基于起動發電一體機的車用混合動力總成控制策略研究

肖磊，韓雪峰，陳銳，邢杰，黃冠富

（中國北方車輛研究所，北京100072）

基于起動發電一體機的車用混合動力總成控制策略研究

肖磊，韓雪峰，陳銳，邢杰，黃冠富

（中國北方車輛研究所，北京100072）

針對未來軍用混合動力車輛的需求，設計了一種基于起動發電一體機（ISG）電機的高功率密度混合動力總成方案，制定了相應的基線式控制策略。在基于ADVISOR構建的后向仿真模型中，以某型輕型越野車輛參數以及混合動力總成的參數作為仿真輸入條件，分析了動力總成對車輛動力性能和燃油經濟性的影響。仿真結果表明：基于ISG電機的混合動力總成扭矩輸出值與原車發動機相比獲得較大提升；同時優化了發動機工作點，降低了發動機油耗，提升整車的燃油經濟性。

兵器科學與技術；混合動力；起動發電一體機；仿真實驗；控制策略

0 引言

為應對未來復雜多變的戰場環境，世界各軍事強國均加快了新型武器系統的研制工作，基于電能的武器系統（如電磁炮、電熱化學炮、高功率激光武器等新概念武器系統）在突破了一部分核心技術后，都將研究工作的重點放在了工程化和小型化技術研究方面，有希望加快車載化應用的步伐；另外在未來戰爭中，電子對抗、探測、干擾、防護等新技術的應用，也需要在戰場上有大能量的電力能源作為支撐。軍用混合動力車輛作為上述武器系統的最佳承載平臺和應用載體，近10年來得到世界各國的重視，在軍用混合動力技術研究方面投入了巨額資金，也取得了相當大的進展。作為車載電源系統的關鍵部件，起動發電一體機（ISG）的研究同樣受到強烈的關注，并成為研究的熱點。本文就一種基于ISG的車用混合動力總成進行了研究，制定了相對應的控制策略，并開展了性能仿真研究。

1 動力總成方案

本文提出的基于ISG的車用混合動力總成方案設計方案，由發動機、ISG電機及其控制器以及動力電池組成，主要適用于軍用車輛并聯式混合動力系統，其組成架構見圖1.ISG的輸入端通過彈性聯軸器與發動機曲軸輸出端連接，ISG的機械輸出端通過花鍵軸與傳動裝置（包括變速箱和離合器等）連接。ISG電機控制器根據混合動力系統的工況變化，決定ISG電機的工作狀態。車輛發動機起動時，由動力電池向ISG提供電能；在車輛需要大扭矩驅動時（如急加速、爬坡等工況），動力電池持續為ISG提供電能，ISG與發動機能量混合共同驅動車輛；車輛勻速行駛時，發動機可以帶動ISG發電將能量存儲到動力電池中；車輛制動時，也可以通過傳動系統拖動ISG發電，將電能儲備到動力電池中。

圖1 基于ISG的動力系統架構圖Fig.1 Powertrain system based on ISG motor

本文選取某款柴油機，額定功率119 kW，最大扭矩400 N·m，柴油發動機扭矩特性以及油耗曲線見圖2.圖中油耗曲線單位為g/（kW·h）。

為了能夠給特種車輛提供足夠大的輔助動力，在重量和尺寸滿足一定約束條件下，選擇了一款較成熟的ISG電機與發動機相匹配。選用的ISG電機額定功率35 kW，峰值功率為70 kW，電機外特性見圖3.同時，考慮作為車載電源系統的關鍵部件，ISG電機在停車狀態下可以根據需要為其他車外電器設備供電（如宿營地照明、通訊設備用電等），因此盡可能將ISG電機的功率按較大標準選擇。

圖3 ISG電機電動工況外特性曲線Fig.3 External characteristic curves of ISG motor

2 混合動力總成控制策略

2.1 基于ISG的混合動力總成控制目標

混合動力總成設計目標與應用目的:一是提高車輛的燃油經濟性、降低排放，二是改善與提高車輛的動力性能，因此基于ISG的混合動力總成的控制策略設計目標，可以簡單概括成以下4點:

