混联混合动力客车动力系统建模与转矩分配控制策略研究

秦东晨,潘守辰，徐一村，王迎佳

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

混联混合动力客车动力系统建模与转矩分配控制策略研究

秦东晨,潘守辰，徐一村，王迎佳

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

摘要：以某型号混联式混合动力公交客车为研究对象，在分析其动力系统的基础上，利用Cruise软件建立了动力系统仿真模型，并结合车辆实际运行特点，设计了一种以燃油经济性和超级电容电量平衡特性为控制目标的转矩分配控制策略，在选定的工况下进行了仿真.仿真结果表明，与实车测试数据相比，设计的控制策略在保证整车动力性的基础上，燃油消耗降低了6.2%，并较好地维持了超级电容的电量平衡，验证了整车仿真模型与转矩分配控制策略的正确性和有效性.

关键词：混联式混合动力客车；Cruise；转矩分配；控制策略；仿真

0引言

在能源危机和环境问题的巨大压力下，混联式混合动力客车(Series-Parallel Hybrid Electric Bus，SPHEB)以良好的节油减排效果已经成为应对这些问题的主流新能源车型，也是目前研究的重点之一[1-2].混联式混合动力客车结合了串联和并联结构的优点，可适应行驶工况的复杂多变性，灵活控制能量分配，实现更好的经济性和排放性[3].整车控制策略作为SPHEB能量分配的核心技术，是实现这一目标的关键.基于规则的整车控制策略简单直观，容易实现，具有较好的实用性且应用比较广泛.龚贤武等[4]以满足车辆的功率需求和提高发动机燃油经济性的原则，设计了逻辑门限值控制策略，并进行了仿真分析来研究其控制效果；姚明亮等[5]以经济性和排放性为控制目标，提出了一种基于模糊逻辑规则的控制策略.

笔者针对某型号城市混合动力公交客车，在分析其动力系统的基础上，利用Cruise软件建立了动力系统仿真模型，结合车辆的实际运行特点，设计了一种以整车燃油经济性和超级电容电量平衡特性为控制目标的基于规则的转矩分配控制策略，并建立Simulink模型，通过联合仿真与实车数据的对比分析，对设计建立的仿真模型及控制策略的正确性和有效性进行了验证.

1混联式混合动力客车的建模

1.1混联式动力系统的结构

笔者所研究的混联式混合动力客车的原型为一款12 m级，后轮驱动城市公交客车，其动力系统主要由6缸柴油发动机、主驱动电机、启动发电一体电机(Integrated/Starter Generator，ISG)、主减速器、自动离合器、超级电容及整车控制器等主要部件组成，如图1所示.发动机曲轴与ISG的主轴直接相连，两者采用同轴式布置方式.通过自动离合器的分离与结合可以实现车辆在串联与并联模式之间的切换.

1.2动力系统仿真模型的建立

Cruise软件模块化的建模方式可以方便快捷地完成不同结构车辆模型的搭建.Cruise软件具有跟Matlab/Simulink联合仿真的接口，可以将使用者设计的逻辑程序集成到Cruise中[6-7].

笔者在Cruise软件中建立整车动力系统仿真模型.主要用到发动机模块、电机、离合器、主减速器、超级电容、车轮、制动系、驾驶室及Matlab控制等模块.各个模块选定之后，根据动力系统布置结构和部件间的连接关系建立模拟的机械/电气连接，控制信息传递则通过信号连接进行.

2SPHEB转矩分配控制策略

以整车燃油经济性和超级电容的电量平衡特性为控制目标，设计了一种基于规则的转矩分配控制策略.首先对车辆的工作模式进行判定，然后分别设计制定相应的驱动转矩分配和再生制动转矩分配规则.混合动力客车工作模式的判定流程如图2所示.

根据城市公交客车的运行特点，该混合动力公交客车主要具有纯电机驱动模式、发动机单独驱动模式、发动机驱动并发电模式、联合驱动模式和再生制动模式等5种工作模式.分别取超级电容的荷电状态SOC的上限SOC_high=0.9，SOC的下限SOC_low=0.4.

