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【汽车】并联混合动力城市客车控制策略研究


第47 卷第 4 期
2007年7月

大 连 理 工 大 学 学 报 Journa l of Da l ian Un ivers ity of Technology

. Vol 47, No. 4 . Jul 2 0 0 7

并联混合动力城市客车控制策略研究
辛 世 界 3 1 ,  隆 武 强

1 ,  范 立 云 1 ,  周 雅 夫 1 ,  李   俊 2
( 1. 大连理工大学 动力工程系, 辽宁 大连 116024; 2. 中国第一汽车集团公司技术中心, 吉林 长春 130011 )

摘要: 针对以解放牌城市客车为原型车的并联混合动力系统的能量管理和动力控制建立了

动态仿真模型, 仿真分析了并联电力助动控制策略、 自适应控制策略和模糊逻辑控制策略各 料经济性和排放性有较大的差别. 由于车辆的动力性、 燃料经济性和排放性是相互制约的指

自的特点. 结果表明, 不同控制策略的决策方式和优化目标不同, 从而导致车辆的动力性、 燃 标, 控制策略要综合考虑对这三者的要求, 选择合适的折中方案. 另外, 控制策略的性能还与 线适应能力.

车辆工况有关, 好的控制策略应该能根据车辆行驶条件的变化调整其决策方式, 使其具有路

关键词: 混合动力城市客车; 混合电动车; 控制策略; 能量管理; 仿真 中图分类号: U 469. 72 文献标识码: A

0  引   言

从近期和中期来看, 混合电动车 (H EV ) 是传 统车辆的最佳替代车辆, 其比传统车辆清洁高效, 且能够提供与传统车辆相同的动力性和更长的续 驶里程[ 1 ]. H EV 包含两种或两种以上动力源. 为 了协调各动力源提供的动力, 保证车辆的动力性、 燃料经济性和排放性, 需要合适的控制策略对动 力系各传动部件进行优化管理. H EV 的管理和 控制包括: 动力分配、 能量管理、 排放控制、 部件的 热管理、 再生制动控制等. H EV 的整车性能不仅 与动力系各传动部件有关, 还与控制策略有密切 的关系. 控制策略对 H EV 的动力性、 燃料经济 性、排放性等起着相当重要的作用. 本文针对以 解放牌城市客车为原型车的并联混合动力系统的 控制策略进行仿真研究, 通过对 3 种控制策略 ( 并 联电力助动控制策略、 自适应控制策略、 模糊逻辑 ) 进行比较分析, 确定适合并联混合动 控制策略 力城市客车的最佳控制策略.

构作为解放牌城市客车的动力传动系统. 该动力 传动系统由电控柴油发动机、 普通干式电控离合 器、 机械式自动变速器、 镍氢蓄电池组、 交流感应 式异步电机、 动力合成装置、 主减速器、 车轮等组 成 动力合成装置是由一对固定速比的常啮合齿 . 轮构成, 它向车轮传递柴油机和电机的转矩和速 度 .

图 1  双轴并联 H EV 动力传动系统方框图
diag ram of pow ertra in p ara llel2configu red doub le shaft H EV

1   并联混合动力城市客车动力传动

2   仿真模型

系统
H EV 动力传动系统结构有串联、 并联和混联 3 种 . 本课题选择了如图 1 所示的双轴并联结
[ 2、 ] 3

解放牌混合动力城市客车整车仿真模型的顶 R R 层图如图 2 所示, 是在 M A TLAB ○ Sim u link ○ 环 境中建立的.

  

收稿日期: 2006204211;  修回日期: 2007205213. 基金项目: 国家 “八六三” 高科技计划资助项目 (2001AA 501513). 作者简介: 辛世界3 (19632) , 男, 教授, E 2 ail: sh ijie x in@ sohu. com. m

? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

F ig 11  B lock

文章编号: 100028608 ( 2007) 0420515206
fo r

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大 连 理 工 大 学 学 报

第 47 卷 

图 2  解放牌混合动力城市客车仿真模型方框图
2. 1  发动机模型
F ig 12  B lock d iag ram of si u lation m odel fo r J iefang hyb rid city bu s m

发动机模型包括惯性效应、 性能界限、 附件负 载以及温度对燃料消耗、 发动机排放和催化剂效 率 的瞬态影响. 发动机转速范围、 转矩范围、 外特 性、 油耗率和污染物 (CO 、 、 x、 ) 排放量 HC NO PM

V Cb V Cc

-

+

Rc C b (R e + R c ) Re V Cb V Cc C c (R e + R c )

I s;

