電動(dòng)公交客車用增程器控制策略試驗(yàn)研究*

嚴(yán)海波　樓狄明　　徐寧　張孟超（-上海汽車集團(tuán)乘用車有限公司上海0804-同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院）

·研究·開發(fā)·

電動(dòng)公交客車用增程器控制策略試驗(yàn)研究*

嚴(yán)海波1樓狄明2徐寧2張孟超2
（1-上海汽車集團(tuán)乘用車有限公司上海2018042-同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院）

基于某增程式電動(dòng)城市公交客車，進(jìn)行了柴電增程器工作路徑及控制策略設(shè)計(jì)，并通過搭建的專用試驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)進(jìn)行了增程器控制策略中發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升和下降速度限值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力跟隨特性、油耗和排放的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)增程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降速度限值較大時(shí)，減速減載過程中，會(huì)出現(xiàn)較明顯的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)及震蕩。綜合考慮制動(dòng)能回收余量和增程器噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能，最大功率下降速度限值定為較小的-8 kW/s。隨著增程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升速度限值的增大，中國典型道路循環(huán)（CCBC）下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量增加，可以減少電池的充放電，而循環(huán)比油耗基本不變，但循環(huán)超細(xì)顆粒排放比數(shù)量和比質(zhì)量都會(huì)顯著增加，循環(huán)NOx比排放也有所增加?？紤]到增程式電動(dòng)公交車每日都將出現(xiàn)增程模式，為保證電池壽命，同時(shí)避免排放增加太多，選擇功率上升速度限值為1 kW/s。

增程器控制策略功率上升速度功率下降速度

引言

增程式電動(dòng)公交客車有動(dòng)力電池和增程器兩個(gè)能量來源，可以在保證續(xù)駛里程的前提下，減少動(dòng)力電池的使用，增程式電動(dòng)系統(tǒng)向純電動(dòng)系統(tǒng)過渡是一種理想的技術(shù)路線［1］。

增程式電動(dòng)公交客車中增程器控制策略的好壞直接影響到整車性能。增程器控制策略主要有兩大類［2-4］：一是基于規(guī)則的控制策略，二是基于優(yōu)化的智能算法控制策略。其中智能算法需要處理器具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，可靠性較差，因而沒有得到推廣?；谝?guī)則的控制策略主要包括開關(guān)式和功率跟隨兩種。開關(guān)式控制策略下，增程器起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)恒定地輸出功率，排放和燃油消耗較低，但對(duì)電池壽命損傷大。功率跟隨控制策略根據(jù)動(dòng)力電池的狀態(tài)及整車需求功率來確定增程器功率輸出，增程器輸出功率大部分可以直接傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī)減少電池充放電過程，避免能量多級(jí)轉(zhuǎn)換，并提高電池的壽命，但由于工作過程發(fā)動(dòng)機(jī)不斷進(jìn)行工況切換，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和排放會(huì)增加。

面對(duì)每日都存在較大比例增程模式的增程城市電動(dòng)公交用增程器，本文選用了功率跟隨控制策略。并重點(diǎn)對(duì)功率跟隨控制策略中不同功率上升速度和下降速度對(duì)油耗和排放的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1　增程器工作路徑及控制策略確定［5］

根據(jù)所匹配12 m長(zhǎng)公交車整車功率需求，進(jìn)行了增程器匹配。增程器所匹配發(fā)動(dòng)機(jī)為某排量1.9 L的渦輪增壓直噴柴油機(jī)，額定功率為72 kW。

1.1増程器工作路徑確定

圖1所示為綜合發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)效率后的増程器的燃油消耗率及初選的功率跟隨控制策略下的最佳燃油消耗曲線。

圖1增程器燃油效率及最佳燃油消耗曲線

圖2、圖3所示分別為增程器的NOx比質(zhì)量排放和超細(xì)顆粒比數(shù)量排放。通過合理設(shè)置增程器工作路徑的起點(diǎn)有效地避開了NOx比排放嚴(yán)重區(qū)域，而最佳燃油消耗線的終點(diǎn)所處區(qū)域顆粒排放較為嚴(yán)重，且增程器工作在終點(diǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)循環(huán)的排放影響較大，所以需要將最佳燃油消耗線往下調(diào)整，最終得到增程器工作路徑。