2.1转矩分配控制策略模型

在Matlab/Simulink环境下搭建的转矩分配控制策略模型如图3所示.

信号处理模块根据车速、SOC、主电机转速和油门踏板开度等信号进行一系列查表和数值计算，从而得到后续模块中用到的参数数值以及发动机开/关信号和离合器状态控制信号.工作模式选择模块则根据车速、油门踏板开度和制动踏板开度信号来判断当前车辆工作在驱动模式还是再生制动模式，然后通过输出选择模块将驱动转矩分配模块或再生制动转矩分配模块所判定控制输出的信号传递给发动机、主驱动电机、ISG等动力输出部件，得到各动力部件的输出转矩.

2.2驱动转矩分配规则

驱动转矩的分配采用电力辅助的控制方法，将主驱动电机作为一个灵活的动力部件来辅助发动机，使超级电容SOC保持在良好的范围，并获得较好的燃油经济性.

驱动转矩分配如图4所示.根据整车需求转矩的大小分成5种情况，即有5种转矩分配规则.

(1)若Treq

(2)若Treq

(3)若Te_min≤Treq

(4)若Te_min≤Treq

(5)若Treq≥Te_max，则工作在发动机和主电机联合驱动模式，此时控制Te=Te_max，Tm=Treq-Te_max(电机助力转矩)，Tisg=0.其中:Treq为整车需求转矩;Te_min为发动机最小输出转矩;Te_max为发动机最大输出转矩;Te为发动机的输出转矩;Tm为主驱动电机的输出转矩;Tisg为ISG的输出转矩，单位均为N·m.

2.3再生制动转矩分配规则

混合动力客车的再生制动能够提高能量的利用率，是节能的重要途径之一[8].

超级电容的SOC是再生制动转矩分配规则的主要控制参数，若SOC≥SOC_high，说明电量充足，无需进行再生制动对超级电容进行充电，否则可能会造成电量过充而影响电容的寿命；若SOC

3仿真及结果分析

3.1仿真参数设定

笔者所研究的混联式混合动力公交客车整车主要参数如表1所示.

根据GB/T 19754规定的试验方法[9]，选定中国典型城市公交客车循环工况，进行仿真.

3.2仿真结果分析

图6所示为仿真所得到的结果.从车速对比曲线可以看出，仿真车速能够较好的跟随实际的行驶工况曲线，满足对车速的要求.从超级电容的SOC变化曲线可看出， SOC的初始值为90%，结束值为83.6%，说明电量平衡性良好.根据工况变化，超级电容能够在不同工作模式下进行合理的充放电.结合各动力部件的输出转矩变化可以看出，在车辆刚起步或者低速时，整车需求转矩不大，由主驱动电机单独输出转矩来驱动车辆行驶，SOC下降；随着车速的增加，发动机启动，在加速时由发动机和主驱动电机联合驱动来提供整车需求转矩；当SOC较低时，ISG输出负转矩发电，为超级电容充电；在车辆制动时，主驱动电机输出负转矩回收制动能量，SOC上升.这与所建立的整车控制策略思想吻合，并符合所设计的转矩分配规则，表明了所建整车联合仿真模型的正确性和有效性.

仿真所得整车动力性和燃油经济性结果与使用普通控制策略的实车测试数据对比如表2所示.可以看出，仿真得到的最高车速结果与实车测试数据基本吻合，0～50 km/h加速时间仿真结果要小于实车数据，仿真的燃油消耗比实车测试数据下降了6.2%，说明采用所建的转矩分配控制策略进行仿真，车辆在保证良好动力性的前提下，燃油消耗量得到了降低，表明所建转矩分配控制策略具有良好的控制效果，能够提高车辆的燃油经济性.

为了验证所设计的转矩分配控制策略在维持超级电容电量平衡上的控制效果，与未采用再生制动转矩分配的普通控制策略进行了仿真对比.在普通控制策略中没有对再生制动进行转矩分配，只是在再生制动时控制主电机输出定量的转矩，不考虑发动机的辅助充电作用.超级电容SOC变化仿真对比结果如图7所示.

