面向公交客车应用的插电式混合动力实时优化策略研究

插电式混合动力汽车随着电功率比的逐渐提升实现了机电耦合系统的能量深度混合。然而在应对复杂瞬变的城市公交工况时,如何通过设计实时高效的能量管理策略实现插电式混合动力客车全工况能量消耗最优已成为学术界的研究热点。考虑城市公交工况路况信息对能量分配的影响以及同轴并联式系统构型的自身特点,提出等效坡道在线估计及相应的电池荷电状态(State of charge, SOC)轨线修正方法,在此基础上利用等效油耗最小策略(Equivalent consumption minimization strategy, ECMS)设计一种实时优化能量管理策略,将整条公交线路的能量需求进行合理分配,另外对发动机起停的约束条件保证了发动机的合理高效运行。仿真结果表明所提出的实时优化能量管理策略与实际中应用的规则策略相比,对整车燃油经济性的提升更为显著,且可以更好地匹配公交工况与动力系统构型。实车试验结果也验证了所提出方法的有效性。因此所提出方法为基于优化理论的实车控制策略应用提供了理论依据     

Study on powertrain system for CNG-electric hybrid city bus

In order to obtain better economy and power performances of compressed natural gas (CNG) and electric hybrid city bus, the powertrain system is designed and studied in this paper. Based on manufacturing technology, operation cost and dynamic property, economy is regarded as the main optimization goal for CNG-electric hybrid city bus, which determines the structure of powertrain system of CNG-electric hybrid city bus. Vehicle control strategy is established by working conditions. Some key component parameters are matched and designed. Work model of motor/generator is established, and torque characteristic curve of motor/generator is obtained. Full vehicle model of CNG-electric hybrid city bus is established by ADVISOR software. Comparison with tradition natural gas city bus, the maximum gradability rises by 69.8%, the maximum gradability of 20 km/h is 25.4%, the maximum speed rises by 8.6%, and the acceleration performance of 0～50 km/h rises by 21.9%. The fuel consumption reduces by 23.3% in the BC-CTC cycle working condition, and the fuel consumption reduces by 25.1% in the ECE+EUDC cycle working condition. So, the performances of power and economy have been obviously improved, compared with traditional CNG city bus, which indicates that this method can be used to study the powertrain system of CNG-electric hybrid city bus.     

基于城市循环工况的混合动力客车经济性仿真及试验研究

混合动力客车的传动结构、动力系统参数匹配、能量管理和换挡策略是影响混合动力客车经济性的重要因素.同时,具有不同特点的城市循环工况等也会直接影响整车经济性能的评价.本文开发了上海城市道路循环工况,以申沃SWB6116HEV型客车为平台,利用Cruise软件建立混合动力客车整个模型,针对上海市和曼哈顿道路循环工况进行模拟仿真分析,并通过城市循环工况的道路实车实验进行了对比和验证.仿真和试验结果表明,混合动力客车的经济性得到有效的改善.     

基于道路工况自学习的混合动力城市客车控制策略动态优化

在混合动力控制策略开发过程中通常采用国外开发的典型道路工况,而这些道路工况与国内的实际道路工况存在较大的差异,这种差异会导致开发的控制策略并不能使混合动力车辆在实际工况下达到最佳燃油经济性。针对这一问题,结合城市公交车线路固定、周期性强等特点,建立道路工况自学习系统。利用该系统可以生成针对固定线路的运行工况,试验结果表明该工况真实地反映车辆实际运行的线路特点。以生成的道路工况为基础,利用动态规划方法,对控制策略进行优化仿真研究。目标车辆在采集得到的道路工况上,按动态规划分配的功率值运行,仿真结果得到的百公里燃油消耗比采用功率跟随控制策略的混合动力公交车的实际燃油消耗降低10.2%。真正实现混合动力客车的"一线一策略"的要求,提高混合动力城市客车的适应性。     