V0 =

Rc

Re

等以实测的数据表示. 其中油耗率和污染物排放

Re + Rc

Re + Rc

+ ( 1)

量用二维表格表示, 按发动机的转速和转矩索引. 2. 2  电机 控制器模型 电机 控制器模型包括电机和控制器中的损 耗 效应、 转子惯量以及电机转矩. 该模块将转矩 和转速要求转换为电功率要求, 并且将实际的功 率输入转换成转矩和转速输出. 功率损耗按二维 查询表格处理, 表格按着转子转速和输出转矩索 引 电机最大转矩使用一个一维查询表格, 该表 . 格按转子转速索引. 电机控制模块保证电流不超 过控制器的最大电流, 且保证当电机不需要时关 闭 .
2. 3  蓄电池模型

- R t  -

R cR e Is Re + Rc

图 3  RC 蓄电池模型

蓄 电池经历着与热有关的电化学过程, 其电 化学特性是具有变参数的非线性函数, 使得它难 以 建模 因此, 蓄电池电化学性能的动态模型要 . 适当地简化处理. 本文采用的是 RC 蓄电池模型, 其等效电路图如图 3 所示. 其中 C b 是体电容, 容 量非常大, 表示蓄电池有足够的容量以化学方式 存 储电荷; C c 是表面电容, 容量很小, 主要是代表 螺旋缠绕电池的表面效应; R t 是接线端电阻; R e 是末端电阻; R c 是电容器电阻 . 该模型的控制状态方程如下: 1 1 V Cb C b (R e + R c ) C b (R e + R c ) = × 1 1 V Cc C c (R e + R c ) C c (R e + R c )

3   混合动力系统控制策略
对 2 个动力源 ( 内燃机和电机) 的优化控制, 决定了在保证车辆动力性的前提下车辆的燃料消 耗、 排放量和电量维持的能力 [ 4 ]. 决策方式和侧 重点不同, 导致不同控制策略下 H EV 的性能也不 相同. 本文采用 3 种控制策略对解放牌混合动力 城市客车进行控制, 通过仿真研究, 分析比较各种 控制策略的特点. 这 3 种控制策略分别是: ( 1) 并 联电力助动控制策略; ( 2) 自适应控制策略; ( 3) 模糊逻辑控制策略.
3. 1  并联电力助动控制策略 ( PEACS) PEA CS (p a ra llel electric a ssist con t ro l st ra tegy ) 是一种基线控制策略, 它以发动机最大
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转矩线和最小转矩线作为两条控制基准线. 这种

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F ig 13  RC ba ttery m odel

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辛世界等: 并联混合动力城市客车控制策略研究 矩 .

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基线控制策略以发动机作为主动力源, 以电机作 为辅助动力源, 并维持蓄电池里的电量. PEA CS 的目标是最小化发动机的能耗量, 不考虑排放, 不 考虑电机和蓄电池效率的影响. PEA CS 可以按 下述各种方法使用电机: ( 1) 在一定的最小车速下, 且 S O C 高于下限 值时, 电机可以用于提供全部驱动转矩, 发动机关 闭, 车辆作为纯电动车工作. 参见图 4 ( a ) 中的 “纯 电动转速” . ( 2) 如果需要的转矩大于发动机在工作速度 下所能产生的最大转矩, 则电机用于提供辅助转

( 3) 当发动机在给定的转速下, 按需要的发

动机转矩运行效率低下, 且 S O C 高于下限值, 则 关 闭发动机, 用电机产生需要的转矩. 参见图 4 ( a ) 中的 “关闭转矩线” . ( 4) 当蓄电池 S O C 低于下限值时, 发动机将 产生额外的充电转矩提供给电机对蓄电池充电, 参见图 4 ( b ) 中的情形 1. 此时如果所需转矩较 低, 则发动机工作在最小转矩线上, 参见图 4 ( b ) 中的情形 2. ( 5) 通过再生制动, 电机给蓄电池充电 .

3. 2  自适应控制策略 (ACS) A CS ( adap t ive con tro l st ra tegy ) 是一种实时

3. 3. 2  效率模式 ( EM , efficiency m ode )   这种

最优控制策略, 在每个时间步都要优化电机和发 动机之间的转矩分配. A CS 的目标是既最优化能 耗又最优化排放, 优化准则由需要的燃料经济性 和排放目标确定[ 5 ]. 在有效工作转矩的范围内, A CS 通过对按时 间平均的燃料经济性和排放性进行加权, 规格化 5 个竞争的度量指标 ( 能耗, HC、 、 x 和 PM CO NO 排放量) , 以确定整体影响函数, 最后通过最小化 影响函数确定车辆的瞬时油耗和排放量. 3. 3  模糊逻辑控制策略 ( FLCS) FL CS ( fuzzy log ic con t ro l st ra tegy ) 是一种 即时的智能控制策略, 它是基于在当前瞬时车速 时的内燃机参数. FL CS 有两种工作模式, 一种是 燃料消耗模式, 另一种是效率模式, 分别以效率和 油耗作为目标, 以排放作为约束. 3. 3. 1  燃料消耗模式 ( FUM , fuel u se m ode )   这是一种限制内燃机瞬时燃料消耗的模式, 保证 了燃料消耗不超过某个特定值. 这种模式不是基 于发动机的效率, 它主要是将燃料消耗限制到一 个特定值.

