并聯混合動力汽車怠速停機控制策略研究

岳淑彪，高建平，楊鷺航，田朝陽，郭志軍，朱光海

(1.河南科技大學車輛與動力工程學院，河南洛陽471003;2.中南大學能源科學與工程學院，湖南長沙410012;3.中國一拖集團有限責任公司，河南洛陽471004;4.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州450016)

0 前言

全球石油危機和氣候惡化對節能和減排提出了更高的要求，混合動力汽車綜合運用發動機和驅動電機兩種動力，通過動力電池的功率均衡作用，最大可能地優化發動機的工作，使燃油經濟性和排放性能比傳統動力汽車顯著提高，被認為是未來一段時間內理想的交通工具，從而在世界范圍內引起廣泛關注?？萍疾拷谕菩械摹笆乔лv”節能與新能源汽車計劃客觀上為混合動力汽車研發提供了新的契機［1－3］。本文以一種并聯式混合動力城市客車為研究平臺，以CRUISE為仿真平臺建立整車模型，在MATLAB/Simulink中建立怠速停機控制策略，基于國內典型城市公交循環工況的仿真結果表明:怠速時間、怠速轉速是影響混合動力汽車燃油經濟性的重要因素，采用參數優化的怠速停機控制策略可以使整車燃油經濟性得到明顯提高。

1 基本概念

對汽車實際行駛工況的統計分析表明:發動機怠速時間占整個循環工況時間的30%～40%［4］。而發動機怠速時，造成大量燃料浪費。怠速停機是混合動力汽車節油的四大關鍵途徑之一，怠速停機控制策略可以使混合動力汽車在車輛靜止或小低速行駛時關閉發動機，通過減少發動機在油耗或有害氣體排放較高的怠速區運行，達到節能減排的目的，得到國內外研究者的重視。

發動機怠速包括車輛停歇(停車)時怠速和制動減速期間怠速［5］。在制動減速階段，車輛可通過發動機減速斷油控制來達到節油目的，此可在發動機電控技術上實現，不屬于混合動力控制技術的范疇，本文研究的怠速僅指停車怠速?；旌蟿恿ζ嚨∷偻C是指車輛停車時在條件允許的情況下，通過混合動力控制技術將發動機關閉，而起車時能快速啟動發動機來響應起車要求。國內實現怠速停機的混合動力汽車并不多見，主要原因有:(1)對怠速停機定量研究不夠充分，對其節油潛力認識不足。(2)發動機停機后會造成原車的輔助系統(如油泵、氣泵和風扇等)失去動力源而停止工作，因此，需要對原車輔助系統進行電氣化改造，而能否得到可用的電附件以及成本增加多少，是整車企業不得不考慮的問題。

2 混合動力系統

2.1 基本參數

本文的研究基于12 m并聯式混合動力城市客車，其基本配置參數如表1所示。

表1 混合動力車輛配置參數

2.2 混合動力系統

并聯式混合動力汽車系統如圖1所示，該車是在基準車輛(原傳統動力車輛)的基礎上改裝而成，動力系統主要由發動機、動力電池、電動機/發電機、電控離合器和機械式自動變速器組成。該車可實現電機單獨驅動、發動機單獨驅動、行車充電、混合驅動和再生制動等模式。

圖1 混合動力系統

圖1所示混合動力系統并未實現怠速停機功能，要在此系統上實現怠速停機控制，需對其進行改造，增加大功率起動裝置、輔助部件和控制機構等，使附件有兩種工作模式:發動機驅動附件工作和動力電池驅動電動機/發電機間接拖動附件工作，而控制機構能使這兩種模式自由切換。

3 怠速停機仿真模型

AVL公司提供的汽車專用仿真軟件CRUISE基于正向仿真模型，非常適合混合動力汽車控制策略的開發，可方便地對整車動力性、經濟性和排放進行仿真和評價。它與MATLAB/Simulink有很好的接口，從而實現CRUISE和MATLAB/Simulink進行聯合仿真。為了保證仿真環境的有效性，需對CRUISE建立的整車模型仿真精度進行驗證。因混合動力汽車是以基準車輛為基礎的，要獲得精確的仿真結果，須保證基準車輛模型具有較好的仿真精度。

3.1 模型校正

為確保模型在CRUISE環境下的仿真能代替實車道路試驗，需對原車進行多輪道路試驗，如滑行試驗，制動試驗等，并根據試驗數據校正車輛仿真模型中的參數，如輪胎的滾動阻力系數，制動器的參數等。

