并联混合动力汽车怠速停机控制策略研究

岳淑彪，高建平，杨鹭航，田朝阳，郭志军，朱光海

(1.河南科技大学车辆与动力工程学院，河南洛阳471003;2.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙410012;3.中国一拖集团有限责任公司，河南洛阳471004;4.郑州宇通客车股份有限公司，河南郑州450016)

0 前言

全球石油危机和气候恶化对节能和减排提出了更高的要求，混合动力汽车综合运用发动机和驱动电机两种动力，通过动力电池的功率均衡作用，最大可能地优化发动机的工作，使燃油经济性和排放性能比传统动力汽车显著提高，被认为是未来一段时间内理想的交通工具，从而在世界范围内引起广泛关注。科技部近期推行的“十城千辆”节能与新能源汽车计划客观上为混合动力汽车研发提供了新的契机［1－3］。本文以一种并联式混合动力城市客车为研究平台，以CRUISE为仿真平台建立整车模型，在MATLAB/Simulink中建立怠速停机控制策略，基于国内典型城市公交循环工况的仿真结果表明:怠速时间、怠速转速是影响混合动力汽车燃油经济性的重要因素，采用参数优化的怠速停机控制策略可以使整车燃油经济性得到明显提高。

1 基本概念

对汽车实际行驶工况的统计分析表明:发动机怠速时间占整个循环工况时间的30%～40%［4］。而发动机怠速时，造成大量燃料浪费。怠速停机是混合动力汽车节油的四大关键途径之一，怠速停机控制策略可以使混合动力汽车在车辆静止或小低速行驶时关闭发动机，通过减少发动机在油耗或有害气体排放较高的怠速区运行，达到节能减排的目的，得到国内外研究者的重视。

发动机怠速包括车辆停歇(停车)时怠速和制动减速期间怠速［5］。在制动减速阶段，车辆可通过发动机减速断油控制来达到节油目的，此可在发动机电控技术上实现，不属于混合动力控制技术的范畴，本文研究的怠速仅指停车怠速。混合动力汽车怠速停机是指车辆停车时在条件允许的情况下，通过混合动力控制技术将发动机关闭，而起车时能快速启动发动机来响应起车要求。国内实现怠速停机的混合动力汽车并不多见，主要原因有:(1)对怠速停机定量研究不够充分，对其节油潜力认识不足。(2)发动机停机后会造成原车的辅助系统(如油泵、气泵和风扇等)失去动力源而停止工作，因此，需要对原车辅助系统进行电气化改造，而能否得到可用的电附件以及成本增加多少，是整车企业不得不考虑的问题。

2 混合动力系统

2.1 基本参数

本文的研究基于12 m并联式混合动力城市客车，其基本配置参数如表1所示。

表1 混合动力车辆配置参数

2.2 混合动力系统

并联式混合动力汽车系统如图1所示，该车是在基准车辆(原传统动力车辆)的基础上改装而成，动力系统主要由发动机、动力电池、电动机/发电机、电控离合器和机械式自动变速器组成。该车可实现电机单独驱动、发动机单独驱动、行车充电、混合驱动和再生制动等模式。

图1 混合动力系统

图1所示混合动力系统并未实现怠速停机功能，要在此系统上实现怠速停机控制，需对其进行改造，增加大功率起动装置、辅助部件和控制机构等，使附件有两种工作模式:发动机驱动附件工作和动力电池驱动电动机/发电机间接拖动附件工作，而控制机构能使这两种模式自由切换。

3 怠速停机仿真模型

AVL公司提供的汽车专用仿真软件CRUISE基于正向仿真模型，非常适合混合动力汽车控制策略的开发，可方便地对整车动力性、经济性和排放进行仿真和评价。它与MATLAB/Simulink有很好的接口，从而实现CRUISE和MATLAB/Simulink进行联合仿真。为了保证仿真环境的有效性，需对CRUISE建立的整车模型仿真精度进行验证。因混合动力汽车是以基准车辆为基础的，要获得精确的仿真结果，须保证基准车辆模型具有较好的仿真精度。

3.1 模型校正

为确保模型在CRUISE环境下的仿真能代替实车道路试验，需对原车进行多轮道路试验，如滑行试验，制动试验等，并根据试验数据校正车辆仿真模型中的参数，如轮胎的滚动阻力系数，制动器的参数等。

表2 基准车辆仿真油耗与试验油耗对比

在CRUISE平台下，基于国内典型城市公交循环工况，对校正过的基准车辆模型进行仿真计算，并将仿真计算结果与试验场路试结果进行比较，如表2所示，可以看出仿真结果和试验场路试结果相差0.5%，从而说明本文所用的仿真模型具有较好的仿真精度。

