双电机混合动力构型已经成为国内外混合动力公交车的发展方向。然而, 深度混合的公交车电功率所占比重较大, 对储能系统、电机及其变频系统提出了更高的功率要求。超级电容可以频繁地大电流释放能量脉冲而不会产生效率衰减, 能量储存过程中基本不产生化学反应, 具有超长的寿命^[1]。因此, 从混合动力公交车推向市场的角度来分析, 搭载超级电容的深度混合公交车是产业化前景最好的方案之一。将深度混合动力总成和超级电容器这两种高效率的系统有机结合, 开发出适合两者的能量管理策略是目前需要迫切解决的问题^{[2, 3, 4]}。

文献[5]对双行星排复合功率分流乘用车的驱动模式切换做了建模分析和仿真, 但系统动力源采用的是常规动力电池。文献[6]对双模式电机复合无极传动系统功率分流特性进行了功率损失最小的模型计算和仿真, 但没有使用算法对车辆的经济性能进行优化。文献[7]对双电机行星齿轮变速箱进行了运行学分析和参数匹配, 但是没有对控制策略进行优化分析。文献[8]对双离合器、单轴并联ISG电机结构的电容式混合动力轿车的控制策略进行了推导和分析, 优化了发动机和电机转矩分配, 但是动力总成系统不是行星排变速箱构型。

基于上述分析, 本文针对中国汽车技术研究中心开发的双行星排功率分流动力总成平台, 选取超级电容作为唯一的电源储能器, 对超级电容进行选型和参数匹配。基于模糊控制理论和整车燃油经济性目标, 提出了发动机最优曲线控制策略, 试制样车进行了台架试验, 克服了传统控制中发动机转速波动大、启停次数频繁的缺点, 获得了良好的燃油经济性。

双行星排混合动力总成系统主要使用下述方案:发动机的输出端连接前行星齿轮机构的行星架, 前行星齿轮机构的齿圈连接后行星齿轮机构的行星架, 前行星齿轮机构的太阳轮连接发电机, 发电机和电动机经逆变系统连接超级电容, 电动机连接后行星齿轮机构的太阳轮, 后行星齿轮机构的齿圈固定在机壳上, 后行星齿轮机构的行星架上设置有用于车辆的动力输出接口, 如图1所示^[9]。

双行星排混合动力总成具有动力耦合、自动变速和自动离合三大功能, 能够实现自动变速器(ECVT)的功能, 集成度非常高, 便于在汽车上布置和安装, 其在整车上的布置如图2所示。

图1

Fig.1

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	图1 系统结构图Fig.1 System construction drawing

图2

Fig.2

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	图2 混合动力总成整车布置图Fig.2 HEV assembly vehicle layout

选用BMOD0165的超级电容模块作为总成的动力源, 其单个模块由18个超级电容单体串联组成, 模块额定电压为48.6 V, 电能为52.8 W· h, 最大功率(1 min)为1000 kW。

超级电容参数匹配主要考虑电压等级、功率要求、容量, 动力总成电机基本参数如下。电动机:额定转速为1700 r/min; 额定功率为84 kW; 峰值功率为147 kW; 额定转矩为400 N· m; 峰值转矩为700 N· m; 电压等级为510 V。发电机:额定转速为1700 r/min; 额定功率为44.5 kW; 峰值功率为71.2 kW; 额定转矩为250 N· m; 峰值转矩为400 N· m; 电压等级为510 V。

(1)电压等级要求

驱动电机的电压平台是510 V, 电机工作的电压范围为250~650 V。超级电容器最高电压要高于驱动电机的最高电压, 因此超级电容的最高电压至少大于650 V。

根据选择的超级电容的型号, 可以确定电容的模块数n:

n> VmaxVuc_module（1）

式中:V_max为驱动电机最高电压; V_{uc_module}为超级电容模块端电压。

(2)功率要求

整车电动行驶时, 电容要能满足加速时电机驱动整车的功率要求。即超级电容的输出功率要大于所选择驱动电机的功率。

Puc≥Pmmax/ηb（2）

式中:P_uc为电容峰值功率; η _b为电容转换效率; P_mmax为电机峰值功率。

(3)容量要求

Euc=n·Euc_module（3）

式中:E_uc为电容总容量; E_{uc_module}为单个电容模块的容量。

综合式(1)(2)(3)可以得出, 超级电容确定为14块串联方案, 总容量为0.739 kW· h。因此, 选用的超级电容模块可用能量为0.49 kW· h, 按照整车0.5 kW· h电量行驶1 km来计算, 能量足够满足车辆纯电动起步行驶的要求。