圖2　NOx排放特性

圖3　超細(xì)顆粒排放特性

増程器工作路徑最大功率輸出點(diǎn)選擇較佳燃油消耗點(diǎn)，需滿足動(dòng)力性對(duì)電功率的需求，同時(shí)不能超過電池最大充放電倍率限制，最終確定其對(duì)應(yīng)增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為46 kW。

1.2増程器控制策略

當(dāng)電池荷電狀態(tài)（SOC）低于設(shè)定的下限值后，增程器起動(dòng)后迅速切換到工作路徑的起點(diǎn)進(jìn)行暖機(jī)［6］并等待。當(dāng)動(dòng)力電池SOC高于設(shè)定上限值，增程器回到怠速并怠速一段時(shí)間進(jìn)行冷機(jī)后再停機(jī)。暖機(jī)結(jié)束后，増程器發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率將跟隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率大于46 kW時(shí)，增程器發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為46 kW，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率小于26 kW時(shí)，增程器發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為26 kW，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率介于26 kW～46 kW時(shí)，增程器發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為跟隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率。

2　試驗(yàn)設(shè)備及方法

基于瞬態(tài)測(cè)功機(jī)搭建了增程器發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程模擬測(cè)試臺(tái)架，通過上位機(jī)進(jìn)行增程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出控制，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)電子油門輸入來控制增程器轉(zhuǎn)速，對(duì)電力測(cè)功機(jī)施加扭矩指令。利用TSI EEPS 3090進(jìn)行超細(xì)顆粒排放分析，利用Horiba OBS 2000進(jìn)行氣態(tài)排放物NOx的分析，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4　增程器發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1增程器發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨特性

圖5所示為增程器發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力跟隨情況。從圖中可見，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與仿真的目標(biāo)基本相同，但是在功率上升和下降過程中均有轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。圖6所示為驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率與増程器發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率對(duì)比圖。

圖5　發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際動(dòng)力跟隨情況

由圖6可見，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率介于26 kW與46 kW時(shí)，増程器發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率能很好地跟隨整車需求功率。

圖7所示為實(shí)際工作過程發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布。由圖可見，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)有部分遠(yuǎn)離工作路徑。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率迅速提高或者降低過程產(chǎn)生轉(zhuǎn)速超調(diào)，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化，油耗增加，因此需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化速度進(jìn)行限制。重點(diǎn)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在常用最小功率輸出點(diǎn)和最大功率工況點(diǎn)切換過程中的功率變化速度限值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性進(jìn)行了研究。

圖6　整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率

圖7　實(shí)際過程增程器工況點(diǎn)分布

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)減速減載過程

圖8所示為不同功率下降速度限值下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力跟隨情況。從圖8可見，當(dāng)功率下降速度為-4 kW/s的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率都能很好地跟隨其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，但是功率下降過程需要5 s。當(dāng)功率下降速度為-6 kW/s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速有小幅超調(diào)，實(shí)際轉(zhuǎn)矩對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的跟隨情況較好。當(dāng)功率下降速度為-8 kW/s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速有小幅超調(diào)，實(shí)際轉(zhuǎn)矩對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的跟隨情況一般。當(dāng)功率下降速度為-10 kW/s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速有較大幅度的超調(diào)，轉(zhuǎn)速震蕩也較嚴(yán)重，實(shí)際轉(zhuǎn)矩的跟隨較差?？梢?，功率下降速度限值越大，盡管為制動(dòng)能量回收提供了更大的空間，但是轉(zhuǎn)速超調(diào)情況也會(huì)越嚴(yán)重，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和整車NVH性能將會(huì)下降。綜合考慮，增程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降速度限值定為-8 kW/s。

圖8　不同功率下降速度限值下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力跟隨情況

圖9　不同功率上升速度限值下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力跟隨情況

3.3發(fā)動(dòng)機(jī)加速加載試驗(yàn)

