搭载CHS混合动力系统的城市客车仿真分析

万辅君，王伟，史广奎，王仁广

(中国汽车技术研究中心, 天津 300300)

搭载CHS混合动力系统的城市客车仿真分析

万辅君，王伟，史广奎，王仁广

(中国汽车技术研究中心, 天津 300300)

在解析CHS混合动力系统的基础上，重点介绍装配CHS混合动力系统的某客车整车控制策略模型开发和整车仿真模型搭建以及仿真结果分析。通过仿真分析，可以清楚了解所开发的整车搭载深度混合动力总成的具体性能状况。

混合动力总成；控制策略；仿真分析

0 引言

CHS混合动力系统为典型的深度混联结构，采用1个发电机、1个电动机和2套普通行星齿轮机构构成，以行星齿轮机构作为动力耦合和分配装置，为车辆提供纯电动和混联驱动两种驱动模式，结构简单，节油高效，已为国内多家城市客车配套并在公交线上实际运行。

1 CHS系统简介

1.1 基本组成

CHS混合动力系统是中国汽车技术研究中心开发的一款深度混合动力总成，实现了机电耦合、自动变速、自动离合3大功能，使得整个结构能够实现自动变速器的功能，集成度高，便于在汽车上布置和安装；总成装置使用2个普通行星排，1个完成动力分配和耦合，1个完成电动机的减速增扭，使得发动机同驱动轮在机械上完全解耦，能够使发动机工作在最佳状态。CHS混合动力总成主要包括发动机、缓冲组合机构、发电机、主电机、前行星排、后行星排、第一轴和第二轴，其中缓冲组合机构主要由电磁铁、锁销、一体化齿圈压盘和减振摩擦盘构成，大客车用混合动力总成结构示意图如图1所示。发动机飞轮通过缓冲组合机构连接第一轴，第一轴与前行星排的行星架相连；发电机的转子轴与前行星排的太阳轮相连，主电机的转子轴与后行星排的太阳轮相连；后行星排的外齿圈固定，主电机转子输出的动力经后行星排的太阳轮，由后行星排的行星架输出到与其相连的第二轴[1]。

1.2 工作模式

CHS混合动力装置具有多种不同工作模式，可以适用车辆的不同工况需求。(1)纯电动模式。发动机关闭，发电机空转，来自电池的能量通过主电机驱动车辆，车辆前进和倒车由主电机的旋转方向控制；(2)混合动力模式。发动机的动力由前行星排分成两路，一路经其齿圈、第二轴直接驱动车辆，另一路由发电机发电，经电机控制器变频后，再由主电机驱动车辆；(3)能量回馈模式。制动减速时，车轮带动第二轴运转，经后行星排驱动主电机发电，对动力电池充电；(4)停车充电模式。停车时前行星排的齿圈静止，发动机通过前行星排带动发电机发电，对电池动力充电；(5)电网充电模式。非运营时，可以通过充电桩对动力电池充电[2]。

2 控制策略模型

CHS混合动力客车整车控制策略主要用于发动机、主电机、发电机、动力电池、行星齿轮等部件的协调控制。所建模型主要包括3个部分：输入部分、多动力源动力分配控制模块、输出部分。

2.1 输入部分

输入部分是混合动力客车整车状态参数与控制参数的输入接口，包括加速踏板信号、发动机转速、实际车速、制动踏板信号、电池荷电状态、主电机转速、主电机扭矩、发动机扭矩、电池电压、电池电流、主电机工作电压、主电机工作电流、发电机工作电压、发电机工作电流、发电机实际转速、发电机实际扭矩、电池的实际温度、主电机实际温度、发电机实际温度、CRUISE实时控制。将这21个参数输入到控制模块，为整车控制提供状态参数和控制参数。这些参数主要来自于整车、发动机、主电机、发电机、电池等。上述定义的输入变量均是实车实时控制需要的输入量，这些控制输入量基本覆盖了整车多能源控制所需的状态量，这种定义统一了不同混合动力汽车整车控制策略的输入端，为混合动力汽车开发提供了标准化端口，规范了整车控制策略开发平台。

2.2 多能源动力分配模块

多能源动力分配模块是混合动力整车控制策略的核心部分，通过多能源动力总成控制模块算法，合理协调分配3动力源的动力以适应车辆外界工况的变化，满足整车动力性要求，达到节能减排的目的是混合动力汽车整车控制的最终目标。

多能源动力总成的动力分配控制从转矩分配、发动机启停控制、再生制动、混合动力控制、纯电动、故障诊断控制等6个内容展开。

转矩分配。根据发动机转速、主电机转速、发电机转速和踏板信号，经查表可以确定发动机最大转矩、主电机转矩、发电机转矩及其最大充电转矩、车轮驱动转矩。

再生制动。当驾驶员踏下制动踏板时，整车进入制动工况，根据制动情况，CHS总成中的主电机适时参与制动回收能量和滑行制动。根据制动踏板强度的不同，电机制动强度也不同。滑行制动模式：当驾驶员油门踏板为零，制动踏板也为零，并且车速在20 km/h以上的时候，车辆进行滑行制动模式，电机转矩随转速的变化查表而变化。再生制动模式:当驾驶员踏下制动踏板时，当开度大于5%的时候，电机的再生制动随着制动踏板和电机转速查表确定。