表2 基準車輛仿真油耗與試驗油耗對比

在CRUISE平臺下，基于國內典型城市公交循環工況，對校正過的基準車輛模型進行仿真計算，并將仿真計算結果與試驗場路試結果進行比較，如表2所示，可以看出仿真結果和試驗場路試結果相差0.5%，從而說明本文所用的仿真模型具有較好的仿真精度。

3.2 混合動力汽車仿真模型

校正基準車輛模型后，在基準車仿真模型的基礎上添加混合動力特有的部件模型可建立混合動力汽車仿真模型，模型中，車輛附件用機械消耗附件(CRUISE中mechanical consumer模型)來表示。通過在MATLAB/Simulink中搭建的控制策略控制機械消耗附件兩端的離合器，實現怠速停機時和怠速不停機時系統功率流的變化。

4 怠速停機節油機理分析

混合動力汽車怠速停機時的節油率可由下式求得:

其中，βfuel_saving為混合動力汽車怠速停機時的節油率;Lfuel_stop為發動機停機時節省的燃油消耗量，L;Lcycle為基準車輛總燃油消耗量，L;Tstop為怠速停機總時間，s;fidle為怠速時油耗，kgh－1;ρfuel為燃油密度，kgL－1;t為時間，s;Lelectric_stop為混合動力汽車當量燃油消耗量，L，其計算方法如下式［6］:

其中，Ek為試驗過程中的電能消耗量，kWh;Qfuel_low為燃料燃燒的低熱值，Jg－1;ηeng為發電工況下發動機的平均工作效率;ηgen為發電工況下發電機的平均工作效率。

從式(1)可以看出:怠速時間和怠速油耗影響混合動力汽車怠速停機時的節油率。

4.1 怠速時間的影響

怠速時間是描述循環工況的重要參數之一，怠速時間占循環工況總時間的比例不同，其混合動力汽車的燃油經濟性差別很大［7－8］。以國內典型城市公交循環工況為例，通過設定不同的怠速時間，可以得到圖2所示的5種不同工況?；谶@些工況進行仿真，可得到怠速停機時怠速時間比例與汽車節油率的關系，如圖3所示。

從圖3中可以看出:怠速時間是影響混合動力汽車怠速停機時節油率的主要參數，且怠速時間占循環工況總時間的比例越大，汽車燃油經濟性提高越顯著。這主要是怠速時附件間接消耗的電量按式(2)轉換成的等效燃油消耗比發動機怠速油耗要少，且隨著怠速時間比例的增加，節油效果越來越明顯。

4.2 怠速轉速的影響

發動機怠速轉速直接決定怠速時的油耗，本文研究中調整發動機的怠速轉速，基于國內典型城市公交循環工況進行經濟性仿真，得到汽車怠速停機時發動機怠速轉速與節油率的關系，如圖3所示。從圖3中可以看出:怠速停機時節油率隨發動機怠速轉速增大而逐漸提高，其原因主要是發動機怠速轉速越大，停車時車輛附件消耗的功率也越大，致使怠速油耗相對較高，而實現怠速停機后節油效果越明顯。另外，還可看出發動機怠速轉速變化對怠速停機時燃油經濟性改善影響較小。

5 怠速停機控制策略

5.1 功率流分析

圖4 并聯式混合動力汽車的功率流

在圖4中:ne、Te分別為發動機的輸出轉速和輸出轉矩;nm、Tm分別為電動機/發電機的輸出轉速和輸出轉矩;nr、Tr分別為車輪的轉速和需求轉矩;Te－aux、Tm－aux分別為發動機驅動附件工作提供的轉矩和電機拖動附件工作提供的轉矩;Ub、Ib分別為動力電池電壓和電流;Tf為制動器輸出的制動轉矩。

對于并聯式混合動力汽車而言，根據圖4所示的功率流，可以得到如下功率平衡方程式:

其中，Pr為整車需求功率，kW;Paux為車輛附件需求功率，kW;Pe為發動機輸出功率，kW;Pb為電池充放電功率，kW;Pf為制動器輸出的制動功率，kW;η為效率系數，電池放電時，為電池放電效率和電動機工作效率之積，電池充電時，為電池充電效率和發電機效率積之倒數。

5.2 怠速不停機控制策略

由于怠速不停機時的驅動、制動和滑行控制策略不是本文研究的重點，以下只論述怠速工況下的控制策略，其控制算法如下:

