浅谈串联式混合动力公交车策略分析
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摘要:经笔者多年经验本文对城市混合动力公交车选用串联式驱动形式进行论述，供同行参考。
关键词:城市公交；串联式；策略
中图分类号： TN144 文献标识码： A 文章编号：
1、混合动力城市客车驱动形式的选择
在决定混合动力城市客车选用串联还是并联驱动方式时，必须充分结合混合动力城市客车的运行工况的特点和需要达到的侧重目标一一降低排放还是提高燃油经济性。重点从以下几个方面考虑。
(l)并联驱动的燃油经济性比串联好，而串联方案的排放更佳。目前各国开发混合动力城市客车的直接目的是改善公交客车的排放。根据资料统计，欧美前一阶段所生产和研制的混合动力城市客车多采用串联布置方案。
(2)串联驱动方案只有电机直接驱动这一驱动形式。电动机在低速时候很好的扭矩特性使串联布置混合动力客车具有很好的加速性能，这对城市客车尤为重要。
(3)对于混合动力公交客车而言，在行驶过程会频繁的出现减速和停车等运行工况，相对而言，采用串联布置更利于制动能量的回收。
(4)串联方案特点决定了其对电池的依赖程度更高，但公交客车都是很规律的运行工况使其具有对电池组进行定期维护的条件。
(5)串联方案与并联方案相比较的劣势之一，是电池、电动机、发动机、发电机的功率较大，从而使整车的质量和成本上升幅度较大，但这种上升幅度对大客车的影响相对较小。
(6)串联方案具有“零排放”特性，这使它具有更适合于在排放要求极为严格的中心市区内运行。
(7)各自的技术特点决定了串联式混合动力汽车特别适合于在市内低速运行、频繁的加速、减速、停车的复杂工况;而并联混合动力汽车更适于路况简单的城市间公路及高速行驶的车辆。
控制策略是混合动力汽车的核心，是混合动力汽车驱动系统发挥最佳性能的关键，它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量需求，动态分配发动机与电机系统的输出功率，使发动机尽量工作在最优工作区，当车辆的需求功率较小时，发动机必须将多余的能量输入蓄电池储存起来;在车辆的需求功率较大时，再将蓄电池的电能释放出来。在目前的技术条件下，蓄电池的充放电效率都不高，特别是这样频繁的充放电过程必将造成了很多不必要的能量的损失。所以合理的控制策略和控制逻辑就显得特别重要，其不但可以优化能量流动，而且能够在很大程度上改善SHEV的动力性、燃油经济性、排放性以及续驶里程。
串联式HEV控制策略按性质可分为被动性和主动型两大类，被动型能量管理策略是在保证蓄电池和发动机各自工作于其最佳工作区域的条件下被动地满足车辆功率需求的一种控制模式，这种控制模式以提高能量流动效率为主要目的。而主动型能量管理策略在注重提高汽车系统内部能量流动效率的同时，可根据行车环境主动减小车辆功率需求。
2.1被动能且管理策略
(l)恒温器型(开关型)控制策略恒温器型(Thermostat)控制策略特征为:发动机开机后即恒定地工作于效率最高点，为使蓄电池组工作于充放电性能良好的工作区，预先设定了其充电状态SOC的最大值SOCmax、与最小值SOCmin。当蓄电池SOC≤SOCmin时，发动机启动并进入设定的工作点(最低油耗或最低排放)工作，输出功率的一部分满足车辆驱动功率需求，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池SOC≥SOCmax:时，发动机关闭，由蓄电池单独向电机供电驱动车辆。
恒温器型控制策略的优点是发动机的燃烧充分，排放低。缺点是动力蓄电池必须满足驱动电机瞬时功率的需要，其放电电流波动较大，经常出现大电流放电的情况，且蓄电池充放电频繁，对蓄电池使用寿命均有不利影响。其次，虽然APU可以在最优效率点工作，但由于多了能量转换的环节，加上发动机开关时的动态损耗，因而有可能抵消由发动机运行时工作效率最高所带来的好处，使得系统总体的损失功率变大，能量转换效率趋低。这种能量管理策略对发动机有利而对动力电池无利。
(2)功率跟随型控制策略功率跟随型(Power-Follower)控制策略由APU全程跟踪车辆功率需求，发动机总保持运转，这与传统汽车的行驶相似。
