基于CCBC工況的混合動力公交客車能耗優化控制策略研究

基金項目：安徽省高校自然科學研究項目（2023AH052966）

摘要：燃油經濟性直接影響混合動力城市公交客車的產品性能，如何基于仿真和實車試驗數據來實現控制策略的優化具有現實的研究意義。針對某105 m同軸混聯式ISG混合動力城市公交客車搭建了整車仿真模型，基于中國典型城市公交循環（CCBC）工況進行了Cruise、Matlab/Simulink聯合仿真分析，并結合GB/T19754—2021《重型混合動力汽車能量消耗量試驗方法》相關標準要求，對該混合動力車輛進行了多輪綜合燃油消耗量測試驗證。最終的試驗數據表明，優化之后的控制策略顯著提高了車輛燃油經濟性。

關鍵詞：混動公交客車；控制策略；聯合仿真；能耗試驗

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2024-03-28

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405010

1 前言

《中國制造2025》提出“節能與新能源汽車”作為重點發展領域，計劃到2025年，生產的插電式混動客車節油達到70%以上，排放減少80%。目前，現有混合動力客車還存在一些問題和技術瓶頸，并聯混合動力存在可靠性低、平順性差、節油率低等問題，混聯系統存在爬坡度低、扭轉減振盤壽命低等問題［1］。而高效的插電式混合動力客車及系統關鍵技術研究可以攻克我國在發動機、機電耦合系統等方面技術瓶頸，高效解決混合動力客車現存技術難點。

本文基于市場對于插電式混合動力公交燃油經濟性的高要求，著眼于研究發動機系統和電驅動系統的機電耦合控制來實現發動機系統和動力電池系統的效率，通過仿真和實車試驗數據，計算發動機控制、電池能量管理、電驅動系統控制等整車控制策略中各相關參數對整車能耗的影響因子，得到最優控制策略參數，最終實現車輛的能耗優化。

2 混動系統結構與控制原理

21 ISG混動系統結構

圖1為某105 m混動公交客車動力系統結構圖，該系統部件包括發動機、扭轉減震器、ISG電機、驅動電機、牙嵌式電磁離合器及輔助部件等，以上機械部件為同軸式結構，混合動力系統為同軸混聯式結構。該系統具備高效率、低能耗、高防護、高可靠性的技術特點。

22 混動系統控制原理

系統具有串聯、并聯、混聯三種模式，整車控制原理如下：車速起步時，當發動機轉速達到經濟轉速區之前，車輛由電機驅動；當車輛達到一定車速，電磁離合器結合，車輛進入并聯模式，發動機參與驅動。另外，為保證動力電池的高效使用，電池SOC需保持在一定的閾值范圍內，可通過串聯、并聯發電或者利用發動機剩余功率補充電池電量［2］。

3 整車控制策略

31 整車控制模型搭建

根據上文所述，結合車輛車身及底盤參數，將發動機外特性及萬有特性曲線擬合后，在MATLAB/Simulink中搭建整車控制模型，如圖2所示。

32 整車控制策略優化

混合動力客車整車控制策略是實現車輛協調控制的核心和關鍵，最終目的是實現整車能量的最優化管理。該系統采用全工況條件下整車多工作模式切換策略，保證在儲能系統和制動系統的邊界約束條件下，實現大范圍車速下離合器快速接合與分離。同時充分利用混聯系統的串/并聯優勢，車輛可以自動適應各種工作路況，有效提升綜合燃油經濟性。同時，合理有效的能量優化管理策略，對整車的節能降耗指標起著非常重要的作用。各模式下，整車控制系統需要考慮以下兩個問題：在平衡乘座舒適度與能量回饋效率的基礎上，合理匹配最大制動扭矩；在平衡整車安全性與能量回饋效率的基礎上，合理分配剎車踏板的電制動開度［3］。

該系統工作模式可分為停車、驅動和制動三種模式。這三種模式又可以根據發動機和電機的工作狀態分為不同的子模式，各模式之間轉換通過機電耦合裝置實現，各模式詳細劃分如表1所示。整車工作模式的劃分及切換是控制策略的核心，結合發動機外特性及萬有特性曲線，根據油門踏板開度、車速以及系統狀態等因素獲得當前總的扭矩需求，最終確定車輛當前處于何種工作模式，在各個模式下進行控制策略的優化。

33 整車性能仿真

基于中國典型城市公交循環（CCBC）工況，采用Cruise、Matlab/Simulink聯合仿真分析，得到動力電池電壓電流功率、SOC變化、續駛里程、工作模式切換過程、動力系統扭矩變化及發動機工作點等各性能參數的仿真結果，如圖3所示。

4 實車試驗

41 實車試驗過程

結合以上控制策略，分別優化發動機噴油啟動轉速點、參考扭矩、并聯模式下發動機熄火次數、SOC閾值范圍、發動機串聯發電工作點、純電模式進并聯模式車速、發動機單獨驅動工作范圍、水泵啟停控制溫度等控制參數，依據GB/T19754—2021《重型混合動力汽車能量消耗量試驗方法》［4］，基于CCBC工況在實車上對車輛進行燃油消耗試驗。

具體試驗過程如下：

a.整車部件修改：為驗證整車部件對燃油消耗率的影響，將車輛自身機械部件對油耗的影響降到最低，對發動機渦輪增壓器、輪胎、轉向電機、發動機皮帶驅動轉向泵、空調壓縮機等車輛部件進行了拆除、更換試驗對比。

b.控制策略修改：根據試驗環境，采取多輪次、分階段的方式修改控制參數，得出多組試驗數據。

42 試驗結果分析

分別對以上控制參數進行多次修改嘗試，并基于CCBC工況進行仿真試驗和實車驗證，得到該105 m混動車輛的燃油消耗值，記錄能耗數據并分析匯總，得到整車控制策略中各參數對該混動車輛能耗的影響因子估算值，如表2所示。

說明：由于試驗數據有限，表2中各影響因子數值是基于現有仿真和試驗數據分析所獲得的估算值。

基于以上影響因子數據，持續對整車控制策略各參數進行調整和優化和試驗驗證，最終將此105 m混合動力公交客車綜合燃油消耗值降低至13 L/100km（CCBC工況），依據GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》［5］，節油率達62%以上。

5 結語

本文以某105 m同軸混聯式ISG混合動力城市公交客車為例，分析了車輛動力系統的結構與控制原理，搭建了整車控制模型，結合車輛不同的工作模式對整車控制策略進行了優化，通過仿真和實車試驗數據，得到了各控制參數對該車輛能耗的影響因子，經過控制策略的優化和調整，實現了較好的節油效果。

參考文獻：

[1]劉鎧嘉插電式混合動力客車能量管理控制策略優化方法研究[D]秦皇島：燕山大學，2021.

[2]李殿凱，張冰戰混聯式混合動力客車控制策略參數優化研究[J]合肥工業大學學報，2019（6）：741-745

[3]王冉基于發動機效率區間劃分的混合動力客車控制策略優化[J]專用汽車，2023（7）：26-28

[4]GB/T 19754—2021 重型混合動力汽車能量消耗量試驗方法[S]

[5]GB 30510—2018 重型商用車輛燃料消耗量限值[S]

作者簡介：

趙姍姍，女，1997年生，助教，研究方向為新能源汽車控制策略。