模式使内燃机运行在它的最大效率区附近. 在这 种模式中, 内燃机的工作点被设置在对应的发动 机转速下效率最大的转矩区附近. 为了满足总的 传动系转矩需求和防止蓄电池组不必要的充电或 放电, 必须平抑负载 . 效率模式有它的优点也有它的缺点. 优点是 总可以使发动机运行在峰值效率区附近, 缺点是 最 大峰值效率点靠近高转矩区. 这样, 发动机发 出的转矩可能比驾驶循环所需的转矩要大, 从而 导 致如下问题: ( 1) 较高的燃料消耗; ( 2) 需要平 抑负载, 导致电机大量地再生充电, 从而可能导致 S O C 不断提高 .

4   仿真结果分析
表 1 给出了被仿真的客车及其动力系主要部 件的参数. 控制策略的主要控制参数如表 2 所 示, 这些控制参数是根据各部件的特性和优化结 果确定的. 仿真要满足如下条件: ( 1) 提供足够的转矩以便尽量跟踪行驶循环 的速度 2 时间轨迹;
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( 2) 维持蓄电池中的电量在下限之上; ( 3) 提供令人满意的燃料经济性、 动力性和

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排放性. 表 1  客车及其动力系主要部件的参数
T ab 11  Param eters of the bu s and its m ajo r pow ertra in com ponen ts
部件 参量 参数 最大总质量 kg 迎风面积 m 2 型号 空气阻力系数
13 980 6. 25 0. 7

尼亚大学提供的城市行驶循环, 代表重型车典型 的城市行驶工况;M AN H 是曼哈顿市客车行驶循 环, 是根据搜集的纽约州几个大城市的高速运输 管理局客车路线上混合电动和常规客车的数据, 经统计处理得到. 分析表 3 和其他有关的仿真结果可以得出如 下结论: ( 1) FL CS 的 两 种 模 式 ( FL CS 2FUM 和 FL CS 2EM ) 与 PEA CS 相比, FL CS 2FUM 的燃料 经济性最高 ( 4 个循环上的平均油耗比 PEA CS 低 排放最高, 但动力性优于 FL CS 2FUM . 这是因为 FL CS 2EM 试图使发动机工作在最高效率区, 使 得发动机发出的转矩较高, 可能高于行驶循环所 需 的转矩, 额外的转矩用于给蓄电池充电. 虽然
FL CS 2EM 使发动机的工作效率较高, 但因为使
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客车

CA 6110ZL 柴油机

发动机

最大转矩 (N

m)

650 (1400 r m in - 1 ) 132 (2300 r m in - 1 ) 2 300

最大功率 kW 类型

最高转速 ( r m in 额定功率 kW

- 1)

三相交流异步感应电机
60

电机

额定转矩 (N

m)

380

最高转速 ( r m in 基速 ( r m in 类型

- 1)

5 000 1 500

- 1)

镍氢电池
80 12

蓄电池

C 3 容量 (A

h)

单节额定电压 V 总额定电压 V 类型

300

变速器

五挡自动机械变速器

表 2  控制策略的控制参数
指标

     参量

发动机关闭转矩分数 发动机最小转矩分数 纯电动车速阈值 (m

发动机怠速转速 ( r m in 怠速时发动机状态 发动机充电转矩 (N 蓄电池 S OC 限定值 蓄电池 S OC 初始值

加速时间、 爬坡度测试蓄电池 S OC 初始值 模糊控制策略燃料模式油耗极限 (g 自适应控制策略目标权重系数 车辆启动条件
s

其中 CBD 是用于客车的中心商业区测试循环; I S 是印度城市行驶循环的一个实例, 代表频繁 U 起停、 最高车速较低的行驶工况;W VU 是西弗吉

T ab 12 T he con tro l p a ram eters of con tro l stra tegies
参数
0. 3 0. 5 5 5 s- 1 )

下限 上限

- 1)

700

关闭
180 0. 5

m)

下限 上限

0. 7 0. 7 0. 6 5. 3 1 1

- 1)

能耗 排放

冷启动

表 3 是在几种不同行驶循环上的仿真结果.