功率跟随型能量管理策略的优点是蓄电池容量被减小到最小程度，因而蓄电池重量相对恒温器型策略来说减轻了许多，从而在很大程度上减小了汽车行驶阻力，此外由于蓄电池充放电次数减少而使得系统内部功率损失相应减少。缺点是APU必须满足续驶里程内的所有功率要求且要做出快速响应，发动机必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，这些都损害了发动机的效率和排放性能(尤其在低负荷区)。因此，该控制策略对蓄电池有利而对发动机不利。
(3)恒温器十功率跟随型控制策略恒温器十功率跟随型控制策略基本思路为:当发动机在SOC较低或负载功率较大时均会启动，当负载功率较小且SOC高于预设的上限值时，发动机被关闭，在发动机关停之间设定了一定范围的状态保持区域，这样可以避免频繁关停。发动机一旦启动便在相对经济的区域内对电动机的负载功率进行跟踪，当负载功率大于或小于发动机经济区域所能输出的功率时，电池组可以通过充放电对该功率差额进行缓冲和补偿。例如，当汽车加速或爬坡时，为了满足车轮驱动功率要求，降低对蓄电池峰值功率要求，延长其工作寿命，可采用功率跟随模式，当汽车车率要求较低时，为了避免发动机低效率工况的发生，可以采用恒温器模式，以提高整车系统的效率。恒温器+功率跟随型控制策略可以减少电能的循环损耗，避免蓄电池大电流放电和发动机的频繁启动，降低了油耗，提高了排放性能。
2.2主动型能且管理策略
(l)路线适应型控制策略
路线适应型控制策略基于城市公交车加减速频繁、路线固定，站点、站距、停车时间均己知的特点，在恒温器型或功率跟随器型控制策略的基础上增加两个子控制策略:一个叫Adviser子控制策略，另一个叫Adapter子控制策略。Advise:根据行车路线数据(整个路线速度曲线、站点位置、实际车速等)帮助驾驶员发出当前工况下的最佳加速踏板请求;Adapter仅根据车辆停靠站点信息控制车辆进站前的速度，以使再生制动能量回收增加。路线适应性控制策略挖掘了混合动力车在城市公交中使用的潜力，但没考虑交通干扰、意外停车等因素。路线适应型控制策略特别适合城市公交车。
(2)动态规划优化控制策略
动态规划优化控制策略以汽车在给定的驾驶循环工况下最小油耗为优化目标，根据串联式HEV的能量流动特点建立适当的数学模型，按照时间顺序把整个循环工况下的功率与效率以一定的时间间隔分成若干个时间片段，然后从最后一段状态开始逆向递推到初始段状态为止，最后求出整个循环工况下发动机最优输出功率序列。该方法只能用于特定的驾驶循环，必须预先精确知道车辆的需求功率，因而不能用于在线控制，常用于离线优化，以帮助总结和提炼出能用于在线控制的能量管理策略。
(3)负荷预测型控制策略
负荷预测型控制策略基于APU输出功率要比车辆驱动功率随时间变化平稳得多这一事实，在恒温器型或功率跟随型策略的基础上添加一个车辆负荷预测器。预测器根据车辆运行工况预测车辆需要的驱动功率，通过车辆已耗功率的记录测算出驱动功率的一些平均值和它的波动范围，再利用路面坡度、交通情况等信息，来预测出车辆下一个时刻的负荷。利用该预测值、蓄电池的SOC状态决定采用哪一种工作模式。
负荷预测性控制策略的最大特征是:提供了一种根据在线所预测的驱动功率参与系统能量管理。达到油耗最低、排放最低的目的，可操作性强。缺点是所预测的驱动功率由于是由已耗功率推测得出
的，与车辆功率的即时需求值有差异。
2.3串联式HEV能最管理策略的发展趋势
由于恒温器+功率跟随型控制方式更有利避免电池大电流放电和发动机的频繁启动，降低油耗提高排放性能，因此较为常用，其技术也逐渐趋于成熟。
被动性能量管理策略在深化控制规则的基础上将向着与多种优化算法和理论相结合的精细控制方向发展，以进一步减小车内系统能量内耗、提高能量流动效率为主要目的。
而主动型能量管理向着以人、车、路组成的大系统内的能量综合控制的方向发展，以减少整个大系统的能量损耗为目的。其研究的最大困难在于需预先确定车辆的行驶路线、路面状况与交通信号等情况，目前尚处于仿真与试验阶段。
3、总结
当前世界电动汽车发展方兴未艾，竞争十分激烈，各国政策支持的力度、技术开发的进度以及配套设施完善的程度，都决定着未来全球电动汽车发展的速度，也决定着该国在电动汽车领域的竞争力。在公交客车方面，我国政府部始提倡“公交优先”这一理念，与此同时，客车生产企业也需不断地改进自身技术，更好地适应城市交通的要求。