基于起動發(fā)電一體機(jī)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(fā)電一體機(jī)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(shè)計(jì)了一種基于起動發(fā)電一體機(jī)（ISG）電機(jī)的高功率密度混合動力總成方案，制定了相應(yīng)的基線式控制策略。在基于ADVISOR構(gòu)建的后向仿真模型中，以某型輕型越野車輛參數(shù)以及混合動力總成的參數(shù)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(jīng)濟(jì)性的影響。仿真結(jié)果表明：基于ISG電機(jī)的混合動力總成扭矩輸出值與原車發(fā)動機(jī)相比獲得較大提升；同時優(yōu)化了發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，降低了發(fā)動機(jī)油耗，提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

兵器科學(xué)與技術(shù)；混合動力；起動發(fā)電一體機(jī)；仿真實(shí)驗(yàn)；控制策略

0 引言

為應(yīng)對未來復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，世界各軍事強(qiáng)國均加快了新型武器系統(tǒng)的研制工作，基于電能的武器系統(tǒng)（如電磁炮、電熱化學(xué)炮、高功率激光武器等新概念武器系統(tǒng)）在突破了一部分核心技術(shù)后，都將研究工作的重點(diǎn)放在了工程化和小型化技術(shù)研究方面，有希望加快車載化應(yīng)用的步伐；另外在未來戰(zhàn)爭中，電子對抗、探測、干擾、防護(hù)等新技術(shù)的應(yīng)用，也需要在戰(zhàn)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(tǒng)的最佳承載平臺和應(yīng)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(shù)研究方面投入了巨額資金，也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。作為車載電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起動發(fā)電一體機(jī)（ISG）的研究同樣受到強(qiáng)烈的關(guān)注，并成為研究的熱點(diǎn)。本文就一種基于ISG的車用混合動力總成進(jìn)行了研究，制定了相對應(yīng)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(shè)計(jì)方案，由發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)及其控制器以及動力電池組成，主要適用于軍用車輛并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，其組成架構(gòu)見圖1.ISG的輸入端通過彈性聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)曲軸輸出端連接，ISG的機(jī)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(jī)控制器根據(jù)混合動力系統(tǒng)的工況變化，決定ISG電機(jī)的工作狀態(tài)。車輛發(fā)動機(jī)起動時，由動力電池向ISG提供電能；在車輛需要大扭矩驅(qū)動時（如急加速、爬坡等工況），動力電池持續(xù)為ISG提供電能，ISG與發(fā)動機(jī)能量混合共同驅(qū)動車輛；車輛勻速行駛時，發(fā)動機(jī)可以帶動ISG發(fā)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(tǒng)拖動ISG發(fā)電，將電能儲備到動力電池中。

圖1 基于ISG的動力系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Powertrain system based on ISG motor

本文選取某款柴油機(jī)，額定功率119 kW，最大扭矩400 N·m，柴油發(fā)動機(jī)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(jī)與發(fā)動機(jī)相匹配。選用的ISG電機(jī)額定功率35 kW，峰值功率為70 kW，電機(jī)外特性見圖3.同時，考慮作為車載電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，ISG電機(jī)在停車狀態(tài)下可以根據(jù)需要為其他車外電器設(shè)備供電（如宿營地照明、通訊設(shè)備用電等），因此盡可能將ISG電機(jī)的功率按較大標(biāo)準(zhǔn)選擇。

圖3 ISG電機(jī)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(biāo)

混合動力總成設(shè)計(jì)目標(biāo)與應(yīng)用目的:一是提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)目標(biāo)，可以簡單概括成以下4點(diǎn):

