串聯式混合動力客車控制策略研究

房亮　王新　李晶華

【摘 要】城市公交車在運行過程中長時間怠速運轉，不僅降低了燃油的經濟性還對城市環境造成了污染。本文針對串聯式混合動力客車的控制策略進行了深入的研究，基于ADVISOR仿真平臺對比分析了不同控制策略對車輛動力性和經濟性的影響，確定了最優控制策略。

【關鍵詞】混合動力客車；控制策略；優化仿真

0 前言

與純電動汽車相比，混合動力汽車減少了對蓄電池組的依賴程度。從而可以大大突破蓄電池組儲能量、電池成本，充電配套設施等瓶頸問題，更有利于市場推廣和使用。而且，串混合動力車輛可以最大限度的保留原車結構，在原車基礎上加裝電動機和動力蓄電池組。由于混合動力車輛對電池組的依賴性較低，這樣可以減小電池組的使用規模，混合動力車輛空調、照明、多媒體系統等仍由發動機進行電能轉化供給，對其性能要求均可適當降低，節約了制造成本，降低了生產工藝要求。另外混合動力車輛無續駛里程和充電站建設等因素限制，這樣更有利于推廣和普及[1]。

串聯式混合動力客車（以下簡稱SHEB）結構與并聯式結構和混聯式結構相比，電動機與傳動機構剛性相連，直接驅動；發動機—發電機組與蓄電池及電動機間采用電氣連接。這樣發動機的運轉不受車輛運行工況的影響，可以工作在高效率區域，大大降低了油耗。同時，雖然發動機的動能轉化為蓄電池組的電能有一定的能量損失，但由于城市路況中客車行駛速度低、長時間怠速，故可以大大抵消此部分損失的能量，提升燃油經濟性。此外，串聯式機構中蓄電池組尺寸較大，但將其應用在城市客車中，可以忽略此影響。如果可以設計插電模式，將可以進一步降低油耗。

1 控制策略分析

混合動力車輛研發的主要目的是在保證車輛動力性能的同時，最大限度的降低油耗，減少排放。為達到此目標可以從兩方面進行研發設計：一是，混合動力部件中發動機、電動機、動力電池等的匹配優化；二是，控制策略的研發設計。

控制策略的設計是混合動力車輛研發的核心環節，通過混合動力車輛的控制策略可以控制各部件之間的能量流動方向。優化系統的控制策略，使各部件協調工作，可以大大提高整車的運轉效率，達到節能減排的目的。

為了保證混合動力車輛動力性，兼顧生產成本、燃油經濟性和排放等方面，在SHEB控制策略制定時應考慮以下問題：

（1）發動機工作區間優化。由于發動機—發電機組與電動機之間為電氣連接，動力系統對發動機運轉工況的影響小，這樣可使發動機的扭矩和轉速運轉在最佳工作點或區域內，從而可以降低油耗和排放。

（2）減少發動機轉速和扭矩波動。由于在SHEB動力系統中發動機運轉的相對獨立，可以在滿足車輛功率需求的前提下，盡量減少發動機的工況波動，避免在整個負荷區間運行時增加油耗，降低使用壽命。

（3）設置發動機運轉速度下限。當發動機運轉速度過低時，會增加車輛油耗，可以通過關閉發電機改善排放。

（4）設置動力電池SOC下限值。通過設置SOC下限值可以保證整個動力系統在任意時刻均能保證充沛的動力。

（5）設置動力電池SOC下限值。為了防止車輛在再生自動時，由于能量的回收造成動力電池的過壓現象應設置SOC上限。

（6）減少動力電池SOC波動。較大的SOC波動會大大減低動力電池的使用壽命，電池工作時最好淺充淺放。

（7）盡量減少發動機啟停次數。發動機頻繁啟動會減低經濟性，導致排放惡劣。

混合動力車輛的控制策略主要分為穩態管理策略和動態控制策略。目前，穩態管理策略應用較為集中，通過設置系統的能量流向和發動機工作狀態，優化控制結果。穩態管理策略包括優化算法控制、模糊邏輯控制和邏輯門限控制三種。前兩種為實時控制方式，因在控制過程中需要實時準確的監控車輛發動機最佳油耗和排放點，需要高速可靠的信號采集處理系統，分析大量的數據。而邏輯門限控制方式通過設置門限值，使SHEB中各部件工作在最優工作區域。邏輯門限控制方式主要包括：恒溫器控制策略、功率跟隨控制策略和前兩種相結合的綜合控制策略[2]。