基于驾驶意图的插电式混合动力公交车控制策略*

为了充分挖掘插电式混合动力公交车(Plug-in hybrid electric bus, PHEB)的节油潜力、增强车辆对不同类型驾驶员的自适应性,在基于规则类的控制策略基础上,增加驾驶员意图识别模型。对驾驶风格及加速意图进行模糊识别,通过驾驶员在环的半实物仿真验证了识别模型,以驾驶风格和加速意图识别结果为输入,建立转矩修正系数k的模糊控制器,反模糊化输出k值,对需求转矩进行修正。用system test工具将模糊控制器生成对应的模糊查询表。仿真及试验结果表明：有驾驶员意图识别控制策略较无驾驶员意图识别控制策略更加适应PHEB的运营、用电机制且燃油经济性进一步提高了1.8%。     

基于工况识别的混联式混合动力客车控制策略研究

为进一步提高新型混联式混合动力客车燃油经济性,根据城市循环工况的特点选定了四种典型的城市工况,采用学习向量量化(LVQ)神经网络模型对各工况特征参数进行训练学习以进行实时工况识别,结合基于动态规划的全局优化结果来提取功率均衡控制规则并存储于控制模块中以供不同工况选择,制定了基于工况识别的控制策略。以MATLAB/Simulink为平台建立基于工况识别的控制策略整车前向仿真模型,仿真结果表明,与普通控制策略相比,采用基于工况识别的控制策略的燃油经济性提高7%。     

并联式HEV机电耦合方案对比研究

针对并联式混合动力电动汽车研制的需要,建立了相应的动力总成数学模型,并以计算机为工具进行仿真实验,可以方便地评价车辆的性能。基于SAE2711标准,提出了混合动力电动汽车等效油耗的计算方法。以仿真平台为基础,开展了不同机电耦合方案的燃油经济性与动力学性能对比研究,为样车开发提供理论指导。     

基于模糊自适应滑模方法的混联式混合动力客车模式切换协调控制

在混联式混合动力汽车纯电动至并联驱动模式切换过程中,由于发动机、电动机及离合器瞬态特性的影响,可能导致动力系统输出转矩的突变从而使车辆产生较大的纵向冲击。以混联式混合动力客车为研究对象,考虑发动机和电动机瞬态响应特性的显著不同,针对离合器在结合过程中的运行状态,以提高驾驶性能为目标设计出混合动力客车纯电动至并联驱动模式切换协调控制策略。协调控制采用模糊自适应滑模方法,其中模糊自适应系统用于估计系统参数不确定性引起的偏差以及发动机实际输出转矩与目标转矩的偏差,估计出的偏差值用于调整滑模控制器的控制量,从而提高控制系统的控制精度和鲁棒性。通过仿真及实车试验验证控制策略的有效性。结果表明,设计的控制策略在模式切换过程中满足驾驶员动力需求的前提下使动力系统输出转矩的波动范围和最大冲击度分别下降85%和78%,从而显著提高了混合动力客车的驾驶性能。     

并联式液压混合动力公交车能量管理控制策略研究

针对城市公交车存在燃油经济性较差且排放污染高的问题,基于复合蓄能器的并联式液压混合动力公交车构型,提出了一种基于逻辑门限值的能量管理控制策略,实现工作模式的动态切换,并完成整车参数匹配,基于AMESim与MATLAB,搭建联合仿真平台,利用AMESim软件搭建整车液压系统模型,在MATLAB/Simulink/Stateflow环境下基于整车运行状况、高低压蓄能器压力与整车需求转矩搭建整车控制策略模型。在中国典型城市公交循环下对车辆经济性以及尾气排放情况进行仿真验证,仿真结果表明:在中国典型城市公交循环工况下,并联式液压混合动力公交车燃油消耗量为19.79 L/100 km,相比传统燃油公交车减少了31.2%,使车辆燃油经济性得到提高,并减少了排放,尾气中碳氧化合物、碳氢化合物、氮氧化合物的排放量分别减少了47.7%,34.9%,22.3%。     

