基于两种运行工况的增程式混合动力客车控制策略研究

魏兆森，费晓翔，黄红林

（潍柴（扬州）亚星新能源商用车有限公司，江苏扬州225001）

基于两种运行工况的增程式混合动力客车控制策略研究

魏兆森，费晓翔，黄红林

（潍柴（扬州）亚星新能源商用车有限公司，江苏扬州225001）

一款增程式混合动力客车，根据运行工况，设计定功率点及多功率点切换的两种控制策略，通过综

合动力电池荷电状态和整车车速状态，计算增程器单元最佳输出功率，从而有效地实现能量分配控制，并得到实车验证。

增程式；混合动力客车；运行工况；控制策略。

增程式混合动力客车是一种配有可在线、外插充电动力电池和增程器的混合动力汽车，当电能充足时，动力电池提供车辆行驶所需的所有能量，当电能不足时，增程器辅助工作。增程式动力系统作为从传统内燃机动力系统向纯电动系统转变的过渡技术产品，通过增加一个燃料发动机有效地改善了纯电动汽车续驶里程短的问题，延长了车辆行驶里程[1-2]。本文主要论述纯电动和增程式两种运行工况下，某增程式混合动力客车的开发与验证。

1 车辆运行模式及工况

增程式混合动力客车运行在“电主油副”的状态，分两种工作模式：

第一种为纯电动工作模式，此时电池电量充足，车辆行驶能量均来自动力电池。

第二种为“增程式”工作模式，即在电池电量耗到一定程度时，起动增程器带动发电机发电，所发电的大部分给驱动电机供电，盈余部分给电池充电，以维持其容量在某个范围值。电池电量到达一定值后，增程器自动关闭或者由驾驶员强制关闭（车辆仪表台设有强制关闭按钮）。

整车运行工况也分两种：

第一种是城市客车工况：城市客车主要运营于市区与市郊，最高时速69 km/h，加速度＞0.94 m/s2，且经常起停。针对城市客车工况采集，用同车型的纯电动城市客车在扬州市区、市郊进行了实地行驶，车辆整备质量3.08 t，加载65%后车辆质量4.05 t（以下所有实车或仿真都以此标准进行），随机选择了两路城市客车路线，路线为南北向与东西向，路线包括市区、市郊，各循环6次，采集所有数据，得出城市客车工况下电机输出功率、转速分布见图1。

图1 城市客车工况下电机的输出

可以看出，电机输出功率集中在20 kW以内，占比达82%，转速由于最高时速的限制，保持在2 000 r/min以内，分布较均匀。

第二种是公路客车工况：公路客车主要运行于市区、市郊、高速，其中市郊跟高速占比较大，最高时速限值100 km/h。针对公路工况采集，采用同车型纯电动公路客车在扬州市区、市郊、环城高速进行了实地行驶，试验6次循环，采集所有数据，得出公路工况下电机输出功率、转速分布见图2。可以看出，电机输出功率集中在20～40 kW，占比达66%；转速多集中在高速段。

图2 公路工况下电机的输出

2 增程式电动车动力系统设计

根据以上分析，从而对增程式混合动力客车的动力系统进行设计。

2.1 动力系统选型

增程器选择现有且已量产的成品，发动机1.2 L三缸汽油机，额定功率35 kW，最大功率38 kW；驱动电机选择额定功率40 kW，最大功率70 kW，最大扭矩700 N·m，最高转速4 500 r/min，扭矩满足满载最大爬坡＞20%[3-5]的要求；电池采用功率型磷酸铁锂电池[6]，相比于能量型电池，该类型电池具有充放次数多、充放倍率高的特性，电池标称容量60 Ah，标称电压340 V，电池能量20.5 kW·h，其他相关部件沿用纯电动车型部件。

2.2 增程器控制策略研究

在选择增程器工作点前，对其进行了台架试验，标定后得出4个经济工作点：6 kW/1 400 r/min，16 kW/ 2 300 r/min，25 kW/2 800 r/min，30 kW/3 200 r/min。

2.2.1 城市客车工况控制策略

城市客车工况采用定功率点控制策略，具体如下：

1）当电池SOC＜55%时，增程器自动起动，整车控制器发出定点功率请求16 kW，APU内部完成功率闭环，响应整车控制器的功率，为避免发动机转速不稳，将功率闭环带宽设置为1 kW，当响应的功率与目标功率误差在1 kW以内将不再闭环调节。

2）不同驾驶员有不同的驾驶习惯，为防止SOC下降，在SOC进入不同区域时以不同的发电功率发电：当SOC＜50%时，整车控制器发出功率请求25 kW；当SOC＜30%时，整车控制器发出功率请求30 kW；当SOC＞60%，增程器自动关闭（考虑到电池持续充电时间、电池寿命[7-9]、综合油耗，将增程器停止值设定在60%）。

3）增程器起动时，整车控制器发出小功率需求，发动机暖机，此时功率设定为6 kW，当发动机水温到达60℃时，整车控制器发出大功率请求。

根据此定功率点策略，进行多次仿真模拟与实地试验，仿真循环见文献[9]。仿真结果如图3所示[10]。

图3电池SOC变化与增程器工作状态

图3 结果显示，电池SOC维持在55%～60%之间，此段SOC对应的电池电压为350～355 V，为驱动电机、发电机的最优工作电压平台，且45%的电量可保证纯电动模式行驶50 km，增程器介入工作后，可以将电机持续工作在相对高效区域。

