基于混合系统理论的混合动力客车控制策略和参数优化研究
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摘要
环境污染和石油资源匮乏是汽车工业可持续发展面临的两大难题。混合动力汽车采用内燃机和电池作为动力源,是当前电动汽车中最具产业化前景的车型。混合动力汽车动力系统参数优化匹配和控制策略的研究,是混合动力汽车的核心技术之一。
本文以安徽省“十一五”、“节能与新能源汽车”重大科技专项课题为依托,以6110型串联式混合动力城市客车(Series Hybrid Electric Bus, SHEB)为研究对象,在分析城市公交客车运行工况特点的基础上,完成了6110型SHEB的总体设计。采用前向仿真和后向仿真相结合的仿真方法,结合后轮驱动的SHEB的特点,建立了SHEB整车和主要部件仿真模型(包括发动机-发电机组模型、驱动电机模型、动力电池组模型、综合式的多能源控制策略模型、定比例的制动力分配模型和整车模型等)。并结合样车试验结果进行了仿真模型的验证,结果表明模型符合实际情况,从而为城市混合动力客车整车控制策略仿真研究和动力系统参数匹配优化打下基础。
在分析SHEB能量流动模式的基础上,首次引入混合系统理论,利用混合输入输出有限状态自动机模型,建立了6110型SHEB动力控制系统数学模型,并确定了SHEB的运行模式切换条件和切换图。
在分析SHEB多能源控制策略设计目标和遵循原则的基础上,基于混合系统理论提出了集恒温器式和功率跟随式两种控制模式优点的模式变换式多能源驱动控制策略以及电机再生制动力、摩擦制动力和整车前后轮制动力协调控制的再生制动控制策略。
采用Simulink/Stateflow的混合建模方法,建立了模式变换式多能源驱动控制策略和制动力协调控制的再生制动控制策略仿真模型,以及相应的SHEB整车仿真模型,并基于中国典型城市公交循环工况分别进行了模式变换式、恒温器式和功率跟随式的三种控制策略仿真分析比较,结果表明:在保证6110型SHEB动力性的前提下,采用模式变换式控制策略时燃油经济性较好,整车等效燃料消耗量为23.9 L/100km,比综合式控制策略的样车减少4.8%,比同类型的传统燃油城市客车减少17.3%。同时,分别进行了制动力协调控制和定比例制动力分配的再生制动控制策略仿真分析比较,结果表明:制动力协调控制的再生制动控制策略的制动能量回收率提高11.5%,等效燃料消耗量减少3.2%。
在6110型SHEB动力系统参数初步匹配的基础上,根据正交试验设计原理,提出了混合动力系统部件参数和控制参数相结合的综合参数正交优化方法。经多方案优化得出一组较理想的参数匹配方案:H=43.3%(发动机功率为85kw)、C=75Ah、ig=2.73、控制策略为模式变换式多能源控制策略;并对优化后的6110型SHEB的动力性和燃油经济性进行了仿真分析,结果表明:优化后的动力系统能够满足整车动力性要求,且与优化前的样车道路试验结果相比,燃油经济性提高8.4%。
基于模块化的设计思想,构建了SHEB动力总成试验台架及测试系统,制定了混合动力城市客车动力性和燃油经济性道路试验方法和试验规范,完成了6110型SHEB动力系统的发动机、驱动电机等关键零部件的性能试验和整车的动力性和燃油经济性道路性能试验,试验结果表明:样车的动力系统性能能够满足整车技术要求,各项性能指标均达到了设计任务书的技术要求,验证了6110型SHEB动力系统结构选型和参数匹配的合理性;同时通过仿真试验与样车道路试验结果比较,验证了6110型SHEB整车仿真模型的准确性和基于混合系统理论建立的模式变换式多能源控制策略的可行性。
The most challenging goals the sustainable development of automotive industry facing are energy crisis and environment pollution. The hybrid electric vehicle (HEV), which applied the internal-combustion engine and battery as power sources, is considered as a most promising kind of electric vehicle for industrialization currently. The research on the parameters matching and control strategy is the key technology of the HEV.
In this paper, the 6110 type Series Hybrid Electric Bus (SHEB) was selected as the studying object. Based on the analysis on characteristics of the city bus cycle, the overall design was designed for the 6110 type SHEB. The simulation method which combined the forward facing method and backward facing method was applied. The simulation models of SHEB and key parts (including engine-generator model, motor model, battery model, multi-energy control strategy model, braking force distribution model and the integrated vehicle model) were constructed based on the characteristics of the rear wheel driving city hybrid electric bus. The models were simulated and analyzed for the verification combined with the test of the sample vehicle. The result shows that the models satisfied the requirements of actual instance and it could be the base of the research on the control strategy simulation of SHEB and parameters matching of powertrain.