基于静液压传动的蓄电池轨道车电液混合加速策略

为了解决蓄电池轨道车瞬时加速大扭矩引起的大电流冲击对蓄电池寿命和整车续航里程的不利影响,基于传统的静液压传动系统设计了一套新型的电液混合动力系统。首先,建立了电液混合动力系统的功率流数学模型,并根据轨道车的行驶特点对电液混合动力系统的工作模式进行划分;其次,基于加速工况仿真了不同电液功率分配比下的动力耦合特性,并指出研究轨道车能量管理策略的必要性;最后,理论分析了电液混合动力系统中影响蓄电池放电电流强度的因素,并据此制定了最小放电电流冲击的加速策略。运用AMESim-Simulink联合仿真平台对加速策略的可行性进行分析,仿真结果表明所设计的控制策略对轨道车加速时蓄电池的放电电流冲击有良好的抑制作用,且控制简单,实用性强。     

并联混合电动车辆采用无级变速器速比控制对燃油经济性的改进

考虑到并联混合电动车辆(HEV)动力系响应滞后,建议采用无级变速器(CVT)速比控制方法来实现HEV的燃油经济性的改进.在该方法内,由估算于动力系响应滞后之后根据车辆速度来修正目标CVT速比,并推荐一个加速图谱来估算响应滞后的车辆速度.该CVT速比控制方法采用HEV台架试验机试验证实.根据试验结果,可以看到用修正速比控制方法发动机工作迹线比用常规CVT速比控制对于适度加速模式可以有更有效换档范围,故能给出最佳的燃油经济性.此外,还采用HEV动力系模型对联邦城市驱动计划性能仿真进行估算响应滞后对燃油经济性的影响.仿真结果表明作为响应滞后采用修正CVT速比增大可以实现最佳的燃油经济性.但在实际应用中,要求最佳燃油经济性和加速性能之间进行折衷.     

混合动力汽车动力性和经济性道路试验

结合混合动力汽车的特点,根据传统汽车试验标准并参考SAE J1711混合动力轿车试验方法对EQ7200HEV第一轮样车进行了道路试验。试验包括0～100 km/h加速试验、最高车速试验、最大爬坡试验及ECE15工况燃油经济性试验等。试验结果表明,试验样车可以合理、准确的实现多工况切换与控制功能,燃油经济性与基础样车比较有所提高,但需在第二轮开发时重点提高动力性、经济性方面的研究。道路试验为样车参数标定、控制策略优化及系统匹配提供了理论依据,同时对混合动力汽车试验方法进行了有益的探讨。     

并联混合动力城市客车驱动系统建模与仿真

通过对混合动力城市客车驱动系统动力学的研究,在ADVISOR上建立了该车驱动系统仿真模型.在典型的循环行驶工况ECE_EUDC下对车辆模型进行动力性仿真分析,仿真结果与实车测量结果一致,表明模型可运用于该并联混合动力城市客车的动力性研究.     

串联式混合动力城市客车动力系统研究

基于某一公交线路运营试验和车辆运行数据,对串联式混合动力城市公交车WG6120HD各项行驶参数进行了对比分析,得出了城市公交混合动力系统的工作特点。针对该公交线路,采用线路能量平衡和发动机动态功率跟随控制策略来满足线路总能量需求和车辆瞬态功率供给的要求。该策略将能量和功率分开管理,并通过动态耦合,有效协调了公交车功率配置高和平均需求功率低之间的矛盾。运营试验表明：该混合动力系统运行可靠,控制策略合理有效。
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OPTIMIZATION APPROACH FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLE POWERTRAIN DESIGN

According to bench test results of fuel economy and engine emission for the real power-train system of EQ7200HEV car, a 3-D performance map oriented quasi-linear model is developed for the configuration of the powertrain components such as internal combustion engine, traction electric motor, transmission, main retarder and energy storage unit. A genetic algorithm based on optimization procedure is proposed and applied for parametric optimization of the key components by consideration of requirements of some driving cycles. Through comparison of numerical results obtained by the genetic algorithm with those by traditional optimization methods, it is shown that the present approach is quite effective and efficient in emission reduction and fuel economy for the design of the hybrid electric car powertrain.     