1）將發動機的常用工作點控制在低油耗區域，可以有效地降低車輛燃油消耗率和發動機的廢氣排放。

2）充分發揮電動機性能，提供助力和回收能量。

3）合理設定系統工作點，使動力電池荷電狀態（SOC）保持在合理水平。

4）充分利用混合動力工況改善車輛的動力性能，但不能粗暴影響駕駛感覺。

2.2 控制策略體系結構

本文設計的基于ISG的車用動力總成的系統控制策略，采用基線式控制策略。采用基線式控制的優點在于，控制器具有較強的實時性，對處理器的處理能力要求不高。控制系統中的各個參數物理意義明確，便于進行匹配和標定［1］。基線式控制策略控制流程如圖4所示，分為駕駛員意圖識別、電機需求轉矩計算、模式切換、故障診斷、功率限制和命令輸出6個步驟。

圖4 基線式控制策略控制流程Fig.4 Control flow of baseline control strategy

2.2.1 駕駛員意圖識別

駕駛員意圖識別主要是對駕駛員希望車輛動力系統能夠輸出的扭矩進行解析，解析過程的輸入量包括駕駛員操作（加速踏板位置、制動踏板位置）與車輛狀態（車速、發動機/電機轉速、動力電池SOC）.通過采集加速踏板位置和當前車速等信息，采用“9點定義法”得到駕駛員需求轉矩［2］，如圖5所示。確定9個關鍵點的需求轉矩，代表車輛的起步、蠕行、加速和最高車速等，可根據駕駛員的操作進行調節。

圖5 駕駛員力矩需求Fig.5 Driver's torque requirement

2.2.2 發動機、ISG電機需求轉矩計算

為了提升車輛的動力性能以及燃油經濟性，并聯式混合動力系統通常采用發動機提供車輛平均行駛功率，由電機提供峰值功率的控制策略［3-4］。為了保證發動機更多地工作在高效區域，引入基于動力電池SOC的修正因數λ調整發動機扭矩指令。發動機扭矩計算公式如下:

式中:Pe是發動機功率；Pr是當前車輛總需求功率；ne是發動機轉速；bn是發動機當前轉速下的最佳油耗點；發動機功率輸出需要在滿足當前車輛需求的前提下，盡可能地工作在高效率區域；Te是發動機扭矩；λ是與當前動力電池SOC值相關的修正因數。當動力電池電量較高時則降低發動機扭矩輸出值；當動力電池電量較低時則調高發動機輸出扭矩，為動力電池充電。

在控制策略設計時，可以按工作模式劃分成若干子模塊，根據控制系統的各輸入量計算對應模式下的電機需求轉矩。在本文制定的混合動力系統方案中，ISG電機的基本功能有3個:實現發動機的快速起動；爬坡或急加速等工況下為發動機提供助力；為動力電池等儲能單元充電，并實現制動能量回收。考慮到ISG電機的實際輸出扭矩受到動力電池輸出功率限制，ISG電機的輸出扭矩按以下公式計算:

式中:TISGr是ISG電機需求扭矩；Tr是駕駛員需求扭矩；TISG是ISG電機扭矩；Tω是ISG電機實際能輸出的最大扭矩；nISG為電機當前轉速；TBat是動力電池所能提供極限功率下ISG電機輸出的最大扭矩；IBat為動力電池電流；Je是發動機轉動慣量；JISG是ISG電機的轉動慣量。

2.2.3 工作模式的切換

充分考慮發動機以及ISG電機的工作特性，如何根據車輛當前狀態精確判斷下一時刻車輛所處的工作模式，是混合動力系統控制策略的核心研究內容。本文控制策略研究中采用了基于Stateflow的模式切換程序（見圖6）。

圖6 基于Stateflow的模式切換程序Fig.6 Driving mode switch program based on Stateflow

由于設計的動力總成系統中擁有發動機和電池兩個動力源，其工作模式可以劃分為3種:停車模式、驅動模式、制動模式。不同工作模式下主要部件的工作狀態，見表1.

表1 ISG混合動力系統工作模式Tab.1 Driving modes of hybrid system with ISG motor

根據車輛的不同工作模式，以及核心部件的工作特性，對發動機和ISG電機這兩個功率輸出部件的輸出力矩進行了分配，如圖7所示。3種工作模式的切換主要由車速、油門和制動踏板等信號決定。

圖7 不同工作模式下的力矩劃分Fig.7 Torque curves of diesel and ISG motor in different driving modes

