增程式電動(dòng)公交車動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析

劉春生

摘 要：本文以某款增程式電動(dòng)公交車為原型，以功率跟隨控制策略和恒功率控制策略對(duì)整車能量進(jìn)行管理，并在Matlab/simulink仿真軟件中建立了整車仿真模型，對(duì)兩種控制策略的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明在功率跟隨控制策略下，增程式電動(dòng)公交車的油耗略高于恒功率控制策略，但其動(dòng)力性較好，爬坡性能和加速性能均優(yōu)于恒功率控制策略。對(duì)于恒功率控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最高效率點(diǎn)，所以其經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于功率跟隨控制策略，但其充放電循環(huán)頻率高于功率跟隨控制策略。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)客車 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

近年來(lái)，隨著中國(guó)石油消費(fèi)量的急劇上升，中國(guó)能源安全問(wèn)題日益突出[1]。為順應(yīng)發(fā)展需求，現(xiàn)如今眾多城市公交車輛都已逐漸使用增程式電動(dòng)公交車輛投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)車輛能耗高，排放污染嚴(yán)重，難以滿足發(fā)展要求，此缺陷對(duì)城市工況運(yùn)行的車輛尤為突出。在新能源車輛方面，純電動(dòng)車輛自重較大，動(dòng)力電池成本較高、存在續(xù)航里程短等問(wèn)題，但增程式電動(dòng)汽車不僅具有純電動(dòng)汽車的眾多優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)力電池組較小的尺寸和質(zhì)量能提高整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，較長(zhǎng)的行駛里程也能與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力相媲美，且動(dòng)力電池組始終處于淺充放電狀態(tài)[2]。該動(dòng)力系統(tǒng)形式的汽車既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，又能保證其續(xù)駛里程。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，整車能量管理策略也影響極大。目前基于規(guī)則的策略因其具備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在實(shí)車中已得到廣泛應(yīng)用，雖然基于優(yōu)化的策略對(duì)車輛的性能在理論層面有所提升，但因其復(fù)雜、不夠穩(wěn)定，目前卻難以進(jìn)行實(shí)車應(yīng)用[3]。

基于上述條件和特點(diǎn)，現(xiàn)階段增程式動(dòng)力系統(tǒng)在城市公交車輛的應(yīng)用潛力和需求較大。具備一套匹配較佳的增程動(dòng)力系統(tǒng)和能量管理策略可極大的提升車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，更好達(dá)到節(jié)能減排的要求。尤其面對(duì)中國(guó)如此巨大的市場(chǎng)需求，十分有必要對(duì)增程式城市公交車輛動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究。

所以本文針對(duì)增程式城市公交車輛的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究并利用Matlab/simulink仿真平臺(tái)搭建整車仿真模型及進(jìn)行整車性能分析。且針對(duì)該車輛動(dòng)力系統(tǒng)制定了基于功率跟隨的控制策略和恒功率控制策略，然后根據(jù)仿真結(jié)果分析了兩種控制策略對(duì)車輛的影響。

1 主要參數(shù)及建模

增程式電動(dòng)公交車動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池組、增程器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。車輛控制器能夠結(jié)合踏板信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)和當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)，充分考慮動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性等因素，實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)分配。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器根據(jù)控制策略所制定的方案控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停，傳遞能量給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池。電池較大的容量能為增程式電動(dòng)汽車提供足夠的動(dòng)力，可以單獨(dú)為驅(qū)動(dòng)機(jī)提供能量。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 整車主要參數(shù)

本文選取某款純電動(dòng)客車的基本參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 整車需求功率模型

為了更容易確定車輛各種參數(shù)，通常對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，將車輛復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)簡(jiǎn)化。經(jīng)典車輛運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中，為車輛需求功率，為車輛滾動(dòng)阻力功率，為車輛空氣阻力功率，為車輛坡道阻力功率，為車輛加速阻力功率。

1.3 APU模型

在增程式系統(tǒng)中APU非直接通過(guò)機(jī)械連接驅(qū)動(dòng)車輛，這使得APU單元可以進(jìn)行獨(dú)立的控制，其能夠更好工作在效率較高區(qū)域。為簡(jiǎn)化模型復(fù)雜度，本文在進(jìn)行仿真時(shí)可直接通過(guò)功率插值先前計(jì)算完成的最佳燃油消耗曲線得到當(dāng)前燃油消耗率：

式中，為燃油消耗率，為APU當(dāng)前功率。

1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

對(duì)于電驅(qū)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)工況下電機(jī)可以提供驅(qū)動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)，在減速工況下電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)能量回收以減少能量損耗。本文在仿真時(shí)，為簡(jiǎn)化模型復(fù)雜度，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩插值電機(jī)效率MAP以得到電機(jī)工作效率。

式中，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.5 電池模型

不考慮電池壽命和溫度變化的影響，通過(guò)電池性能試驗(yàn)可得電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻模型[4]。電池SOC（State Of Charge， SOC）變化如公式所示：