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电池能量, 反而使蓄电池能量增加, 在循环结束时 蓄电池的 S O C 高于初始值, 使得在此循环上的油 耗 远 高 于 其 他 控 制 策 略. 这 些 都 是 因 为 FL CS 2EM 只考虑发动机的效率, 没有考虑蓄电 池和电机 控制器的效率影响. 为了避免这种现 象, FL CS 2EM 通常用于较小的发动机, 因为较小 的发动机其峰值转矩区可能对应行驶循环的平均 转矩需求.

8. 5% , 比 FL CS 2EM 低 28. 4% ) , NO x 排放最低 ( 4 个 循环上的平 均 NO x 排 放 比 PEA CS 降 低 22. 0% , 比 FL CS 2EM 低35. 2% ) , 但动力性最差 .

这是因为 FL CS 2FUM 限制发动机的瞬时油耗不 能高于限定值, 使发动机发出的转矩受到限制, 因 区, 所以发动机效率较低, 但因为更多地使用了蓄 电池和电机 控制器提供辅助转矩, 且蓄电池和 电机 控制器的综合效率远高于发动机的效率, 使得总系统能量效率最高, 所以使用 FL CS 2FUM 的燃料经济性最高. ( 2) 使用 FL CS 2EM 的燃料经济性最差, NO x

而限制了车辆的动力性. 由于该发动机输出转矩 越低, 其 NO x 排放越低, 使用 FL CS 2FUM 的 NO x 排放也较低, 但发动机输出转矩较低, 需要使用蓄 电池和电机 控制器提供更多的辅助转矩, 蓄电 池的 S O C 下降最多. 因为发动机工作在较低转矩 用蓄电池的能量较少, 而发动机的效率远低于蓄 电池和电机 控制器的综合效率, 使得总系统能 量效率反而最低, 导致燃料消耗增加, 燃料经济性 最差. 特别是在 CBD 循环上, 不但没有净消耗蓄

 第 4 期  

辛世界等: 并联混合动力城市客车控制策略研究 表 3  仿真结果
T ab 13 Si u la tion resu lts m
PEA CS 27. 2 21. 4 23. 5 32. 5 2. 0 4. 3 14. 6 3. 9 25. 6 81. 7 4. 096 0. 119 3. 545 0. 042 2. 763 0. 096 3. 951 0. 135

519

燃料经济性、 动力性、 排放性
CBD

A CS 25. 8 19. 9 18. 6 24. 6 2. 4 5. 3

油耗 (L 100 km )
(SO C 0 = 0. 7)

I S U W VU M AN H

加速时间 s
(SO C 0 = 0. 6)

0~ 18 km h 0~ 30 km h 0~ 60 km h s- 2 )

20. 0 3. 3

最大加速度 (m

爬坡度 (16. 1 km h) % 最高车速 (km
CBD h- 1)

23. 3 88. 9 2. 226 0. 126 3. 079 0. 038 2. 611 0. 065 3. 578 0. 082

NO x PM I S U

NO x

排放 (g

km - 1 ) W VU

PM

NO x PM M AN H

NO x PM

   ( 3) PEA CS 试图使发动机能耗量减到最小,

但 由 于 不 考 虑 排 放, 排 放 较 高. PEA CS 不 像
FL CS 2FUM 那样限制燃料消耗量, 所以其动力性 FL CS 2FUM 减 少 7. 1%. FL CS 2FUM 高 2. 7%. 但动力性较差, 其加速性 FL CS 2FUM . 另外, A CS 决策所花费的时间要远

PEA CS 低 19. 9% , 比 FL CS 2EM 低 33. 4% , 比

较好, 优于 FL CS 2FUM 和 A CS, 与 FL CS 2EM 相 间电机和蓄电池效率的影响, 所以总系统能量效 率也较低 ( 只高于 FL CS 2EM ) , 使得燃料经济性 较差 ( 只高于 FL CS 2EM ). ( 4) A CS 在选择发动机工作点时, 既考虑了
15. 0% ,

近 与 FL CS 一样的是, PEA CS 也不考虑运行期 .

燃料经济性又考虑了排放, 同时也考虑了蓄电池 和电机效率的影响, 所以燃料经济性、 排放性都较 比 FL CS 2EM 减 少 33. 5% , 好 其 4 个循环上的平均油耗比 PEA CS 减少 .



平 均 NO x 排 放 比

能 比其他几种控制策略都差, 爬坡能力只强于 高于其他几种控制策略, 这意味着控制系统硬件 要有高得多的运算速度, 将导致硬件成本大幅提 高 .

