增程式電動公交車動力系統(tǒng)仿真分析

劉春生

摘 要：本文以某款增程式電動公交車為原型，以功率跟隨控制策略和恒功率控制策略對整車能量進行管理，并在Matlab/simulink仿真軟件中建立了整車仿真模型，對兩種控制策略的仿真結果進行了分析比較，結果表明在功率跟隨控制策略下，增程式電動公交車的油耗略高于恒功率控制策略，但其動力性較好，爬坡性能和加速性能均優(yōu)于恒功率控制策略。對于恒功率控制策略發(fā)動機運行在最高效率點，所以其經濟性要優(yōu)于功率跟隨控制策略，但其充放電循環(huán)頻率高于功率跟隨控制策略。

關鍵詞：增程式電動客車 能量管理 仿真分析

Abstract：In this paper， taking a certain increased program electric bus as the prototype， the power follow control strategy and constant power control strategy are used to analyze the energy management of the whole vehicle， and the vehicle simulation model is established in Matlab/simulink simulation software. The simulation results of the two control strategies are analyzed and compared. The results show that under the power follow control strategy， the fuel consumption of the increased program electric bus is slightly higher than that of the constant power control strategy， but its power performance is good， The climbing performance and acceleration performance are better than the constant power control strategy. The constant power control strategy engine running at the highest efficiency point， its economy is better than the power follow control strategy， but its charge and discharge cycle frequency is higher than the power follow control strategy.

Key words：Additional electric bus; Energy management; Simulation analysis

近年來，隨著中國石油消費量的急劇上升，中國能源安全問題日益突出[1]。為順應發(fā)展需求，現如今眾多城市公交車輛都已逐漸使用增程式電動公交車輛投入實際運營。因為傳統(tǒng)車輛能耗高，排放污染嚴重，難以滿足發(fā)展要求，此缺陷對城市工況運行的車輛尤為突出。在新能源車輛方面，純電動車輛自重較大，動力電池成本較高、存在續(xù)航里程短等問題，但增程式電動汽車不僅具有純電動汽車的眾多優(yōu)點，動力電池組較小的尺寸和質量能提高整車的動力性和經濟性，較長的行駛里程也能與傳統(tǒng)的混合動力相媲美，且動力電池組始終處于淺充放電狀態(tài)[2]。該動力系統(tǒng)形式的汽車既能實現節(jié)能減排的目標，又能保證其續(xù)駛里程。同時為實現較優(yōu)的整車經濟性和動力性，整車能量管理策略也影響極大。目前基于規(guī)則的策略因其具備簡單、穩(wěn)定性高、魯棒性強等優(yōu)勢在實車中已得到廣泛應用，雖然基于優(yōu)化的策略對車輛的性能在理論層面有所提升，但因其復雜、不夠穩(wěn)定，目前卻難以進行實車應用[3]。

基于上述條件和特點，現階段增程式動力系統(tǒng)在城市公交車輛的應用潛力和需求較大。具備一套匹配較佳的增程動力系統(tǒng)和能量管理策略可極大的提升車輛的動力性和經濟性，更好達到節(jié)能減排的要求。尤其面對中國如此巨大的市場需求，十分有必要對增程式城市公交車輛動力系統(tǒng)進行研究。

所以本文針對增程式城市公交車輛的動力系統(tǒng)進行了研究并利用Matlab/simulink仿真平臺搭建整車仿真模型及進行整車性能分析。且針對該車輛動力系統(tǒng)制定了基于功率跟隨的控制策略和恒功率控制策略，然后根據仿真結果分析了兩種控制策略對車輛的影響。

1 主要參數及建模

增程式電動公交車動力系統(tǒng)主要由動力電池組、增程器和驅動電機組成。車輛控制器能夠結合踏板信號、制動信號和當前車輛行駛狀態(tài)，充分考慮動力性與燃油經濟性等因素，實現能量最優(yōu)分配。發(fā)動機控制器根據控制策略所制定的方案控制發(fā)動機的啟停，傳遞能量給驅動電機和動力電池。電池較大的容量能為增程式電動汽車提供足夠的動力，可以單獨為驅動機提供能量。其結構如圖1所示。

1.1 整車主要參數

本文選取某款純電動客車的基本參數和性能指標如表1所示。

1.2 整車需求功率模型

為了更容易確定車輛各種參數，通常對整車進行動力學分析，將車輛復雜的運行狀態(tài)簡化。經典車輛運動方程式為：

式中，為車輛需求功率，為車輛滾動阻力功率，為車輛空氣阻力功率，為車輛坡道阻力功率，為車輛加速阻力功率。

1.3 APU模型

在增程式系統(tǒng)中APU非直接通過機械連接驅動車輛，這使得APU單元可以進行獨立的控制，其能夠更好工作在效率較高區(qū)域。為簡化模型復雜度，本文在進行仿真時可直接通過功率插值先前計算完成的最佳燃油消耗曲線得到當前燃油消耗率：

式中，為燃油消耗率，為APU當前功率。

1.4 驅動電機模型

對于電驅動車輛的驅動電機，在驅動工況下電機可以提供驅動力以驅動車輛前進，在減速工況下電機可以實現能量回收以減少能量損耗。本文在仿真時，為簡化模型復雜度，通過電機轉速和轉矩插值電機效率MAP以得到電機工作效率。