1.1 恒溫器控制策略

具體控制方式描述如下：

（1）當動力電池荷電量SOC小于CS_LO_SOC時，發動機啟動并向動力電池充電；

（2）當動力電池荷電量SOC大于CS_HI_SOC時，立即關閉發動機；

（3）當動力電池荷電量SOC介于二者之間時，保持發動機運行狀態不變；

（4）發動機工作在最佳工作點Pfc=CONST。

此種控制策略中，SOC為唯一門限值。發動機始終工作在最佳工作點，排放性能最好，但SOC波動較大，對動力電池的壽命會有影響。

1.2 功率跟隨控制策略

功率跟隨控制策略是指發動機運轉時的功率輸出時刻跟隨車輛的功率需求，具體控制策略如下：

（1）發動機工作時，其輸出功率要隨著動力電池荷電量SOC進行調節，使SOC保持在（CS_HI_SOC+ CS_LO_SOC）/2附近；

（2）當動力電池荷電量SOC大于CS_HI_SOC時，關閉發動機；

（3）當動力電池荷電量SOC小于CS_HI_SOC，且車輛需求功率Pb小于蓄電池可輸出功率Pess時，停止發動機；Pb大于Pess時啟動發動機；

（4）當動力電池荷電量SOC小于CS_LO_SOC，發動機啟動；

（5）其他工況發動機保持原狀態不變。

此種控制策略動力電池荷電量波動最小，大大延長了電池的使用壽命。但發動機需要在整個負荷區間工作，其排放性能大大降低，同時油耗急劇上升。而且由于發動機的頻繁起停也增加了動力系統的故障率[3]。

1.3 綜合控制策略

圖1 綜合控制策略endprint

以上兩種控制策略各有優缺點，為了充分利用兩種控制策略的優勢，制定了綜合控制策略。綜合控制策略控制方式采用功率跟隨策略為主，兼顧恒溫器策略[4]。該策略可以使發動機和動力電池高效運行，提升了整體效率，綜合控制策略如圖1所示。此種控制模式下發動機并非工作在最佳工作點，也沒有工作在整個負荷區間，而是工作在最優工作曲線上。

2 控制策略建模

為了滿足SHEB動力性、經濟性和排放的要求，現對SHEB的三種控制策略基于MATLAB_SIMULINK環境下進行建模。

圖2為恒溫器式控制模型，其中1部分實現功能為：當動力電池荷電量SOC低于下限值時打開發動機；2部分實現功能為：當荷電量SOC高于下限值而低于上限值時，保持發動機的工作狀態，當SOC超過上限值時，關閉發動機；3部分可實現令發動機工作在最佳工作點位置的功能[5]。

對于綜合控制策略的模型，我們主要通過在功率跟隨模型的基礎上，修改M文件獲得。

3 仿真分析

對于同一SHEB車輛，不同的控制策略會對整車的動力性能、經濟性能和排放等產生直接影響。接下來，我們借助ADVISOR仿真環境分析同一SHEB在三種不同的控制策略下對車輛性能的影響。首先將匹配計算的SHEB各部件參數（見表1）輸入到ADVISOR仿真環境中。工況選擇CYC_ UDDS城市路況，循環次數為3。

通過ADVISOR軟件進行仿真，不同的控制策略對應的動力電池荷電量SOC變化如圖4所示。

4 結論

通過對三種控制策略的仿真分析，可以得出：三種控制策略與傳統客車相比均可大大降低油耗；其中恒溫器式控制由于發動機始終工作在最高效工作點故燃油經濟性能最具優勢，但動力蓄電池荷電量SOC波動幅度最大，大大降低了動力蓄電池的使用壽命；功率跟隨控制方式中SOC波動幅度最小，但此時發動機為了滿足功率需求需要工作在整個工作區間內，耗油量大，排放惡劣；綜合控制策略結合了以上兩種控制策略的優點，平衡了各自的優缺點，大大延長了SHEB動力系統的使用壽命，為SHEB的研發設計提供了最優解決方案。

【參考文獻】

[1]陳清泉，孫逢春.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002：1-2.

[2]高燕.串聯式混合動力城市客車參數匹配與控制策略研究[D].山東理工大學碩士學位論文.2007.endprint