式中，為電池SOC變化值，為電池電動(dòng)勢(shì)，為電池功率，為電池內(nèi)阻，為電池容量。

2 控制策略

增程式電動(dòng)公交車有兩個(gè)動(dòng)力源，在電池SOC值高于邏輯控制下限時(shí)，整車所需要的動(dòng)力全部由電池提供，電池SOC達(dá)到下限時(shí)，增程器啟動(dòng)，為整車提供動(dòng)力同時(shí)為電池充電。增程器的啟停影響著整車的性能和油耗排放，其控制策略是保證動(dòng)力性的前提下，減少增程器的啟停，且盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，因此制定合理的控制策略對(duì)實(shí)現(xiàn)能量的最佳分配尤為重要。

由于對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)車輛幾種常見(jiàn)的控制策略分析知道，基于規(guī)則的控制策略算法較為簡(jiǎn)單，易于在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，且具有較好的魯棒性[5]。所以本文選取功率跟隨和恒功率兩種控制策略對(duì)整車進(jìn)行控制，并對(duì)比分析兩種控制策略下整車的動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性。

2.1 功率跟隨控制策略

對(duì)于功率跟隨控制策略其發(fā)動(dòng)機(jī)沿設(shè)定的路徑工作，此控制策略下整車的動(dòng)力性較好，具有很強(qiáng)的爬坡性能和加速性能，其輸出的功率大部分為整車提供動(dòng)力，小部分為電池充電。這種控制策略可以避免電池頻繁的充放電，提高電池的壽命。該策略下客車的工作模式大致思路流程如圖2所示。

2.2 恒功率控制策略

對(duì)于恒功率控制策略其較為簡(jiǎn)單，增程器的啟停完全由SOC決定，SOC高于設(shè)定上限時(shí)，動(dòng)力完全由電池提供，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作；SOC達(dá)到下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最高效點(diǎn)，此點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率最低。SOC沒(méi)有達(dá)到邏輯控制下限時(shí)，增程器是不啟動(dòng)的，其工作模式最大的不同就是恒功率控制策略下增程式電動(dòng)客車沒(méi)有功率跟隨模式，即增程模式下動(dòng)力電池始終處于充放電狀態(tài)。其大致思路流程如圖3所示。

3 仿真結(jié)果

本文采用中國(guó)典型城市工況（ China Typical City Cycle，CTCC）對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，該工況最高車速60km/h，一個(gè)循環(huán)5.91km，總耗時(shí)1314s。具體如圖4所示。

本次仿真中設(shè)定電池容量低于0.3時(shí)，增程器啟動(dòng)進(jìn)入續(xù)駛階段。圖5和圖6分別展示了SOC與油耗的關(guān)系。功率跟隨下，動(dòng)力SOC低于0.3之前，當(dāng)所要求的功率較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，可以看到此時(shí)發(fā)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生緩慢上升的油耗，進(jìn)入增程模式后，功率進(jìn)行跟隨，發(fā)動(dòng)機(jī)為主能量源，此時(shí)電池充電較為緩慢，油耗急劇上升。恒功率下，SOC未低于0.3之前，動(dòng)力全部由電池提供，電池消耗較功率跟隨下較快，SOC低于0.3后，功率點(diǎn)恒定，油耗呈一定比例上升，電池充電較功率跟隨快。

圖7和圖8分別是兩種控制策略下車速與電池SOC的關(guān)系，由圖中可以看出，功率跟隨下電池放電較為平穩(wěn)，而恒功率控制策略下電池SOC伴隨著車速上升變化較為強(qiáng)烈。

由以上對(duì)兩種控制策略相同行駛距離下的油耗分析可知：恒功率控制策略下客車的油耗低于功率跟隨控制策略下客車的油耗。同時(shí)電池SOC可以看出：恒功率控制策略動(dòng)力電池充放電較功率跟隨控制策略頻繁，在運(yùn)行43個(gè)循環(huán)工況下，功率跟隨充放電循環(huán)進(jìn)行了不到2次，而恒功率控制策略下電池充放電已完成5個(gè)循環(huán)，且電池放電波動(dòng)較為劇烈，這對(duì)電池的壽命會(huì)產(chǎn)生較大影響，此外功率跟隨下發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間廣，可提供的功率范圍更大，因此動(dòng)力性較恒功率控制策略下要好。

4 總結(jié)

本文以某款純電動(dòng)客車為原型，制定了以功率跟隨控制策略和恒功率控制策略對(duì)整車能量進(jìn)行管理。在Matlab/simulink仿真平臺(tái)搭建了動(dòng)力系統(tǒng)后向仿真模型，通過(guò)仿真分析得到如下結(jié)論：

在中國(guó)典型城市循環(huán)工況模擬下，分析了兩種控制策略的經(jīng)濟(jì)性，恒功率控制策略油耗低于功率跟隨控制策略，但對(duì)于動(dòng)力性和電池方面的影響較大?？偟膩?lái)說(shuō)就是恒功率策略下發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件更好，功率跟隨策略下電池工作條件更好、動(dòng)力性更佳。

重慶市科技局技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展（重點(diǎn)項(xiàng)目）cstc2020jscx-dxwtBX0025純電動(dòng)汽車全氣候全工況超低能耗集成匹配關(guān)鍵技術(shù)研究。

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