式中，為驅動電機效率，為驅動電機轉矩，為驅動電機轉速。

1.5 電池模型

不考慮電池壽命和溫度變化的影響，通過電池性能試驗可得電池的電動勢和內阻模型[4]。電池SOC（State Of Charge， SOC）變化如公式所示：

式中，為電池SOC變化值，為電池電動勢，為電池功率，為電池內阻，為電池容量。

2 控制策略

增程式電動公交車有兩個動力源，在電池SOC值高于邏輯控制下限時，整車所需要的動力全部由電池提供，電池SOC達到下限時，增程器啟動，為整車提供動力同時為電池充電。增程器的啟停影響著整車的性能和油耗排放，其控制策略是保證動力性的前提下，減少增程器的啟停，且盡可能使發(fā)動機工作在高效區(qū)，因此制定合理的控制策略對實現能量的最佳分配尤為重要。

由于對混合動力電動車輛幾種常見的控制策略分析知道，基于規(guī)則的控制策略算法較為簡單，易于在對實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)中實現，且具有較好的魯棒性[5]。所以本文選取功率跟隨和恒功率兩種控制策略對整車進行控制，并對比分析兩種控制策略下整車的動力性以及經濟性。

2.1 功率跟隨控制策略

對于功率跟隨控制策略其發(fā)動機沿設定的路徑工作，此控制策略下整車的動力性較好，具有很強的爬坡性能和加速性能，其輸出的功率大部分為整車提供動力，小部分為電池充電。這種控制策略可以避免電池頻繁的充放電，提高電池的壽命。該策略下客車的工作模式大致思路流程如圖2所示。

2.2 恒功率控制策略

對于恒功率控制策略其較為簡單，增程器的啟停完全由SOC決定，SOC高于設定上限時，動力完全由電池提供，發(fā)動機不工作；SOC達到下限時，發(fā)動機運行在最高效點，此點發(fā)動機燃油消耗率最低。SOC沒有達到邏輯控制下限時，增程器是不啟動的，其工作模式最大的不同就是恒功率控制策略下增程式電動客車沒有功率跟隨模式，即增程模式下動力電池始終處于充放電狀態(tài)。其大致思路流程如圖3所示。

3 仿真結果

本文采用中國典型城市工況（ China Typical City Cycle，CTCC）對動力系統(tǒng)模型進行仿真，該工況最高車速60km/h，一個循環(huán)5.91km，總耗時1314s。具體如圖4所示。

本次仿真中設定電池容量低于0.3時，增程器啟動進入續(xù)駛階段。圖5和圖6分別展示了SOC與油耗的關系。功率跟隨下，動力SOC低于0.3之前，當所要求的功率較高時，發(fā)動機啟動，可以看到此時發(fā)動會產生緩慢上升的油耗，進入增程模式后，功率進行跟隨，發(fā)動機為主能量源，此時電池充電較為緩慢，油耗急劇上升。恒功率下，SOC未低于0.3之前，動力全部由電池提供，電池消耗較功率跟隨下較快，SOC低于0.3后，功率點恒定，油耗呈一定比例上升，電池充電較功率跟隨快。

圖7和圖8分別是兩種控制策略下車速與電池SOC的關系，由圖中可以看出，功率跟隨下電池放電較為平穩(wěn)，而恒功率控制策略下電池SOC伴隨著車速上升變化較為強烈。

由以上對兩種控制策略相同行駛距離下的油耗分析可知：恒功率控制策略下客車的油耗低于功率跟隨控制策略下客車的油耗。同時電池SOC可以看出：恒功率控制策略動力電池充放電較功率跟隨控制策略頻繁，在運行43個循環(huán)工況下，功率跟隨充放電循環(huán)進行了不到2次，而恒功率控制策略下電池充放電已完成5個循環(huán)，且電池放電波動較為劇烈，這對電池的壽命會產生較大影響，此外功率跟隨下發(fā)動機工作區(qū)間廣，可提供的功率范圍更大，因此動力性較恒功率控制策略下要好。

4 總結

本文以某款純電動客車為原型，制定了以功率跟隨控制策略和恒功率控制策略對整車能量進行管理。在Matlab/simulink仿真平臺搭建了動力系統(tǒng)后向仿真模型，通過仿真分析得到如下結論：

在中國典型城市循環(huán)工況模擬下，分析了兩種控制策略的經濟性，恒功率控制策略油耗低于功率跟隨控制策略，但對于動力性和電池方面的影響較大?？偟膩碚f就是恒功率策略下發(fā)動機工作條件更好，功率跟隨策略下電池工作條件更好、動力性更佳。

重慶市科技局技術創(chuàng)新與應用發(fā)展（重點項目）cstc2020jscx-dxwtBX0025純電動汽車全氣候全工況超低能耗集成匹配關鍵技術研究。

參考文獻：

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[2]趙靖華，張雨彤，曹派，王忠恕，李小平，孫亞南，解方喜.CNG發(fā)動機增程式電動汽車能量管理優(yōu)化控制[J/OL].吉林大學學報（工學版）：1-9[2022-11-09].

[3]張風奇，胡曉松，許康輝，唐小林，崔亞輝.混合動力汽車模型預測能量管理研究現狀與展望[J].機械工程學報，2019，55（10）：86-108.

[4]李永亮，黃英，王緒，郭汾.增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數匹配及控制策略優(yōu)化[J].汽車工程學報，2021，11（03）：177-190.

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