基于發(fā)動(dòng)機(jī)效率區(qū)間劃分的混合動(dòng)力客車(chē)控制策略?xún)?yōu)化

摘要：經(jīng)濟(jì)性是衡量混合動(dòng)力客車(chē)性能的重要指標(biāo)，如何合理劃分發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間直接影響著混合動(dòng)力客車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)某同軸混聯(lián)式ISG混合動(dòng)力客車(chē)系統(tǒng)，劃分該系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式進(jìn)行并擬合出不同工作模式下發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間曲線。基于中國(guó)典型城市公交循環(huán)（CCBC）工況，使用該優(yōu)化后的控制策略在MATLAB/Simulink建立的混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)模型中進(jìn)行仿真，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果和實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化之后的整車(chē)控制策略顯著提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力客車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間；控制策略；CCBC工況

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.1 ?收稿日期：2023-06-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.008

1 前言

隨著插電式混合動(dòng)力客車(chē)的推廣和應(yīng)用，人們對(duì)其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)提出了更高的要求[1]。相較于傳統(tǒng)客車(chē)，混合動(dòng)力客車(chē)可以利用動(dòng)力電池的能量并采用不同的機(jī)電耦合方式實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間主動(dòng)調(diào)節(jié)，如何調(diào)整和優(yōu)化控制策略，合理劃分發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間是提高混動(dòng)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前，混合動(dòng)力客車(chē)用于改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的控制策略大多基于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，很少有對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)在控制策略上工作的開(kāi)展。這些控制策略中，往往忽略了動(dòng)力電池對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化效果的影響，單一地尋找發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)和最佳工作效率曲線，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行控制策略的優(yōu)化[2]。

針對(duì)該問(wèn)題，本文以一款同軸混聯(lián)式ISG混合動(dòng)力客車(chē)為研究對(duì)象，結(jié)合混動(dòng)車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)介入的不同工作模式，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間進(jìn)行劃分，并擬合出不同發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間曲線，基于MATLAB/Simulink建立整車(chē)模型，對(duì)該控制策略進(jìn)行仿真，并實(shí)車(chē)驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性。

2 混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

ISG混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)為同軸式結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)采用扭轉(zhuǎn)減震器實(shí)現(xiàn)機(jī)電耦合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間，由電磁離合器實(shí)現(xiàn)結(jié)合與分離。該系統(tǒng)具有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種工作模式。串聯(lián)模式中，電磁離合器分離，整車(chē)由電機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)發(fā)電；并聯(lián)模式中，電磁離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)和主電機(jī)協(xié)調(diào)分配，進(jìn)行車(chē)輛驅(qū)動(dòng)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間劃分

混合動(dòng)力客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械連接的方式對(duì)整車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)易受車(chē)速影響，故發(fā)動(dòng)機(jī)難以穩(wěn)定工作在較窄的最優(yōu)效率區(qū)。但是在離合器的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)存在電機(jī)的負(fù)載平衡，通過(guò)制定優(yōu)化的控制策略可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬廣的高效率工作區(qū)間工作。根據(jù)前文所述，依據(jù)ISG混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)三種工作模式，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間劃分串聯(lián)發(fā)電區(qū)間、驅(qū)動(dòng)區(qū)間和并聯(lián)區(qū)間［3］。

3.1 串聯(lián)發(fā)電曲線的確定

串聯(lián)發(fā)電曲線是指發(fā)動(dòng)機(jī)由串聯(lián)發(fā)電模式介入驅(qū)動(dòng)模式的臨界曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的最低曲線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需進(jìn)入驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間在此曲線上方。系統(tǒng)由串聯(lián)工作模式進(jìn)入并聯(lián)工作模式，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的效率應(yīng)高于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)的效率。定義P動(dòng)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，P電為電機(jī)發(fā)電功率，P橋?yàn)轵?qū)動(dòng)功率，be動(dòng)為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)特性，be電為電機(jī)發(fā)電經(jīng)濟(jì)特性，be橋?yàn)轵?qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)特性，I電為電機(jī)發(fā)電效率，I橋?yàn)轵?qū)動(dòng)效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率：

P電=P動(dòng)I電 ????????????????????????????????????????????????（1）

發(fā)電機(jī)功率作用到驅(qū)動(dòng)橋上的功率：

P橋=P電I橋 ?????????????????????????????????????????????????????（2）

通過(guò)類(lèi)比發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線來(lái)表達(dá)混動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)電驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)特性，有：

be=g/kWh ????????????????????????????????????????????????????????（3）

be電=be動(dòng)/I電 ?????????????????????????????????????????????????（4）

be橋=be電/I橋=be動(dòng)/I電/I橋 ????????????????????????????????????（5）

運(yùn)用MATLAB對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線和電機(jī)的MAP圖，并分別求得對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、扭矩下的be動(dòng)和I電，得到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電的特性曲線，如圖1所示。