以增程器發(fā)動(dòng)機(jī)-8 kW/s的最大功率下降速度限值為基礎(chǔ)，研究了中國典型道路工況循環(huán)（CCBC）下功率上升速度限值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨、油耗和排放特性的影響。圖9所示為不同功率上升速度限值下發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)需求的對(duì)比。由圖可見，功率上升速度限值為0.5 kW/s，1 kW/s，2 kW/s時(shí)，加速加載過程中均沒有發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩超調(diào)和震蕩，動(dòng)力跟隨特性都較好。

圖10和11所示分別為不同功率上升速度限值下對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率及發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的時(shí)間分布。

圖10　不同功率上升速度下發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率與油耗

圖11　不同功率上升速度下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)時(shí)間分布

從圖11中可以看出，隨著功率上升速度限值的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間地工作在46 kW的工作點(diǎn)上。26 kW和46 kW工作點(diǎn)的燃油消耗率分別為220 g/（kW·h）和210 g/（kW·h），即使有33.3%的點(diǎn)工作在最高功率點(diǎn)上，其循環(huán)比油耗為216.5 g/（kW·h），即使全部時(shí)間工作在最低功率點(diǎn)上，其循環(huán)油耗為220 g/（kW·h）。可見，不同功率上升速度對(duì)循環(huán)油耗影響不大，如表1所示。

表1　不同功率上升速度下CCBC循環(huán)的比油耗

圖12所示為不同轉(zhuǎn)速和空燃比下發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度。由圖12可知，空燃比在25左右時(shí)，超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度最低。當(dāng)負(fù)荷增加空燃比小于25時(shí)，缸內(nèi)燃燒狀況惡化，高溫缺氧區(qū)域增加，超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度呈指數(shù)級(jí)快速增長(zhǎng)。當(dāng)負(fù)荷減小空燃比大于25時(shí)，隨著空燃比的增加，超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度略有增加，質(zhì)量濃度略有減小，這主要是因?yàn)轭w粒聚并作用減弱，且氧化作用增強(qiáng)引起的［7］。

圖12不同轉(zhuǎn)速和空燃比下發(fā)動(dòng)機(jī)超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度

圖13是不同功率上升速度限值下對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比及超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度。從圖中可以看出，在加速加載過程，由于進(jìn)氣滯后［8］，而噴油無滯后，空燃比明顯減小，導(dǎo)致超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度增加，出現(xiàn)峰值，且功率上升速度越大，峰值越大。

圖13不同功率上升速度限值下超細(xì)顆粒排放數(shù)量濃度

圖14所示為不同功率上升速度限值下對(duì)應(yīng)的超細(xì)顆粒排放質(zhì)量濃度。由圖可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速加載過程也出現(xiàn)顆粒質(zhì)量濃度的峰值，且該峰值隨著功率上升速度的增加而增加。質(zhì)量濃度峰值比其他工況點(diǎn)下的質(zhì)量濃度大4個(gè)數(shù)量級(jí)。同樣地，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變過程中的尾氣顆粒質(zhì)量濃度峰值是由過低空燃比引起的。

表2所示為不同功率上升速度限值下對(duì)應(yīng)循環(huán)超細(xì)顆粒排放比數(shù)量和比質(zhì)量。從表中可以看出，循環(huán)超細(xì)顆粒排放比數(shù)量和比質(zhì)量遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)插值結(jié)果，這主要是因?yàn)楣β噬仙俣容^大時(shí)，易出現(xiàn)由于進(jìn)氣滯后引起的空燃比谷值。隨著功率上升速度的增加，都顯著增加。

圖14　不同功率上升速度限值下的超細(xì)顆粒質(zhì)量濃度

表2　不同功率上升速度限值下循環(huán)超細(xì)顆粒排放

圖15所示為不同功率上升速度限值下的NOx排放體積濃度。由圖可知，當(dāng)空燃比在25左右，NOx體積濃度達(dá)到峰值，當(dāng)負(fù)荷增加導(dǎo)致缸內(nèi)空燃比小于25時(shí)，缺氧導(dǎo)致NOx體積排放急劇減小，而當(dāng)負(fù)荷減小導(dǎo)致缸內(nèi)空燃比大于25時(shí)，缸內(nèi)溫度降低導(dǎo)致NOx體積排放也逐漸減小。相同空燃比下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NOx排放體積濃度降低，這是由于轉(zhuǎn)速增加后，NOx生成反應(yīng)時(shí)間縮短。