3.2 混合动力汽车仿真模型

校正基准车辆模型后，在基准车仿真模型的基础上添加混合动力特有的部件模型可建立混合动力汽车仿真模型，模型中，车辆附件用机械消耗附件(CRUISE中mechanical consumer模型)来表示。通过在MATLAB/Simulink中搭建的控制策略控制机械消耗附件两端的离合器，实现怠速停机时和怠速不停机时系统功率流的变化。

4 怠速停机节油机理分析

混合动力汽车怠速停机时的节油率可由下式求得:

其中，βfuel_saving为混合动力汽车怠速停机时的节油率;Lfuel_stop为发动机停机时节省的燃油消耗量，L;Lcycle为基准车辆总燃油消耗量，L;Tstop为怠速停机总时间，s;fidle为怠速时油耗，kgh－1;ρfuel为燃油密度，kgL－1;t为时间，s;Lelectric_stop为混合动力汽车当量燃油消耗量，L，其计算方法如下式［6］:

其中，Ek为试验过程中的电能消耗量，kWh;Qfuel_low为燃料燃烧的低热值，Jg－1;ηeng为发电工况下发动机的平均工作效率;ηgen为发电工况下发电机的平均工作效率。

从式(1)可以看出:怠速时间和怠速油耗影响混合动力汽车怠速停机时的节油率。

4.1 怠速时间的影响

怠速时间是描述循环工况的重要参数之一，怠速时间占循环工况总时间的比例不同，其混合动力汽车的燃油经济性差别很大［7－8］。以国内典型城市公交循环工况为例，通过设定不同的怠速时间，可以得到图2所示的5种不同工况。基于这些工况进行仿真，可得到怠速停机时怠速时间比例与汽车节油率的关系，如图3所示。

从图3中可以看出:怠速时间是影响混合动力汽车怠速停机时节油率的主要参数，且怠速时间占循环工况总时间的比例越大，汽车燃油经济性提高越显著。这主要是怠速时附件间接消耗的电量按式(2)转换成的等效燃油消耗比发动机怠速油耗要少，且随着怠速时间比例的增加，节油效果越来越明显。

4.2 怠速转速的影响

发动机怠速转速直接决定怠速时的油耗，本文研究中调整发动机的怠速转速，基于国内典型城市公交循环工况进行经济性仿真，得到汽车怠速停机时发动机怠速转速与节油率的关系，如图3所示。从图3中可以看出:怠速停机时节油率随发动机怠速转速增大而逐渐提高，其原因主要是发动机怠速转速越大，停车时车辆附件消耗的功率也越大，致使怠速油耗相对较高，而实现怠速停机后节油效果越明显。另外，还可看出发动机怠速转速变化对怠速停机时燃油经济性改善影响较小。

5 怠速停机控制策略

5.1 功率流分析

图4 并联式混合动力汽车的功率流

在图4中:ne、Te分别为发动机的输出转速和输出转矩;nm、Tm分别为电动机/发电机的输出转速和输出转矩;nr、Tr分别为车轮的转速和需求转矩;Te－aux、Tm－aux分别为发动机驱动附件工作提供的转矩和电机拖动附件工作提供的转矩;Ub、Ib分别为动力电池电压和电流;Tf为制动器输出的制动转矩。

对于并联式混合动力汽车而言，根据图4所示的功率流，可以得到如下功率平衡方程式:

其中，Pr为整车需求功率，kW;Paux为车辆附件需求功率，kW;Pe为发动机输出功率，kW;Pb为电池充放电功率，kW;Pf为制动器输出的制动功率，kW;η为效率系数，电池放电时，为电池放电效率和电动机工作效率之积，电池充电时，为电池充电效率和发电机效率积之倒数。

5.2 怠速不停机控制策略

由于怠速不停机时的驱动、制动和滑行控制策略不是本文研究的重点，以下只论述怠速工况下的控制策略，其控制算法如下:

其中，eng_on为发动机工作状态，1表示开启，0表示关闭;clutch_on为电控离合器工作状态，1表示结合，0表示分离;ηbc为电池充电效率;ηmg为电机发电效率;SOC为电池组荷电状态;SOCmin为电池荷电状态下限。

式(4)所表述的控制策略为:临时停车时，发动机开启，若SOC大于设定下限时，离合器分离，车辆附件消耗的功率由发动机提供;否则，离合器结合，发动机驱动附件工作，同时驱动发电机给电池充电。

5.3 怠速停机控制策略

怠速停机控制策略，按工况具体分为怠速控制策略、驱动行驶控制策略、减速制动控制策略、减速滑行控制策略。

其中，hps_on为大功率电驱动系统工作状态，1表示工作，0表示不工作;nidle为发动机怠速转速，rmin－1;acc_on为电机拖动附件系统工作状态，1表示工作，0表示不工作;Lped为驱动油门踏板行程; ηbd为电池放电效率;ηme为电动机工作效率。