1）將發(fā)動機(jī)的常用工作點(diǎn)控制在低油耗區(qū)域，可以有效地降低車輛燃油消耗率和發(fā)動機(jī)的廢氣排放。

2）充分發(fā)揮電動機(jī)性能，提供助力和回收能量。

3）合理設(shè)定系統(tǒng)工作點(diǎn)，使動力電池荷電狀態(tài)（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(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于ISG的車用動力總成的系統(tǒng)控制策略，采用基線式控制策略。采用基線式控制的優(yōu)點(diǎn)在于，控制器具有較強(qiáng)的實(shí)時性，對處理器的處理能力要求不高。控制系統(tǒng)中的各個參數(shù)物理意義明確，便于進(jìn)行匹配和標(biāo)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(jī)需求轉(zhuǎn)矩計(jì)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(tǒng)能夠輸出的扭矩進(jìn)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(tài)（車速、發(fā)動機(jī)/電機(jī)轉(zhuǎn)速、動力電池SOC）.通過采集加速踏板位置和當(dāng)前車速等信息，采用“9點(diǎn)定義法”得到駕駛員需求轉(zhuǎn)矩［2］，如圖5所示。確定9個關(guān)鍵點(diǎn)的需求轉(zhuǎn)矩，代表車輛的起步、蠕行、加速和最高車速等，可根據(jù)駕駛員的操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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

2.2.2 發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算

為了提升車輛的動力性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)通常采用發(fā)動機(jī)提供車輛平均行駛功率，由電機(jī)提供峰值功率的控制策略［3-4］。為了保證發(fā)動機(jī)更多地工作在高效區(qū)域，引入基于動力電池SOC的修正因數(shù)λ調(diào)整發(fā)動機(jī)扭矩指令。發(fā)動機(jī)扭矩計(jì)算公式如下:

式中:Pe是發(fā)動機(jī)功率；Pr是當(dāng)前車輛總需求功率；ne是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；bn是發(fā)動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最佳油耗點(diǎn)；發(fā)動機(jī)功率輸出需要在滿足當(dāng)前車輛需求的前提下，盡可能地工作在高效率區(qū)域；Te是發(fā)動機(jī)扭矩；λ是與當(dāng)前動力電池SOC值相關(guān)的修正因數(shù)。當(dāng)動力電池電量較高時則降低發(fā)動機(jī)扭矩輸出值；當(dāng)動力電池電量較低時則調(diào)高發(fā)動機(jī)輸出扭矩，為動力電池充電。

在控制策略設(shè)計(jì)時，可以按工作模式劃分成若干子模塊，根據(jù)控制系統(tǒng)的各輸入量計(jì)算對應(yīng)模式下的電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩。在本文制定的混合動力系統(tǒng)方案中，ISG電機(jī)的基本功能有3個:實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的快速起動；爬坡或急加速等工況下為發(fā)動機(jī)提供助力；為動力電池等儲能單元充電，并實(shí)現(xiàn)制動能量回收。考慮到ISG電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩受到動力電池輸出功率限制，ISG電機(jī)的輸出扭矩按以下公式計(jì)算:

式中:TISGr是ISG電機(jī)需求扭矩；Tr是駕駛員需求扭矩；TISG是ISG電機(jī)扭矩；Tω是ISG電機(jī)實(shí)際能輸出的最大扭矩；nISG為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速；TBat是動力電池所能提供極限功率下ISG電機(jī)輸出的最大扭矩；IBat為動力電池電流；Je是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；JISG是ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。

2.2.3 工作模式的切換

充分考慮發(fā)動機(jī)以及ISG電機(jī)的工作特性，如何根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)精確判斷下一時刻車輛所處的工作模式，是混合動力系統(tǒng)控制策略的核心研究內(nèi)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(shè)計(jì)的動力總成系統(tǒng)中擁有發(fā)動機(jī)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(qū)動模式、制動模式。不同工作模式下主要部件的工作狀態(tài)，見表1.

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

根據(jù)車輛的不同工作模式，以及核心部件的工作特性，對發(fā)動機(jī)和ISG電機(jī)這兩個功率輸出部件的輸出力矩進(jìn)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(fā)動機(jī)起動時，ISG電機(jī)由動力電池供電，拖動發(fā)動機(jī)起動。SOC值低于設(shè)定最低值則進(jìn)入強(qiáng)制充電模式。

在驅(qū)動模式下，動力系統(tǒng)要維持電平衡，需要根據(jù)SOC值和需求轉(zhuǎn)矩確定切換ISG電機(jī)的工作狀態(tài)。發(fā)動機(jī)在800～1 500 r/min低速區(qū)間內(nèi)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(jī)來提供額外的動力。為了改善發(fā)動機(jī)的工作效率，在滿足當(dāng)前扭矩需求的同時，可以驅(qū)動ISG電機(jī)為動力電池充電，使發(fā)動機(jī)更多的工作在高效區(qū)域。此外，當(dāng)動力電池SOC值較高時，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)輸出扭矩，適當(dāng)增加ISG電機(jī)的輸出功率。