圖15不同轉(zhuǎn)速和空燃比下NOx體積分?jǐn)?shù)

圖16所示為不同功率上升速度限值下對(duì)應(yīng)的NOx排放體積分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于加速加載中，會(huì)出現(xiàn)NOx排放谷值，且功率上升速度越小，谷值持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。這主要是因?yàn)樵龀唐鞴ぷ髀窂浇?jīng)過了NOx排放較低的區(qū)域，如圖2所示，功率上升速度越小，在該區(qū)域停留的時(shí)間越長(zhǎng)，故而谷值持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖16　不同功率上升速度限值下的NOx排放體積分?jǐn)?shù)

表3所示為不同功率上升速度限值下對(duì)應(yīng)循環(huán)NOx比排放。由表可見，NOx比排放低于穩(wěn)態(tài)插值結(jié)果，這主要是因?yàn)樗矐B(tài)過程空燃比出現(xiàn)谷值以及溫度上升滯后導(dǎo)致高溫富氧區(qū)域減少引起的［8］。隨著功率上升速度的增加，NOx比排放逐漸增加。這主要是因?yàn)楣β噬仙俣仍娇欤l(fā)動(dòng)機(jī)停留在工作路徑中NOx低排放區(qū)域時(shí)間越短。

考慮到增程式電動(dòng)公交車每日都將出現(xiàn)增程模式，為了最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命，又同時(shí)能避免柴油機(jī)主要的超細(xì)顆粒及NOx排放增加太多，選擇功率上升速度限值為1 kW/s。

表3　不同功率上升速度限值下NOx排放

4　結(jié)論

1）當(dāng)增程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降速度限值較大時(shí)，減速減載過程中，會(huì)出現(xiàn)較明顯的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)的震蕩。綜合考慮制動(dòng)余量和增程器NVH，最大功率下降速度限值定為-8 kW/s。

2）隨著增程器發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升速度限值的增大，循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量增加，可以減少電池的充放電，且比油耗基本不變，但超細(xì)顆粒排放比數(shù)量和比質(zhì)量都會(huì)顯著增加，NOx比排放也有所增加。

3）考慮到增程式電動(dòng)公交車每日都將出現(xiàn)增程模式，為保證電池壽命，同時(shí)避免排放增加太多，選擇功率上升速度限值為1 kW/s。

1Maradona R.，Steve K.，Dan S.，et al.Advanced energy management strategies for range extended electric vehicle［C］.SAE Paper 2015-26-0121

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Experimental Research on Control Strategy of Range-extender for Electric Bus

Yan Haibo1，Lou Diming2，Xu Ning2，Zhang Mengchao2

1-SAIC Motor Passenger Vehide Company（Shanghai，201804，China）2-School of Automotive Studies，Tongji University

Based on a range-extended electric city bus，working path and control strategy of a diesel engine powered range-extender are designed.Then with the help of a dedicated test system，experimental study on engine dynamic following，fuel consumption and emissions characteristics caused by different engine power rising and falling rate limits are carried out.The results showed：if the range extender engine power falling rate limit is too large，engine speed is more likely to overshoot and shock during process of speed and load decreasing.Taken regenerative braking and NVH all into account，the maximum speed limit is set as-8 kW/s.With the range extender engine power rising rate limit increasing，during CCBC，the energy output from engine increases which can reduce battery charging and discharging，and the specific fuel consumption hardly changes，but number and quality of ultrafine particulate emission increase significantly，and NOx emission ratio also increases.For range-extended electric buses，who have almost daily extended-range mode，in order to ensure the battery life with emissions increasing not too much，power rising rate limit of 1 kW/s is selected.

Range-extender，Control strategy，Power rising rate limit，Power falling rate limit

U472.7

A

2095-8234（2016）04-0001-07

2016-05-05）

國家科技支撐計(jì)劃（2014BAG06B01）。

嚴(yán)海波（1978-），男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力系統(tǒng)控制策略優(yōu)化。