从图7可以看出，与普通控制策略相比，采用笔者所建转矩分配控制策略仿真得到的超级电容的电量变化更加平缓，幅度更小，说明充放电更加平稳.在相同的电量初始值条件下，仿真结束时，采用所建转矩分配控制策略电量值为83.6%，比普通控制策略高3.2%，表明超级电容具有更好的电量平衡特性，证明了所建转矩分配控制策略的有效性.

4结论

针对某型号混联式混合动力公交客车，在对其动力系统进行分析的基础上搭建了基于Cruise软件和Matlab/Simulink的联合仿真模型，并结合客车实际运行情况，以燃油经济性和超级电容的电量平衡特性为控制目标，设计了一种基于规则的转矩分配控制策略.

在中国典型城市公交循环工况下，车辆仿真车速能够很好的满足工况对速度的要求，整车动力性能仿真结果与实车测试数据吻合.整车燃油消耗量降低了6.2%，超级电容的SOC变化更加平稳，具有较好的电量平衡特性，说明所建转矩分配策略不仅能有效的提高整车燃油经济性，而且可较好地维持超级电容的电量特性，有良好的控制效果，验证了整车动力系统仿真模型与转矩分配控制策略的正确性和有效性.

参考文献：

[1]高铭泽.中国新能源汽车产业研究[D]. 长春：吉林大学经济学院，2013.

[2]NIASSAR A H, MOGHBELLI H, VAHEDI A. Design methodology of drive train for a series-parallel hybrid electric vehicle (SP-HEV) and its power flow control strategy[C]// 2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives，San Antonio，USA，2005： 1549-1554.

[3]林程. 纯电动及混合动力汽车设计基础[M]. 北京：机械工业出版社， 2012.

[4]龚贤武，吴德军，高闯,等. 混联型混合动力汽车建模及控制策略研究[J]. 郑州大学学报:工学版，2014，35(3)：73-77.

[5]姚明亮，秦大同，胡明辉,等. 基于模糊逻辑控制策略的混合动力汽车仿真研究[J]. 汽车工程，2007，29(11)：934-937.

[6]赵水平，陈燎，迟京为,等. 基于Cruise-Simulink联合仿真的FCEV能量管理策略研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(5)：1068-1072.

[7]曾小华，于永涛，王加雪,等. 基于Cruise软件的混合动力客车主动同步换挡的建模与仿真[J]. 吉林大学学报:工学版，2008，38(5)：1015-1019.

[8]赵国柱. 电动汽车再生制动若干关键问题研究[D]. 南京：南京航空航天大学能源与动力学院，2012.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.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：中国标准出版社，2005.

Study on Modeling of Power Train for Series-Parallel Hybrid Electric Bus and Torque Distribution Control Strategy

QIN Dong-chen, PAN Shou-chen, XU Yi-cun, WANG Ying-jia

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:Using a series-parallel hybrid electric bus as the study object and based on the analysis of the power train, the simulation model of power train is established in Cruise. Combined with the characteristics of vehicle operation, a torque distribution control strategy with fuel economy and super capacitor charge balance feature as major control objects is proposed. Then the simulation is completed under the selected cycle condition. The results show that on the basis of guarantee the vehicle dynamic performance, the torque distribution control strategy can reduce the fuel consumption by 6.2% compared with the real vehicle test data. And the charge balance of super capacitor is well maintained. All of these verify the validity and feasibility of the simulation model and torque distribution control strategy．

Key words:series-parallel hybrid electric bus; Cruise; torque distribution; control strategy; simulation

中图分类号：U469.72

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.001

文章编号:1671-6833(2015)02-0001-05

作者简介:秦东晨(1965-)，男，河南焦作人，郑州大学教授,博士,主要研究方向为数字化设计与优化设计、机械强度与结构优化设计等，E-mail：dcqin@zzu.edu.cn.

基金项目:国家重大科技成果转化资助项目(财建2012[258]号);河南省科技厅攻关项目(142102210103)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(13B460367)