The hybrid system theory was introduced for the first time based on the analysis of energy flow modes of SHEB. Based on the concept of hybrid dynamic system and the model of hybrid automata, the mathematic model for the dynamic control system of 6110 type SHEB was founded. Base on the analysis on the design objects and rules of energy control strategy, the mode transform control strategy was designed, which got the advantages of constant temperature type and power-follow type together, and the harmonious regenerative control strategy for the regenerative braking force of motor, the friction braking force, the braking force for the front and rear wheel is adopted.
The simulation models of mode transform energy control strategy, regenerative braking control strategy of harmonious control for braking force and integrated vehicle were founded based on Simulink/Stateflow by the combined modeling method. The three kinds of control strategy simulation were conducted under typical urban driving cycles by the mode transform type, constant temperature type and power-follow type. The result shows that the economic performance of mode transform control strategy is preferable to constant temperature type and power-follow type, the fuel consumption was 23.9L/100km, which is reduced by 4.8% compared with the sample applied synthesis type control strategy, and reduced by 17.3% compared with tradition city bus. The simulation of the harmonious control strategy of braking force and the fixed-ration braking force distribution strategy were conducted. The result shows that the harmonious control strategy was improved by 11.5% compared with the vehicle applied the fixed-ration distribution strategy, and the fuel consumption was reduced by 3.2%.
On the basic of the primary parameters matching for the powertrain of SHEB, an orthogonal optimization method for the synthesized parameters, which is composed of powertrain control parameters and the parameters of parts, was introduced for the 6110 SHEB according to the orthogonal test design theory. A set of parameters was acquired after the optimization:H=43.3%,C=75Ah, ig=2.73 and the mode transform type control strategy was applied. The simulation of 6110 SHEB was conducted after the optimization. The result shows that the dynamic performance was improved and the fuel consumption was reduced by 8.4% compared with the road test before the optimization.
Based on the design theory of modularization, the powertrain assembly test bench and the testing system were constructed based on the design theory. The testing methods and criteria were enacted. The performance test for the key parts of the SHEB and the road tests for the dynamic and economic performance of real vehicle were conducted. The result shows that the powertrain could satisfy the requirement of integrated vehicle. The performance of the sample vehicle could satisfy the requirements of the design task. It verified that the structure of the powertrain and the method of parameters matching are proper. By comparing simulation results with road test results, it proved that the simulation model is exact and the energy management strategy based on dynamic mode transform is feasible.
本文以安徽省“十一五”、“节能与新能源汽车”重大科技专项课题为依托,以6110型串联式混合动力城市客车(Series Hybrid Electric Bus, SHEB)为研究对象,在分析城市公交客车运行工况特点的基础上,完成了6110型SHEB的总体设计。采用前向仿真和后向仿真相结合的仿真方法,结合后轮驱动的SHEB的特点,建立了SHEB整车和主要部件仿真模型(包括发动机-发电机组模型、驱动电机模型、动力电池组模型、综合式的多能源控制策略模型、定比例的制动力分配模型和整车模型等)。并结合样车试验结果进行了仿真模型的验证,结果表明模型符合实际情况,从而为城市混合动力客车整车控制策略仿真研究和动力系统参数匹配优化打下基础。
在分析SHEB能量流动模式的基础上,首次引入混合系统理论,利用混合输入输出有限状态自动机模型,建立了6110型SHEB动力控制系统数学模型,并确定了SHEB的运行模式切换条件和切换图。
在分析SHEB多能源控制策略设计目标和遵循原则的基础上,基于混合系统理论提出了集恒温器式和功率跟随式两种控制模式优点的模式变换式多能源驱动控制策略以及电机再生制动力、摩擦制动力和整车前后轮制动力协调控制的再生制动控制策略。
采用Simulink/Stateflow的混合建模方法,建立了模式变换式多能源驱动控制策略和制动力协调控制的再生制动控制策略仿真模型,以及相应的SHEB整车仿真模型,并基于中国典型城市公交循环工况分别进行了模式变换式、恒温器式和功率跟随式的三种控制策略仿真分析比较,结果表明:在保证6110型SHEB动力性的前提下,采用模式变换式控制策略时燃油经济性较好,整车等效燃料消耗量为23.9 L/100km,比综合式控制策略的样车减少4.8%,比同类型的传统燃油城市客车减少17.3%。同时,分别进行了制动力协调控制和定比例制动力分配的再生制动控制策略仿真分析比较,结果表明:制动力协调控制的再生制动控制策略的制动能量回收率提高11.5%,等效燃料消耗量减少3.2%。
在6110型SHEB动力系统参数初步匹配的基础上,根据正交试验设计原理,提出了混合动力系统部件参数和控制参数相结合的综合参数正交优化方法。经多方案优化得出一组较理想的参数匹配方案:H=43.3%(发动机功率为85kw)、C=75Ah、ig=2.73、控制策略为模式变换式多能源控制策略;并对优化后的6110型SHEB的动力性和燃油经济性进行了仿真分析,结果表明:优化后的动力系统能够满足整车动力性要求,且与优化前的样车道路试验结果相比,燃油经济性提高8.4%。
基于模块化的设计思想,构建了SHEB动力总成试验台架及测试系统,制定了混合动力城市客车动力性和燃油经济性道路试验方法和试验规范,完成了6110型SHEB动力系统的发动机、驱动电机等关键零部件的性能试验和整车的动力性和燃油经济性道路性能试验,试验结果表明:样车的动力系统性能能够满足整车技术要求,各项性能指标均达到了设计任务书的技术要求,验证了6110型SHEB动力系统结构选型和参数匹配的合理性;同时通过仿真试验与样车道路试验结果比较,验证了6110型SHEB整车仿真模型的准确性和基于混合系统理论建立的模式变换式多能源控制策略的可行性。