样车在中国汽车技术研究中心重型转鼓台架上进行了测试^[16], 验证开发的整车能量管理策略, 对比分析了基于模糊规则控制和基于PI控制的发动机工作点的分布区域, 同时测试城市综合循环工况的整车燃油经济性。图8为试验样车在中国典型城市工况运行的照片, 整车参数如下:底盘型号为CA6120CRHEV; 整车尺寸为11 990 mm× 2550 mm× 2350 mm; 轴距为6100 mm; 前、后轮距分别为2050、1847 mm; 迎风面积为6.5 m²; 整备/最大总质量为10 800/18 000 kg; 后桥速比为4.875; 轮胎规格为275/70R 22.5。

图8

Fig.8

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	图8 整车台架试验Fig.8 Vehicle bench test

图9为典型城市工况车速跟随曲线, 图中红色实线为目标车速, 蓝色实线为传统PI控制下实际车速, 黑色实线为模糊PI控制下实际车速。3条曲线基本吻合在一起, 车速能满足行驶工况需求。

图9

Fig.9

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	图9 中国典型城市循环工况车速曲线Fig.9 Velocity curve of China typical city cycle condition

图10为超级电容的工作电压曲线, 在工况的测试过程中, 超级电容电压波动正常, 没有出现电压过高或者过低的故障, 所选电容的方案和参数满足整车行驶需求。

图10

图10

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	图10 电压变化曲线图10 Voltage change curve

图11

图11

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	图11 发动机工作点分布图11 Engine operating points distribution

图11为发动机工作点的分布情况。图11(a)(b)分别为采用传统PI控制和模糊PI控制的发动机最优曲线。对比两图可知, 在传统PI控制下, 虽然发动机能够被控制在理想工作线附近, 但仍然存在部分偏离的点, 阻碍了系统效率的进一步提升。这是由于PI参数不够完善, 导致发动机在实际工作过程不能及时地跟随目标曲线, 产生了波动。而基于模糊PI后, 发动机转速在1300 r/min到1500 r/min区域, 模糊修正了PI参数, 发动机工作点的超调量得到较为明显的抑制, 波动情况改善, 工作点更加靠近目标曲线, 验证了模糊PI对发动机工作点调节的优越性。

图12

图12

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	图12 发电机工作点图12 Generator operating points

图12为发电机工作点的分布情况。对比图12(a)(b)可以发现, 采用了模糊PI控制后发电机工作点更加稳定, 有效地集中在高效区域内。由于发动机转速起到对发电机转矩修正的作用, 而采用模糊PI控制后, 发电机转速跟随及时, 因而发动机工作点会更加稳定。

表4中为两组不同控制方法的燃油经济性对比, 验证了模糊PI对发动机工作点调节的可行性及改善油耗的作用。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 整车台架油耗测试结果 Table 4 Vehicle bench oil consumption test results 次数 传统PI /[L· (100 km)-1] 模糊PI /[L· (100 km)-1] 1 22.37 21.09 2 22.52 21.49 3 22.73 20.85 平均值 22.54 21.44

表4 整车台架油耗测试结果 Table 4 Vehicle bench oil consumption test results

相比传统PI控制, 采用模糊规则PI控制算法的车辆整车燃油经济性得到进一步的提升, 节油率提高大约4.88%。

(1)以超级电容作为唯一储能器并且搭载双行星排动力总成的12 m公交车可以满足整车的行驶需求, 实现了电动机、发电机、发动机和电容协调工作。

(2)开发的基于模糊控制PI调节发动机目标曲线的算法效果明显, 在典型综合城市工况下, 发动机工作点按照目标曲线运行, 克服了传统控制中发动机转速波动大的缺点, 提高了整车燃油经济性, 使用模糊控制算法的百公里综合油耗为21.44 L/100 km, 相比传统PI控制算法节油率提高了4.88%。