含2擋箱增程式客車參數設計與仿真分析

黃鼎鍵，鐘 勇，閆曉磊

（福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州 350118）

含2擋箱增程式客車參數設計與仿真分析

黃鼎鍵，鐘 勇，閆曉磊

（福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州 350118）

為進一步提高增程式客車爬坡性能、加速性能及城市循環工況下的燃油經濟性，根據整車基本結構參數和目標性能要求增配了2擋箱，完成了新型增程式客車的動力參數設計，以AVL/ CRUISE為平臺建立了整車仿真模型，結合MATLAB/Simulink所建立的基于邏輯控制的控制器模型以及發動機PID控制模型；通過聯合仿真，結果表明：所設計的含2擋箱增程式客車爬坡性能、加速性能和燃油經濟性均有較好提升，基于邏輯控制的控制策略可滿足。

增程式客車；2擋箱；控制策略

0 引言

增程式客車作為新能源汽車一種模式，得到國內外學者重視并開展了多研究。Matt Van Wieringen等完成基于雙燃油動力系統，提高增程式汽車動力性[1]；Hong Zhang等提出了能量分配原則的新的控制模式，在ADVISOR中進行了仿真實驗，驗證了控制策略，最大限度地降低了能量消耗[2]；Xiaogang Wu等基于中國典型城市工況，進行增程式汽車能量管理系統優化，燃耗相對于傳統汽車可降低31.08%[3]；牛繼高、司璐璐等提出了增程用發動機的選配原則及整車燃油經濟性評價方法，引入基于規則的發動機定點和最優曲線能量控制策略[4,5]。姜蘊珈、宋珂針設計了基于遺傳所發的多輸入單輸出的模糊控制器，以電池SOC和負載需求功率為輸入變量，以發動機最佳輸出功率為輸出變量，優化設計后，燃油經濟性明顯提高[6]。王若飛對增程式客車動力系統進行匹配，設計了相應控制策略，運用CRUISE對客車的動力性和經濟性進行仿真[7]。

上述研究大都在傳統無變速器增程式汽車開展參數匹配和控制策略研究，針對帶2擋變速箱的增程式汽車的研究較少涉及；本文研究的原車型也是無變速器的增程式客車，實際營運過程中出現整車燃油經濟性和加速性能較差，特別是在部分路段爬坡能力無法滿足需求；故將針對含2擋變速器的增程式客車參數設計、控制策略制定與實現開展研究。

1 含2擋箱增程式客車結構

為進一步提高增程式客車的燃油經濟性和動力性，本文所研究的含2擋箱增程式客車是在原車型基礎上增設了2擋變速箱，主要由發動機、發電機、動力電池、超級電容、驅動電機、2擋變速箱、主減速器等組成，如圖1所示，其基本參數為：滿載質量為M=18000kg，整備質量MB=13300kg，迎風面積A=8.13m2，風阻系數CD=0.62，車輪滾動半徑r=0.526m，軸距L=6m，主減速比i0=6.16。其主要動力指標要求和燃油經濟性要求如下：最高車速vmax=69km/h，最大爬坡度i≥20%，0～50km/h的加速時間t≤30s，城市工況下平均百公里油耗Q≤22.5L。

圖1 增程式客車組成簡圖

2 動力系統參數設計

2.1 驅動電機參數設計

增程式客車中驅動電機是既是驅動汽車行駛的唯一動力裝置又是制動能回收的發電裝置，直接驅動整車行駛、加速、爬坡；動力系統參數需要根據整車動力性能、經濟性能要求、行駛工況等進行設計，主要包括額定轉速、最高轉速、額定扭矩、峰值扭矩、額定功率和峰值功率等參數，最終根據配套廠家的產品目錄進行選型、確定合適的驅動電機。

增程式客車動力系統中驅動電機既是動力裝置又是制動能回收的發電裝置，直接驅動整車行駛、加速、爬坡；驅動電機的轉速是一個重要的參數，其最高轉速nmax需與增程式客車所允許的最高車速umax匹配，并根據基速比2β==2選定額定轉速nb，由于該客車變速器第二擋為直接擋其傳動比i2=1，則可根據式(1)確定驅動電機最高轉速和電機額定轉速；驅動電機峰值功率Pmax需與最高車速umax、最大爬坡度α以及由v0～vt加速性能匹配，并根據電機過載系數2μ==2選定額定功率，可根據式(2)確定驅動電機峰值功率Pmax和額定功率Pb。