在圖1上可查得be電的最低點(diǎn)，其意義為在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩下，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)電機(jī)發(fā)電的效率最高，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。電驅(qū)動(dòng)的特性be橋可以理解為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒1 g燃料后，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并最終由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用在驅(qū)動(dòng)橋上的能量。在已經(jīng)確定be電的最優(yōu)點(diǎn)后，根據(jù)公式（5）可以確定be橋的最優(yōu)點(diǎn)。其意義為：在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩下，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)電并驅(qū)動(dòng)到橋上的效率最高，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。最終可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由串聯(lián)模式進(jìn)入并聯(lián)模式并參與驅(qū)動(dòng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的效率要高于此點(diǎn)，因此將be橋最優(yōu)點(diǎn)反饋至發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性上，沿此值可以得到串聯(lián)發(fā)電曲線。

3.2 驅(qū)動(dòng)曲線的確定

驅(qū)動(dòng)曲線是指發(fā)動(dòng)機(jī)由單獨(dú)驅(qū)動(dòng)介入邊驅(qū)動(dòng)邊充電的臨界曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)如驅(qū)動(dòng)充電的最低曲線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入邊驅(qū)動(dòng)邊充電狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間在此曲線上方。混動(dòng)系統(tǒng)的充電功率至少需要兩個(gè)點(diǎn)覆蓋，之前確定單獨(dú)驅(qū)動(dòng)曲線時(shí)已經(jīng)確定了較低的充電功率，考慮到發(fā)電機(jī)的功率限制，一般將高的充電功率點(diǎn)定為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率附近。同時(shí)考慮到扭矩控制需求，可在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線上找到滿足此發(fā)電功率的等功率曲線，以確定驅(qū)動(dòng)發(fā)電曲線。

3.3 并聯(lián)曲線的確定

并聯(lián)曲線是指發(fā)動(dòng)機(jī)由邊驅(qū)動(dòng)邊發(fā)電介入發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的臨界曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的最低曲線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間在此曲線上方。當(dāng)混動(dòng)系統(tǒng)整體扭矩需求已經(jīng)超越了發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，此時(shí)應(yīng)該需要電機(jī)介入提高系統(tǒng)的動(dòng)力輸出，而發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線已經(jīng)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，因此可以直接將發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性定義為并聯(lián)曲線［4］。

通過(guò)以上分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間曲線，并將此三個(gè)曲線繪制在發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有曲線上，如圖2所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果分析

基于某10.5 m插電式混合動(dòng)力客車(chē)，使用MATLAB/Simulink混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)模型，將以上所確定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型，基于中國(guó)典型城市公交工況（CCBC工況）對(duì)實(shí)車(chē)測(cè)試并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果為：13.81 L/（100 km），其中油耗為13.03 L/（100 km），電耗折算為油耗為0.78 L/（100 km）。圖3反應(yīng)了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同模式下的工作點(diǎn)分布，可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)基本處于高效率工作區(qū)間，有效實(shí)現(xiàn)了控制策略?xún)?yōu)化目標(biāo)。

4.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果分析

將該控制策略應(yīng)用于試驗(yàn)車(chē)輛，基于中國(guó)典型城市公交工況（CCBC工況）對(duì)某10.5 m ISG混聯(lián)式混合動(dòng)力客車(chē)進(jìn)行油耗試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，該控制策略有效達(dá)到達(dá)到預(yù)期效果，節(jié)油率達(dá)60%以上（燃油限值參考《GB 30510-2014重型商用車(chē)輛燃料消耗量限值》）［5］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某同軸混聯(lián)式ISG混合動(dòng)力客車(chē)系統(tǒng)，分析其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，并依據(jù)工作模式將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了工作區(qū)間的劃分，并繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間曲線，借助MATLAB/Simulink車(chē)輛控制模型，將優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略基于中國(guó)典型城市公交循環(huán)（CCBC）工況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，最終將該控制策略應(yīng)用于實(shí)車(chē)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于發(fā)動(dòng)機(jī)效率區(qū)間劃分的混合動(dòng)力客車(chē)優(yōu)化控制策略，具有較好的節(jié)油效果，滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求。

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[5]GB 30510-2014 重型商用車(chē)輛燃料消耗量限值[S].

作者簡(jiǎn)介：

王冉，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力客車(chē)系統(tǒng)集成及控制策略。