其中，eng_on為發動機工作狀態，1表示開啟，0表示關閉;clutch_on為電控離合器工作狀態，1表示結合，0表示分離;ηbc為電池充電效率;ηmg為電機發電效率;SOC為電池組荷電狀態;SOCmin為電池荷電狀態下限。

式(4)所表述的控制策略為:臨時停車時，發動機開啟，若SOC大于設定下限時，離合器分離，車輛附件消耗的功率由發動機提供;否則，離合器結合，發動機驅動附件工作，同時驅動發電機給電池充電。

5.3 怠速停機控制策略

怠速停機控制策略，按工況具體分為怠速控制策略、驅動行駛控制策略、減速制動控制策略、減速滑行控制策略。

其中，hps_on為大功率電驅動系統工作狀態，1表示工作，0表示不工作;nidle為發動機怠速轉速，rmin－1;acc_on為電機拖動附件系統工作狀態，1表示工作，0表示不工作;Lped為驅動油門踏板行程; ηbd為電池放電效率;ηme為電動機工作效率。

式(5)所表述的為怠速控制策略:若SOC大于設定下限時，發動機關閉，離合器斷開，動力電池驅動電動機拖動附件工作。當車輛起步時，使用一套大功率電驅動系統快速拖動發動機至怠速以上，保證發動機順利啟動，發動機啟動后，大功率電驅動系統退出，且附件由電機拖動切換為發動機驅動。若SOC不大于設定下限時，發動機開啟，離合器結合，發動機驅動附件，同時驅動發電機給電池組充電。

因在驅動行駛、減速制動和減速滑行控制策略中acc_on=0(電機拖動附件系統不工作)，hps_on=0 (大功率電驅動系統不工作)，eng_on=1(發動機開啟)均成立，在式(6)～式(8)中不再表述。

式(6)所表述的為驅動行駛控制策略:低速工況下，若SOC大于設定下限時，離合器分離，電機驅動滿足驅動需求功率，發動機驅動車輛附件;否則，離合器結合，發動機單獨驅動，并驅動電機給電池組充電。中速行駛工況下，離合器結合，若SOC大于設定下限時，發動機單獨驅動;否則，發動機驅動汽車行駛的同時，并驅動電機給電池組充電。高速工況下，離合器結合，若SOC大于設定下限時，發動機和電機聯合驅動;否則，發動機全功率跟隨驅動汽車行駛。

其中，vmid_low為離合器分離時對應的車速，kmh－1;SOCmax為電池荷電狀態上限。

式(7)所表述的為減速制動控制策略:中高速減速制動工況下，離合器結合，發動機帶動附件反拖制動，制動器制動。若SOC大于設定上限時，電機不參與制動;否則，電機再生制動給電池組充電。低速制動工況下，離合器分離，發動機驅動附件工作，制動器制動。若SOC大于設定上限時，電機不參與制動;否則，電機再生制動給電池組充電。

式(8)所表述的為減速滑行控制策略:此工況下，電機不參與制動。中高速工況下，離合器結合，發動機帶動附件反拖制動;低速工況下，離合器分離，發動機驅動附件工作。

在怠速停機控制策略中，驅動行駛時離合器結合對應的車速和減速制動、滑行時離合器分離對應的車速不相等，是為了避免模式的頻繁切換。

6 仿真結果

基于上述怠速不停機和怠速停機控制策略，在CRUISE環境下針對中國典型城市公交循環工況進行了經濟性仿真分析。結果如圖5所示。

圖5 怠速不停機和怠速停機實際車速、發動機開關、油耗和電耗對比

從圖5可以看出:兩種控制策略下實際車速一致。在怠速不停機策略下，車輛靜止時，發動機開啟，油耗為發動機怠速油耗，電耗為零;怠速停機控制策略下，當車輛靜止時，發動機關閉，油耗為零，電機拖動附件消耗一定的電功率。

表3 兩種控制策略下燃油經濟性數據仿真結果

表3所示為兩種控制策略下燃油經濟性數據對比，從表3可以看出:混合動力汽車實現怠速停機后，油耗明顯減少，電耗小幅增加，等價油耗比怠速不停機節油約10%，汽車的燃油經濟性明顯得到改善。

7 結論

(1)怠速時間占循環工況總時間比例對混合動力汽車實現怠速停機時燃油經濟性改善影響較大，且比例越大，汽車燃油經濟性越好。(2)發動機怠速轉速對混合動力汽車怠速停機時燃油經濟性改善影響較小。(3)基于國內典型城市公交循環工況下，混合動力汽車怠速停機時比怠速不停機時節油約10%，汽車的燃油經濟性顯著提高。

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