混联式混合动力公交车节能驾驶模式研究

摘要

为降低传统能源消耗及减少污染物排放，新能源公交车得到逐步推广使用。混联式混合动力公交车作为新能源公交车中插电式混合动力的一种，兼备串联式及并联式混合动力的特点，成为当前插电式混合动力公交车主要推广使用类型，为充分发挥其节能效果，需要结合路况，采用科学的驾驶模式。目前这方面的研究成果较少。为研究与路况相关联的混联式混合动力公交车节能驾驶模式，本文以在用的混联式混合动力公交车为研究对象，从路况与运行工况两个维度研究节能驾驶规律，将路况分为平路段、上坡路段及下坡路段三种类型，提出以车速、加速度与减速度参数作为匀速、加速、减速三种驾驶模式的特征表征参数。建立整车性能仿真模型，基于混联式混合动力特点，设计仿真实验，研究驾驶模式特征参数与车辆能耗的关系。对混联式混合动力公交车在平路段、上坡路段及下坡路段三种路况下的节能驾驶模式进行设计，仿真测算车辆能耗，优化驾驶模式特征参数，获取各路段节能驾驶模式。基于某一实际线路设计线路的节能模式，仿真测试能耗，并与实际驾驶能耗结果进行比较分析，验证节能驾驶模式的效果。全文的主要内容与结果结论如下：
　　（1）混联式混合动力公交车性能仿真模型的建立
　　对一款混联式混合动力公交车的动力总成结构及工作模式进行了分析，运用Cruise软件对混联式混合动力公交车的各个部件进行了建模。同时分析混联式混合动力公交车的控制策略，结合控制策略技术参数，采用Simulink及Stateflow对控制策略进行了建模，并通过Cruise提供的接口将构建的控制策略模型嵌入，搭建完成混联式混合动力公交车性能的仿真平台。为验证所构建的仿真模型，在Cruise软件中对试验道路的行驶工况进行模拟仿真，将车辆仿真结果与实际测试结果对比，验证模型。
　　（2）驾驶模式特征参数与车辆能耗的关系研究
　　以速度、加速度及减速度作为驾驶模式特征参数分别对匀速驾驶、加速驾驶及减速驾驶模式进行量化分析，结合所采集到的三条公交线路的行驶数据进行分析，发现公交车速度、加速度及减速度的范围分别集中于（0,50]km/h、（0,1.4]m/s2、[-1.4,0） m/s2。
　　在分析匀速与加速驾驶模式与车辆能耗关系时，结合速度与加速度的范围，基于初始SOC、整车负载及道路坡度三个维度分别设计仿真实验，对速度、加速度与综合气耗的关系进行研究，并利用数学方法求解百公里综合气耗最佳时的经济车速与经济加速度。研究发现以电机驱动为主及以发动机驱动为主的车速范围内，各维度下百公里综合气耗均着匀速驾驶模式车速的增加呈现先减小再增大的趋势。其中以电机驱动为主的经济车速范围为10.82~11.25km/h，以发动机驱动为主的经济车速范围为37.92~42.04km/h；对于加速驾驶模式中，各维度下百公里综合气耗均随着加速驾驶模式加速度的增大而增大，且各因素对应经济加速度为0.1m/s2。
　　通过设计仿真实验，以超级电容的电量增加量为量化制动能量回收的指标，从整车负载及坡度两个维度分析减速度与制动能量回收的关系。结果表明在整车负载对制动能量的关系中，受驱动电机发电效率影响，超级电容的电量增加量随着制动减速度的增大而增大。在坡度中，超级电容的电量增加量受制动时间和驱动电机的发电效率的共同影响，随着制动减速度的增大而减小。分别求得负载及坡度中所对应的最佳制动减速度分别为1.4m/s2、0.1m/s2。
　　（3）混联式混合动力公交车节能驾驶模式研究
　　在平路段及上坡路段的节能驾驶模式研究中，借鉴传统车辆匀速驾驶节能原理确定了路段节能驾驶模式的基本模型，通过提出优化设计参数及范围，利用拉丁超立方方法设计仿真试验，并基于仿真实验结果建立参数与优化目标的代理模型，最后采用具有自组织性、自适应性特点的多岛遗传优化算法，以百公里综合气耗最低为原则，对节能驾驶模式设计参数进行优化。在平路段中，保证公交线路路段平均车速在23km/h以上，整车SOC处于较高及中等水平下的两种情景下的平路段的节能驾驶模式相同，即当电机驱动匀速行驶的路程占总的匀速行驶路程比例为0.144，发动机驱动匀速行驶的比例为0.856驾驶时，路段的百公里综合气耗最佳。在上坡路段中，通过分析坡度为2％、3%、4%、5%及6%坡度四种情景可得，百公里综合气耗最佳时，上坡初速度范围为[38.66,39.07]km/h，上坡末速度为[24.08,26.97]km/h。即上坡初速度较高，上坡末速度较低时，整车的百公里综合气耗处于最佳区域。当坡度的增加，上坡初速度相应有所增大、末速度升高，但是变化幅度不大。
　　在下坡节能行驶的方案分析中，由设计的仿真实验可知超级电容的电量增加量在坡度中随制动减速度的增大而逐渐减小，然后趋向稳定。为有效提高制动能量回收能量，在保证行车安全的前提下，通过坡度增大车辆的制动初速度以及选择尽可能小的减速度进行减速，实现高效制动能量。
　　为验证所设计的节能驾驶模式效果，本文综合平路、上坡与下坡三种路况的节能驾驶模式，设计了试验线路节能驾驶模式，将节能驾驶模式导入整车仿真模型，计算得出综合气耗，相比实际线路驾驶模式，综合气耗降低了1.9%。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容与创新点

第二章 公交车道路数据采集

2.1 试验车辆

2.2 线路与车辆运行要求

2.3 车辆运行数据采集设备及数据采集

2.5 本章小结

第三章 混联式混合动力公交车仿真模型建立

3.1混合动力系统

3.2整车控制策略仿真模型建立

3.3 整车仿真模型的建立

3.4 本章小结

第四章 驾驶模式与车辆能耗关系研究

4.1驾驶模式特征值及其现状分析

4.2匀速驾驶模式车速与综合气耗关系

4.3加速驾驶模式加速度与综合气耗关系

4.4 减速驾驶模式减速度与能量回收关系

4.5 本章小结

第五章 混联式混合动力公交车节能驾驶模式研究

5.1 Isight软件简介

5.2 节能驾驶研究方案

5.3 平路段节能驾驶模式建模与优化研究

5.4 上坡路段节能驾驶模式建模与优化研究

5.5 下坡路段节能驾驶模式分析

5.6 节能驾驶模式效果应用

5.7 本章小结

总结与展望

1．全文总结

2．展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢

附录 试验线路节能驾驶路谱与工况数据