基于规则修正的同轴并联混合动力客车瞬时优化能量分配策略

同轴并联混合动力客车因其动力总成构型较传统构型改动小、能量传递效率高且易于实现多模式运行而在公交客车领域得到广泛的应用。应对复杂瞬变的公交工况,如何设计高效的能量分配策略实现混合动力客车的高效节能已成为近期的研究热点。针对同轴并联构型混合动力客车建立逆向仿真模型,在分别对规则式能量分配策略和瞬时优化分配策略分析的基础上,考虑发动机切入/退出动力系统时机对于整车燃油经济性的影响,提出一种基于规则修正的瞬时优化能量分配算法。将发动机切入/退出判定引入到瞬时优化算法中,并对该策略进行仿真与道路试验验证。实车验证结果表明所提出的策略能够提升节油率约5%,是一种具有实际应用前景的并联混合动力客车能量管理方法。     

一种新型混合动力城市客车的开发

针对城市公交客车的实际运行工况需要,开发出一种新型混合动力总成装置,用于混合动力城市公交客车。混合动力总成具有高低速双电机模式,能充分发挥串联式和并联式优点。混合动力客车具有纯电、混联、驻车发电和电网充电4种工作模式,使发动机、发电机、电机等部件更优化地匹配工作,在结构上保证了在复杂的工况下系统工作在最优状态,达到更高的节能和减排目标。     

混联式混合动力客车能量管理实时优化算法研究

为提高新型混联式混合动力客车的燃油经济性,制定了一种功率均衡能量管理控制策略。建立动力系统模型并针对其结构特点设计了模式切换规则。通过确定各个功率需求下的电池荷电状态与发动机燃油消耗的关系,将电池功率转化为相应的油耗,以每一时刻的综合燃油消耗量最小为目标,对电池与发动机功率进行实时优化均衡控制。仿真结果表明：电池荷电状态控制在预定的区域内保持平衡,发动机运行工作点在高效区域内,且整车燃油经济性与原型客车和采用规则控制策略相比分别提高了34.18%和13.61%。     

基于车速跟踪的商用车燃油经济性建模与仿真

针对燃油经济性仿真模型仅能计算车辆在模态工况下的燃油消耗量的问题,提出了一种基于车速跟踪的燃油经济性仿真模型的建模方法。在建立车辆纵向动力学模型、驾驶意图模型和发动机与传动系统模型的基础上,利用MATLAB/Simulink搭建了商用车燃油经济性仿真模型,并以某客车为例进行了试验与仿真对比。对比结果表明：所建模型能对商用车的任意行驶工况进行较好的车速跟踪,并能对商用车在该行驶工况下的燃油消耗量进行较为准确的仿真计算。通过更改仿真模型中的相关车辆参数,可以方便快速地进行不同动力总成配置的商用车的燃油经济性仿真计算。     

串联混合动力客车参数设计与优化

以某传统客车为原型,对串联混合动力客车动力传动系统各部件进行了参数匹配设计,重点阐述了驱动电机参数的设计方法。在保证动力性的前提下,按照均一性的原则分析了发动机功率,电池功率和驱动电机功率的变化对车辆燃油经济性的影响,并对所采用的功率跟随控制策略的参数进行了分段寻优,仿真结果表明:优化后的串联混合动力客车的燃油经济性和动力性都得到了进一步的提高,在控制参数优化后的控制策略下,电池的SOC能迅速回到0.7附近,并保持稳定。