根據最高轉速、額定轉速、峰值功率和額定功率，由配套廠家的產品目錄選用了一款驅動電機，其額定功率為100kW，額定轉速為1200r/min，峰值扭矩為1592 Nm。

2.2 變速器一擋傳動比設計

該增程式客車低速爬坡時，忽略空氣阻力，則其動力主要用于克服爬坡阻力和滾動阻力，再根據驅動輪與路面附著條件，按式(3)可確定變速器一擋傳動比值的范圍。代入相關參數數據計算，并綜合尺寸、性能等因數，選定變速器的一擋傳動比為3.2。

式中，η為傳動效率；

?為附著系數；

Temax為電機最大轉矩；

M為滿載質量。

2.3 動力電池的參數設計

動力電池的功率需和電機功率相匹配，應滿足式(4)，經計算，動力電池組額定電壓為576V，電池組容量66Ah，38.01kW.h。

式中：

Qc為電池組容量，Ah；

W為電池組總能量，kW.h；

ηb為電池放電效率，0.85；

Paux為附件電氣的功率，kW；

Ib為動力電池電流，A；

Ub為動力電池電壓，V。

2.4 增程器參數設計

增程器由發動機、發電機及控制器組成，當動力電池的SOC消耗到低于設置值SOC_low時，該車由純電動驅動模式切換為增程模式，此時，發動機啟動、帶動發電機發電，為整車運行供能，并為動力電池充電，直到動力電池的SOC增加到SOC_high，關閉發電機和發動機，停止發電；發動機功率直接影響整車的燃油經濟性，所以應在滿足車輛平均行駛功率需求前提下，其取值盡可能小；研究和試驗表明，在中國典型城市工況下，此類客車平均需求功率約為35kW，考慮發電機效率ηf==0.09.292和驅動電機的效率ηe==0.092.9，2則發動機的功率為：

經計算得PE=41.35kW。進一步考慮空調、轉向電機等電氣設備的功率需求，增加內燃機功率裕量15kW，最終發動機功率和發電機功率均選取為57kW。

3 控制策略分析與實現

控制策略決定了增程式客車燃油經濟和動動力性[3,4]。利用MATLAB/Simulink按該車的控制策略建立控制器，控制器按其邏輯規則和實時獲取的汽車以及各部件的運行狀況，完成對變速器擋位、驅動電機狀態、增程器啟閉等的控制，最終影響整車動力性和燃油經濟性。

2擋變速器的控制目的是為了根據行駛工況實現變速器2個擋位切換、以滿足爬坡、高速行駛及節能的需求[5]；控制過程所需要的參數是汽車速度，其規則是當車速小于22km/h時，變速器處于低速擋；當車速大于等于22km/h時，自動切換到高速擋，其控制規則如圖2所示。

圖2 變速器的控制規則圖

驅動電機的控制目的是實現驅動電機功能切換，主要有驅動和制動能量回收兩種狀態；控制過程所需要的參數是汽車速度和駕駛員制動踏板信號，其規則是駕駛員沒有制動時，驅動電機處于驅動狀態，駕駛員加速踏板單獨控制驅動電機；當車速大于0.1km/h，且駕駛員有制動時，驅動電機由純電驅動模式切換為制動能回收模式，其控制規則如圖3所示，圖中，MLS表示電機負荷信號，其值在[-1,1]區間、LS表示駕駛員負荷信號，其值在[0,1]區間、BP、MBP、BFC分別表示制動壓力、最大。

圖3 驅動電機控制規則圖

發動機和發電機的控制目的是實現兩種狀態組合的切換：發動機和發電機均停機，APU處于不發電狀態（NG）；發動機和發電機均啟動處于發電狀態（G）。控制過程以動力電池SOC為控制參數，當動力電池SOC大于SOC_low時，整車行駛過程中所需的全部功率由動力電池單獨提供，處于純電動模式，發動機和發電機均不工作，該模式占比大；當動力電池SOC小于等于SOC_low時，增程器APU開啟，處于增程模式，發動機的轉速由PID控制器控制，達到高效、經濟的轉速，發動機帶動發電機運轉并輸出功率滿足汽車行駛需求，剩于部分為動力電池充電；當動力電池SOC大于等于SOC_high時，增程器APU關閉，重新切換為純電動模式。其控制規則如圖4所示，圖中的GSW、GLS、ESW、ELSD、PID_C分別表示發電機啟動開關、發電機負荷信號、發動機啟動開關、發動機負荷信號、PID控制器的信號。