停車模式下發動機起動時，ISG電機由動力電池供電，拖動發動機起動。SOC值低于設定最低值則進入強制充電模式。

在驅動模式下，動力系統要維持電平衡，需要根據SOC值和需求轉矩確定切換ISG電機的工作狀態。發動機在800～1 500 r/min低速區間內的輸出扭矩較低，在車輛起步、爬坡或急加速等工況時，可以由ISG電機來提供額外的動力。為了改善發動機的工作效率，在滿足當前扭矩需求的同時，可以驅動ISG電機為動力電池充電，使發動機更多的工作在高效區域。此外，當動力電池SOC值較高時，調節發動機輸出扭矩，適當增加ISG電機的輸出功率。

制動模式下，當SOC值低于設定值時則ISG電機進入回饋制動工況，為動力電池充電；當SOC值高于設定值，則ISG電機停止回饋制動，車輛制動由機械制動器完成。

2.2.4 命令輸出

將實時解算出的控制命令，如發動機轉速和扭矩、ISG電機轉矩等，由控制器輸出端口通過CAN總線傳輸給相應的執行部件。

3 仿真研究

為了驗證控制策略的有效性，以某款輕型越野車輛為應用研究的對象，考慮到仿真結果的有效性以及仿真的速度與精度，采用ADVISOR軟件構建了基于ISG的車用混合動力系統的整車后向仿真模型，如圖8所示。

選取既定的車輛參數以及柴油機和ISG的參數為仿真輸入（主要參數見表2），開展了整車動力性能和燃油經濟性仿真研究。

圖8 系統仿真模型Fig.8 Simulation model of hybrid system

表2 車輛主要參數Tab.2 Main parameters of vehicle

3.1 動力性能仿真

圖9是混合動力系統的輸出特性。通過仿真數據可以得知，在增加了ISG電機助力的情況下，整個動力系統低速區扭矩特性得到明顯的改善，系統動力性和發動機帶載能力明顯有所提高。表3是動力系統扭矩改善情況的具體數值。

圖9 并聯式混合動力系統輸出特性曲線Fig.9 Torque and power curves of powertrain system output

表3 動力系統扭矩改善情況Tab.3 Torque improvment of hybrid powertrain system

3.2 經濟性仿真

本文選取GB/T 19754—2005中規定的中國典型城市公交工況作為經濟性仿真工況，該標準適用于3.5 t以上的重型混合動力車輛。圖10是車輛工況跟隨曲線，橫坐標是時間、縱坐標是車輛速度。

圖10 經濟性工況曲線圖Fig.10 Typical Chinese city bus driving cycles

采用本文研究的基于ISG的車用混合動力總成以及經過優化的控制策略，按照圖10的運行工況，則發動機的工作點分布如圖11所示。

仿真結果顯示，本文研究的混合動力系統能夠使發動機更多地工作在高效率區域，其結果可以改善整車的燃油經濟性。

4 結論

基于ISG電機的混合動力總成相對于只采用發動機的傳統車輛動力系統來說，具有更高功率密度和響應速度，在顯著改善車輛動力性能的同時，可以將發動機的工作點優化到高效區域，從而提高整車的燃油經濟性，這對于降低戰場后勤保障壓力，有著重要意義。

圖11 應用混合動力系統后發動機工作點分布Fig.11 Working points map of diesel engine based on ISG bybrid powertrain system

同時，ISG電機還能夠提供一定的持續電功率輸出，可以滿足未來軍用車輛執行不同作戰任務、適應各種作戰環境的需求，基于ISG電機的車用混合動力系統總成，在未來有著廣闊的應用前景。

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Study of Control Strategy for Power Train Based on ISG Hybrid System

XIAO Lei，HAN Xue-feng，CHEN Rui，XING Jie，HUANG Guan-fu
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

A high density power-train system based on ISG motor is designed for the future military hybrid vehicles，and the structure of the system is designed.The line-based control strategy of the power-train system is established，and also the control objectives and working mode are divided.A backward-simulation model of ISG hybrid system based on ADVISOR is established.The performance of ISG hybrid system based on the parameters of a subsection ISG motor and diesel engine is simulated.The result shows that the power-train system can improve the torque characteristic greatly，and enhance the torque ratio-t ranges.The power-train system can also optimize the working points of engine to reduce the average fuel consumption rate of diesel engine.

ordnance science and technology；hybrid power；ISG；simulation experiment；control strategy

TJ381+0.323

A

1000-1093（2015）09-1799-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.027

2015-01-19

肖磊（1964—），男，研究員，碩士生導師。E-mail:leixiao201@sina.com；韓雪峰（1985—），男，工程師。E-mail:hag812@163.com