The most challenging goals the sustainable development of automotive industry facing are energy crisis and environment pollution. The hybrid electric vehicle (HEV), which applied the internal-combustion engine and battery as power sources, is considered as a most promising kind of electric vehicle for industrialization currently. The research on the parameters matching and control strategy is the key technology of the HEV.
In this paper, the 6110 type Series Hybrid Electric Bus (SHEB) was selected as the studying object. Based on the analysis on characteristics of the city bus cycle, the overall design was designed for the 6110 type SHEB. The simulation method which combined the forward facing method and backward facing method was applied. The simulation models of SHEB and key parts (including engine-generator model, motor model, battery model, multi-energy control strategy model, braking force distribution model and the integrated vehicle model) were constructed based on the characteristics of the rear wheel driving city hybrid electric bus. The models were simulated and analyzed for the verification combined with the test of the sample vehicle. The result shows that the models satisfied the requirements of actual instance and it could be the base of the research on the control strategy simulation of SHEB and parameters matching of powertrain.
The hybrid system theory was introduced for the first time based on the analysis of energy flow modes of SHEB. Based on the concept of hybrid dynamic system and the model of hybrid automata, the mathematic model for the dynamic control system of 6110 type SHEB was founded. Base on the analysis on the design objects and rules of energy control strategy, the mode transform control strategy was designed, which got the advantages of constant temperature type and power-follow type together, and the harmonious regenerative control strategy for the regenerative braking force of motor, the friction braking force, the braking force for the front and rear wheel is adopted.
The simulation models of mode transform energy control strategy, regenerative braking control strategy of harmonious control for braking force and integrated vehicle were founded based on Simulink/Stateflow by the combined modeling method. The three kinds of control strategy simulation were conducted under typical urban driving cycles by the mode transform type, constant temperature type and power-follow type. The result shows that the economic performance of mode transform control strategy is preferable to constant temperature type and power-follow type, the fuel consumption was 23.9L/100km, which is reduced by 4.8% compared with the sample applied synthesis type control strategy, and reduced by 17.3% compared with tradition city bus. The simulation of the harmonious control strategy of braking force and the fixed-ration braking force distribution strategy were conducted. The result shows that the harmonious control strategy was improved by 11.5% compared with the vehicle applied the fixed-ration distribution strategy, and the fuel consumption was reduced by 3.2%.
On the basic of the primary parameters matching for the powertrain of SHEB, an orthogonal optimization method for the synthesized parameters, which is composed of powertrain control parameters and the parameters of parts, was introduced for the 6110 SHEB according to the orthogonal test design theory. A set of parameters was acquired after the optimization:H=43.3%,C=75Ah, ig=2.73 and the mode transform type control strategy was applied. The simulation of 6110 SHEB was conducted after the optimization. The result shows that the dynamic performance was improved and the fuel consumption was reduced by 8.4% compared with the road test before the optimization.
Based on the design theory of modularization, the powertrain assembly test bench and the testing system were constructed based on the design theory. The testing methods and criteria were enacted. The performance test for the key parts of the SHEB and the road tests for the dynamic and economic performance of real vehicle were conducted. The result shows that the powertrain could satisfy the requirement of integrated vehicle. The performance of the sample vehicle could satisfy the requirements of the design task. It verified that the structure of the powertrain and the method of parameters matching are proper. By comparing simulation results with road test results, it proved that the simulation model is exact and the energy management strategy based on dynamic mode transform is feasible.
引文
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