( 5) 各种控制策略在不同的行驶循环上表现

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循环上, A CS 的燃料经济性与其他几种控制策略 的差别比 M AN H 循环上的差别小得多 ( 油耗比 PEA CS 减少 7. 0% , 比 FL CS 2EM 减少 16. 4% , 比 FL CS 2FUM 减少 4. 3% ). 这说明, 控制策略性能 的好坏, 不仅取决于控制策略本身的决策方式, 还

出的差别有很大不同. 比如在 M AN H 行驶循环 上, A CS 的燃料经济性远高于其他几种控制策略 ( 油耗比 PEA CS 减少 24. 3% , 比 FL CS 2EM 减少 36. 8% , 比 FL CS 2FUM 减少 17. 4% ). 而在 I S U

与 车辆行驶状态有关. 因此, 控制策略要能够根 据车辆工况的变化来改变决策方式.

5  结   语

混合动力城市客车被认为是今天的道路车辆

应用电力牵引最有希望的领域之一. 本文针对并 联混合动力城市客车, 采用不同的控制策略进行 仿 真研究. 结果表明, 不同控制策略的决策方式 和侧重点不同, 导致不同的车辆动力性、 燃料经济 性 和排放性. 由于动力性、 燃料经济性和排放性 通常是相互制约的参数, 在这些参数中存在着一 个 折中问题. 也就是说, 一个最佳的解决方案总 是折中的方案. 控制策略要综合考虑车辆的动力
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FL CS2EM 40. 2 23. 8 30. 8 38. 9 2. 0 4. 3 14. 6 3. 6 25. 6 81. 9

4. 600 0. 129 4. 351 0. 037 3. 808 0. 092 4. 511 0. 132

FL CS 2FUM 23. 8 20. 8 21. 3 29. 8 2. 3 5. 1 18. 6 3. 5 18. 9 81. 9 2. 684 0. 131 3. 165 0. 044 2. 375 0. 098 2. 967 0. 141

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第 47 卷 

性、 燃料经济性和排放法规的要求, 另外还要考虑 车辆的行驶工况. 将来的工作可能包括将其他车辆参数引入优 化 准则中, 诸如蓄电池电量状态等. 也可能加进 智能算法, 该算法根据车辆未来路线的信息修改 现有的控制策略. 目前的车辆导航系统可以精确 地确定车辆的当前位置, 并可以预测未来路线上 的交通状况. 这些信息可以用在控制策略中旨在 最优化整个旅程的性能, 使得客车具有路线适应 的能力[ 6 ].

Tran saction s Penn sylvan ia: Society of A u tom o tive . [ 3 ] CHAU K T , W ON G Y S. Eng ineers, I C , 2000: 166821676 N 167721681 O verview of pow er

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Rou te adap tation of con tro l stra tegies fo r a hyb rid

Research on con trol stra teg ies of a para llel hybr id c ity bus
3 1

Abstract: T he dynam ic sim u la t ion m odels a re crea ted fo r the energy m anagem en t and pow er con t ro l
of a p ro to typ e of a J iefang p a ra llel hyb rid city bu s. T he cha racterist ics of p a ra llel elect ric2a ssist con t ro l st ra tegy, adap t ive con t ro l st ra tegy and fuzzy log ic con t ro l st ra tegy a re ana lyzed u sing d rivab ility, fuel econom y and em ission s of the veh icle due to their d ifferen t decision 2 ak ing and m so lu t ion, since they a re m u tua lly restrict ive m et rics. T he p erfo rm ance of a con t ro l st ra tegy is a lso decision 2 ak ing m ethod acco rd ing to the d riving cond it ion of veh icle to be cap ab le of rou te adap ta t ion. m
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sim u la t ion. Sim u la t ion resu lt s show tha t the con t ro l st ra teg ies resu lt in the h igh d ifferences of the

d ifferen t op t i iza t ion ob ject ives. T he con t ro l stra tegy shou ld syn thet ica lly take in to con sidera tion the m d rivab ility, fuel econom y and em ission standa rd fo r the veh icle to choo se an app rop ria te t rade 2 off Key words: hyb rid city bu s; hyb rid elect ric veh icle; con tro l st ra tegy; energy m anagem en t; sim u la t ion

a ssocia ted w ith the op era t iona l cond it ion of veh icle, so a good con t ro l st ra tegy shou ld ad ju st it s

X I  S h i2jie N

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,  LONG   u 2q ia ng 1 ,  FAN  L i2yun 1 ,  ZHOU  Ya 2fu 1 ,  L I J un 2 W


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