混合动力控制。根据驾驶员的需求，判断发动机的工作启停条件，一旦满足发动机的工作需求，发动机工作，进入混合动力工作模式。根据车辆速度、电池组SOC、油门踏板和刹车踏板、电机或发电机温度等参数综合判断，确定发动机是否需要启动或停止。当车辆低于一定速度时发动机停止工作，当车辆高于一定速度后发动机启动参与工作，这是最常用的启动判断条件。当SOC低于一定值后，发动机维持运转，直到电池组SOC达到设定的安全值后才允许发动机停止工作，这是为了避免电池组出现过放，造成永久伤害。

发动机启停控制。当油门信号大于一定值或者对应的功率需求大于当前电池组最大允许放电功率时，发动机立即启动参与功率输出，当刹车踏板踩下并持续数秒后允许发动机停止工作。当电动机或者发电机温度过高的时候，停止发动机工作。

纯电动控制。当整车挡位处于前进挡,同时不满足发动机的启动条件时，系统采用纯电动输出。

故障诊断。通过故障诊断模块，判断各总成状态是否良好，只有在总成无故障时才允许其参与工作。

2.3 输出部分

输出部分输出的控制参数主要有发动机、主电机、发电机的开关及负荷信号，整车工作模式及离合器状态信号，变速器要求挡位和换挡标识等信号。发动机的负荷信号、电机的负荷信号、整车的工作模式、主电机的开关、发动机的开关、发电机的开关、发电机的负荷信号、要求挡位等参数定义的输出变量主要用来对动力源进行控制，即对发动机、电机(主、发电机)的开关和负荷信号进行控制。这种定义也统一了不同混合动力汽车整车控制策略的输出端，为混合动力汽车开发提供标准的输出端口，规范了整车控制策略的开发平台。

3 混合动力客车CRUISE仿真模型

3.1 车辆模型

在车辆模型中，定义了CHS混合动力客车的基本数据，如外形尺寸，空载、满载质量，重心高度，油箱容量等，如表1所示。

表1 车辆模块参数

3.2 发动机模型

在CRUISE模型中，发动机模型的建模参数主要有发动机外特性曲线、燃油消耗特性曲线(见图2)等。

3.3 主电机模型

电机模型CRUISE建模数据主要有电机基本参数(表2)、电机转矩特性曲线(图3)和电机效率特性曲线(图4)等。

表2 主电机基本参数

3.4 发电机模型

发电机CRUISE模型建模数据主要有发电机基本参数、发电机负荷特性曲线(图5)与发电机效率特性曲线(图6)等。表3是发电机基本参数，由于与主电机使用同一电池包，因此发电机基本参数与主电机相同。

表3 发电机基本参数

3.5 电池模型

电池CRUISE模型建模参数有电池基本参数(表4)、电池充电特性曲线(图7)、电池放电特性曲线(图8)等。

表4 电池基本参数

3.6 行星齿轮模型

CHS系统采用普通的行星排，行星排的齿数比为2.11，其传递效率为0.98。

3.7 制动器模型

制动器模型基本参数如表5所示。

表5 制动器基本参数

3.8 车轮模型

车轮模型建模参数有车轮基本参数(表6)、车轮滚动阻力系数等。

表6 车轮基本参数

4 混合动力客车仿真性能分析

模型参数修正完善后，联合Simulink整车控制策略对双行星排、双电机方案进行仿真分析，主要进行了经济性仿真和动力性仿真，整车模型如图9所示。

4.1 经济性仿真结果

选择中国典型城市工况，在整车负载为65%额定载荷的条件下进行仿真，整车质量为16 320 kg，电池初始SOC值为55%，经济性仿真结果综合油耗为22.3 L/(102km)。

图10为中国典型城市工况车速跟随曲线，图11为发动机工作曲线，图12为主电机工作曲线，图13为发电机工作曲线，图14为发动机工作区域。

4.2 动力性仿真结果

仿真结果表明：最高车速可达81 km/h；0～50 km/h加速时间为21 s；最大爬坡度为18%。动力性能完全满足城市大客车的标准要求。

4.3 实车试验结果

动力性方面：0～50 km/h满载加速时间19 s；最大爬坡度18%；最高车速79 km/h。经济性方面：综合总油耗为22.48 L/(102km)。

5 结束语

通过建模，对搭载CHS混合动力系统的城市公交客车进行建模仿真，通过对动力性和经济性的计算分析和试验结果对比，表明所建模型具有较好的预测效果，对于具体的开发设计具有重要的指导意义。

【1】赵航，史广奎.混合动力电动汽车技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

【2】赵航，史广奎，王仁广，等.车辆用混合动力控制系统：中国,ZL201010159660.6[P].2012-10-03.

SimulationAnalysisonCityBuswithCHSHybridSystem

WAN Fujun，WANG Wei，SHI Guangkui, WANG Renguang

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300,China)

Based on brief instruction to CHS hybrid electric system, the vehicle control strategy model was constructed for a city bus with CHS system. The results show that the model can benefit performance analysis on the city bus with developed hybrid electric system.

Hybrid powertrain; Control strategy; Simulation analysis

2015-01-21

万辅君(1973—)，男，工程师，主要从事汽车及相关技术工作。E-mail：wanfujun@catarc.ac.cn。