圖4 發動機/發電機控制規則圖

按上述規則在MATLAB/Simulink中建立了多輸入多輸出的動力系統控制器，轉換成DLL文件后，供AVL/CRUISE的控制器模塊調用，實現MATLAB與CRUISE聯合仿真。

發動機PID控制的目的是使該車處于增程模式下時，控制發動機轉速為預設的轉速。PID控制器根據發動機轉速值nr(t)與實際值na(t)兩個參數值以及這兩參數值的差值：e(t)=nr(t)?na(t)，將偏差的比例Kp、積分Ti、微分Td通過線性組合構成控制量，對控制發動機轉速的油門執行器進行控制，最終實現發動機轉速恒定控制，其控制原理如圖5所示，其控制規律為：

圖5 發動機轉速PID控制原理圖

式中，u(t)為PID控制器的輸出信號，用于控制發動機油門執行器，經調定，比例系數Kp=20、積分時間常數Ti=2×10-4、微分時間常數Td=0.0025。

4 仿真及結果分析

為驗證本文所制定的控制策略的合理性，利用模塊化建模方法，根據圖1增程式客車整車結構、機械和電氣連接，在CRUISE中搭建整車模型并完成各模塊參數設置，從而建立了增程式客車仿真模型，如圖6所示。完成設置后，獲得仿真結果如圖7～圖10所示。

圖6 增程式客車仿真模型

圖7 SOC變化與發動機啟閉關系

圖8 車速與擋位曲線圖

圖9 爬坡度

圖10 0～50km/h加速性能對比

由圖7可知，文中以中國典型城市工況為循環工況，純電動模式下，動力電池SOC由初始值100%逐步消耗到45%，此時進入增程模式，啟動發動機和發電機，為整車功能的同時，也為動力電池充電，使其SOC由45%逐步增加到60%，又由增程模式切換到純電動驅動模式；當SOC第二次小號到45%時，第二次切換到增程模式。

由圖8可知，該增程式客車能按控制規則快速響應并實現換擋動作，當車速高于22km/h時，變速器由1擋切換到2擋，當車速低于22km/h時，又由2擋切換到1擋，停車時處于空擋狀態。

提高客車的爬坡性能是該增程式客車增設2擋箱目的之一，本文模擬電池充滿狀態，客車滿載狀態下的爬坡性能，由圖9可知，1擋最大爬坡度為21.70%，總體來看該客車增設2擋箱后爬坡性能相較于原車型有較大提升，可滿足城市道路中出現的爬道行駛。提高客車加速性能是該增程式客車增設2擋箱的另一個目的，由圖10可知，含2擋箱增程式客車0～50km/h的加速時間為27.8s，而不含2擋箱增程式客車0～50km/h的加速時間為39.4s，配備2擋箱增程式客車加速性能顯著提高，提高了約29.4%。

除完成上述仿真分析外，本文還計算了該客車最高車速、中國典型城市公交工況百公里油耗、初速度50km/h的滑行距離，其結果如表1所示。

表1 仿真結果

5 結論

針對一款新型增程式客車，以提高其爬坡性能、加速性能、燃油經濟性為目標，在原車型基礎上，增設了2擋變速箱，制定了相關控制策略，在CRUISE中建立了增程式客車仿真模型、運用Simulink/Stateflow建立了控制器模型等；通過發動機PID控制，發動機的工作點基本維持高效的運行，故此提高了燃油經濟性；仿真結果表明：所完成的參數設計和控制策略滿足要求；與此同時，0～50km/h的加速性能提高了29.4%，爬坡性能顯著提高，燃油經濟性提高了約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] 牛繼高,司璐璐,周蘇,等.增程式電動汽車能量控制策略的仿真分析[J].上海交通大學學報,2014,(1):140-145.

[5] 周蘇,牛繼高,陳鳳祥,等.增程式電動汽車動力系統設計與仿真研究[J].汽車工程,20011,(11):924-929.

[6] 姜蘊珈,宋珂,章桐.基于遺傳算法的增程式電動車模糊控制器設計[J].計算機工程,2014,(7):286-290.

[7] 王若飛.增程式電動客車參數匹配及控制策略研究[J].上海汽車,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

福建省教育廳項目（JA15346）；國家自然科學基金資助項目（51505085）

黃鼎鍵（1982 -），男，福建福州人，講師，博士研究生，研究方向為新能源汽車技術。