制動模式下，當(dāng)SOC值低于設(shè)定值時則ISG電機(jī)進(jìn)入回饋制動工況，為動力電池充電；當(dāng)SOC值高于設(shè)定值，則ISG電機(jī)停止回饋制動，車輛制動由機(jī)械制動器完成。

2.2.4 命令輸出

將實(shí)時解算出的控制命令，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩、ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩等，由控制器輸出端口通過CAN總線傳輸給相應(yīng)的執(zhí)行部件。

3 仿真研究

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

選取既定的車輛參數(shù)以及柴油機(jī)和ISG的參數(shù)為仿真輸入（主要參數(shù)見表2），開展了整車動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真研究。

圖8 系統(tǒng)仿真模型Fig.8 Simulation model of hybrid system

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

3.1 動力性能仿真

圖9是混合動力系統(tǒng)的輸出特性。通過仿真數(shù)據(jù)可以得知，在增加了ISG電機(jī)助力的情況下，整個動力系統(tǒng)低速區(qū)扭矩特性得到明顯的改善，系統(tǒng)動力性和發(fā)動機(jī)帶載能力明顯有所提高。表3是動力系統(tǒng)扭矩改善情況的具體數(shù)值。

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

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

3.2 經(jīng)濟(jì)性仿真

本文選取GB/T 19754—2005中規(guī)定的中國典型城市公交工況作為經(jīng)濟(jì)性仿真工況，該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)是時間、縱坐標(biāo)是車輛速度。

圖10 經(jīng)濟(jì)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(jīng)過優(yōu)化的控制策略，按照圖10的運(yùn)行工況，則發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)分布如圖11所示。

仿真結(jié)果顯示，本文研究的混合動力系統(tǒng)能夠使發(fā)動機(jī)更多地工作在高效率區(qū)域，其結(jié)果可以改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

基于ISG電機(jī)的混合動力總成相對于只采用發(fā)動機(jī)的傳統(tǒng)車輛動力系統(tǒng)來說，具有更高功率密度和響應(yīng)速度，在顯著改善車輛動力性能的同時，可以將發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)優(yōu)化到高效區(qū)域，從而提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，這對于降低戰(zhàn)場后勤保障壓力，有著重要意義。

圖11 應(yīng)用混合動力系統(tǒng)后發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布Fig.11 Working points map of diesel engine based on ISG bybrid powertrain system

同時，ISG電機(jī)還能夠提供一定的持續(xù)電功率輸出，可以滿足未來軍用車輛執(zhí)行不同作戰(zhàn)任務(wù)、適應(yīng)各種作戰(zhàn)環(huán)境的需求，基于ISG電機(jī)的車用混合動力系統(tǒng)總成，在未來有著廣闊的應(yīng)用前景。

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［1］ 羅禹貢，陳濤，周磊，等.奔騰智能混合動力電動轎車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（6）:2-7. LUO Yu-gong，CHEN Tao，ZHOU Lei，et al.Adaptive cruies control system of besturn intelligent hybrid electric vehicle［J］. Journal of Mechanical Engineering，2010，46（6）:2-7.（in Chinese）

［2］ 周磊，羅禹貢，楊殿閣，等.混聯(lián)式混合動力車多能源動力控制系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2007，43（4）:125-131. ZHOU Lei，LUO Yu-gong，YANG Dian-ge，et al.Development of hybrid powertrain control system for parraller series hybrid electric vehide［J］.Journal of Mechanical Engineering，2007，43（4）: 125-131.（in Chinese）

［3］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001. YU Zhi-sheng.Theery of vehicle［M］.3rd ed.Beijing:China Machine Press，2001.（in Chiense）

［4］ 阿爾弗雷德·克拉普爾.起動機(jī)-發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)（ISG）:未來汽車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2008. Alfred Krappel.Integrated starter-generator:base of future automotive design［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2008.（in Chinese）

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(dǎo)師。E-mail:leixiao201@sina.com；韓雪峰（1985—），男，工程師。E-mail:hag812@163.com