型，结合车辆不同的工作模式对整车控制策略进行了优化，通过仿真和实车试验数据，得到了各控制参数对该车辆能耗的影响因子，经过控制策略的优化和调整，实现了较好的节油效果。

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