式(5)所表述的为怠速控制策略:若SOC大于设定下限时，发动机关闭，离合器断开，动力电池驱动电动机拖动附件工作。当车辆起步时，使用一套大功率电驱动系统快速拖动发动机至怠速以上，保证发动机顺利启动，发动机启动后，大功率电驱动系统退出，且附件由电机拖动切换为发动机驱动。若SOC不大于设定下限时，发动机开启，离合器结合，发动机驱动附件，同时驱动发电机给电池组充电。

因在驱动行驶、减速制动和减速滑行控制策略中acc_on=0(电机拖动附件系统不工作)，hps_on=0 (大功率电驱动系统不工作)，eng_on=1(发动机开启)均成立，在式(6)～式(8)中不再表述。

式(6)所表述的为驱动行驶控制策略:低速工况下，若SOC大于设定下限时，离合器分离，电机驱动满足驱动需求功率，发动机驱动车辆附件;否则，离合器结合，发动机单独驱动，并驱动电机给电池组充电。中速行驶工况下，离合器结合，若SOC大于设定下限时，发动机单独驱动;否则，发动机驱动汽车行驶的同时，并驱动电机给电池组充电。高速工况下，离合器结合，若SOC大于设定下限时，发动机和电机联合驱动;否则，发动机全功率跟随驱动汽车行驶。

其中，vmid_low为离合器分离时对应的车速，kmh－1;SOCmax为电池荷电状态上限。

式(7)所表述的为减速制动控制策略:中高速减速制动工况下，离合器结合，发动机带动附件反拖制动，制动器制动。若SOC大于设定上限时，电机不参与制动;否则，电机再生制动给电池组充电。低速制动工况下，离合器分离，发动机驱动附件工作，制动器制动。若SOC大于设定上限时，电机不参与制动;否则，电机再生制动给电池组充电。

式(8)所表述的为减速滑行控制策略:此工况下，电机不参与制动。中高速工况下，离合器结合，发动机带动附件反拖制动;低速工况下，离合器分离，发动机驱动附件工作。

在怠速停机控制策略中，驱动行驶时离合器结合对应的车速和减速制动、滑行时离合器分离对应的车速不相等，是为了避免模式的频繁切换。

6 仿真结果

基于上述怠速不停机和怠速停机控制策略，在CRUISE环境下针对中国典型城市公交循环工况进行了经济性仿真分析。结果如图5所示。

图5 怠速不停机和怠速停机实际车速、发动机开关、油耗和电耗对比

从图5可以看出:两种控制策略下实际车速一致。在怠速不停机策略下，车辆静止时，发动机开启，油耗为发动机怠速油耗，电耗为零;怠速停机控制策略下，当车辆静止时，发动机关闭，油耗为零，电机拖动附件消耗一定的电功率。

表3 两种控制策略下燃油经济性数据仿真结果

表3所示为两种控制策略下燃油经济性数据对比，从表3可以看出:混合动力汽车实现怠速停机后，油耗明显减少，电耗小幅增加，等价油耗比怠速不停机节油约10%，汽车的燃油经济性明显得到改善。

7 结论

(1)怠速时间占循环工况总时间比例对混合动力汽车实现怠速停机时燃油经济性改善影响较大，且比例越大，汽车燃油经济性越好。(2)发动机怠速转速对混合动力汽车怠速停机时燃油经济性改善影响较小。(3)基于国内典型城市公交循环工况下，混合动力汽车怠速停机时比怠速不停机时节油约10%，汽车的燃油经济性显著提高。

［1］ Gao Jianping，Zhu GM G，Strangas E G，et al.Equivalent Fuel Consumption Optimal Control of a Series Hybrid Electric Vehicle［C］//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D:Journal of Automobile Engineering，2009，223(8):1003－1018.

［3］ 王保华.混合动力城市客车控制策略与试验研究［D］.上海:上海交通大学，2008:1－5.

［4］ 刘明辉，赵子亮，李骏.混合动力汽车节油机理研究［J］.汽车技术，2005(5):11－13.

［5］ 曾小华.混合动力汽车节能机理与参数设计方法研究［D］.长春:吉林大学，2006:40－42.

［6］ GB/T 19754—2005重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］.北京:标准出版社，2005.

［7］ 叶小平.基于循环工况的多模式控制策略开发［D］.长春:吉林大学，2006:28－32.

［8］ Edward B，Timothy A.The Influence of Idle，Drive Cycle and Accessories on the Fuel Economy of Urban Hybrid Electric Buses-Chassis Dynamometer Tests［C］//SAE Paper，2003.