根据标准工况试验方法[9]，在公司试验场进行了实地行驶，在SOC为55%时开始进入路谱，一次循环时间1 300 s，增程器起动1次，当循环结束时，SOC刚好再次回到55%，一次试验做两次循环，一共实地做了4次试验，并全程采集数据，电池SOC变换、车辆速度、增程器瞬时油耗如图4所示，可以看出，电池SOC稳定在55%～60%之间，车辆速度与标准工况吻合，一次循环增程器起动一次。

图4 标准工况试验结果

2.2.2 公路客车工况控制策略

从图2可以看出，公路工况运行模式中，驱动电机输出功率主要集中在20～40 kW，且随路况变化，电机的输出功率变化很大，定功率点发电不能维持电池电量稳定。而传统意义上的功率跟随控制策略，又会造成额外的油耗与噪声[11]。鉴于此考虑，公路客车工况下采用多功率点切换的控制策略。

多功率点切换的控制条件为电池SOC与车速，整车控制器的功率请求随SOC、车速变化，当SOC越低且车速越快时，增程器发电功率越大，反之则越小。

当SOC＜70%时，增程器起动，暖机策略同城市客车。增程器正常工作后，其功率点随车速、SOC数值阶段性变化，具体如下：

1）SOC在50%～70%区间：车速低于60 km/h时，增程器以16 kW发电；车速在60～80 km/h时，增程器以25 kW发电；车速高于80 km/h时，增程器以30 kW发电。

2）SOC在30%～50%区间：车速低于40 km/h时，增程器以16 kW发电；车速在40～60 km/h时，增程器以25 kW发电；车速在60～90 km/h时，增程器以30 kW发电；车速高于90 km/h，增程器以35 kW发电。

3）SOC在0～30%区间：车速低于20 km/h，增程器以16 kW发电；车速在20～40 km/h时，增程器以25 kW发电；当车速在40～70 km/h时，增程器以30 kW发电；当车速高于70 km/h时，增程器以35 kW发电。

4）当SOC低于10%时，整车控制器限制驱动电机的输出功率在25 kW以内。

5）当SOC高于75%时，增程器自动关闭。

针对此策略，实车在扬州-泰州模拟客运，往返试验8个循环，全程采集数据。图5为其中一次往返试验的数据，可以看出，电池SOC可以稳定在40%左右。

图5 公路工况实验结果

2.3 应用效果

实车在两种路况下进行了长时间的路试，证明两种控制策略可以满足动力系统能量分配，达到了预期的控制目的；增程器工作状态下油耗控制在9 L/100 km以下；在车辆安全方面，本次研发中加入了两项限制：禁止车辆在原地大功率发电，以防排气管过热引起安全隐患[10]；减小在增程器起动后的电回馈，禁止充电超调的过大电流给动力电池带来累积损伤[6-9]。

3 结束语

本文主要结合客运市场需求、动力电池SOC、车辆运行工况、车速等因素，综合考虑提出两种控制策略，并进行了实车验证，在动力性、舒适性不减的前提下，综合油耗比传统汽油车降低40%，整体效果良好，但还需进一步完善，以提高整车性能。

[1]谢俊淋.基于多功率点切换的增程式电动车研究[J].机电技术，2014（4）：106-108.

[2]张洪延，董炜江.增程式电动汽车的设计与控制[J].汽车工程学报，2014，4（5）：342-352.

[3]焦磊.增程式电动汽车动力总成参数匹配及控制策略研究[D].西安：长安大学，2013.

[4]孙奎洲，王凯，范鑫，等.增程式电动汽车动力总成参数匹配设计[J].计算机测量与控制，2014，22（10）：3396-3398.

[5]田甜，郑燕萍，蒋元广，等.混合动力汽车控制策略优化研究综述[J].公路与汽运，2010（5）：1-4.

[6]黄锋涛.高功率型磷酸铁锂电池的电化学性能[J].广东化工，2016，43（11）：100.

[7]高飞，杨凯，惠东，等.储能用磷酸铁锂电池循环寿命的能量分析[J].中国电机工程学报，2013，50（5）：41-45.

[8]罗玉涛，王峰，喻皓，等.基于行驶工况的磷酸铁锂电池寿命模型研究[J].汽车工程，2015，37（8）：881-885.

[9]胡银全，刘和平，刘平，等.电动汽车用磷酸铁锂电池充电特性的分析[J].汽车工程，2013，35（4）：293-297.

[10]全国汽车标准化技术委员会.重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法：GB/T 19754-2015[S].北京：中国标准出版社，2015：5.

[11]胡亚楠.发动机燃油经济性影响因素分析[J].沈阳理工大学学报，2011，30（1）：66-69.

修改稿日期：2017-02-20

Research on Control Strategies of Extended Range Hybrid Bus Based on Two Operating Conditions

Wei Zhaosen，Fei Xiaoxiang，HuangHonglin
（Weichai（Yangzhou）YaxingNewEnergyCommercial Vehicle Co.,Ltd,Yangzhou 225001,China）

According to the operating conditions,the authors design two kinds of control strategies including constant power point and multiple points switching for an extended range hybrid bus.Through compositing the power batteries charge state and the vehicle speed state,they calculate the optimal output power of the extended range hybrid unit,soas toeffectivelyrealizes the energydistribution control,which is verified byvehicle test.

extended range;hybrid bus;operatingcondition;control strategy

U464

A

1006-3331（2017）03-0016-03

魏兆森（1989-），男，工程师；主要从事新能源汽车研发工作。