新型混合動力客車整車控制與仿真研究

陳 亮， 朱 浩， 楊 林， 閆 斌， 胡艷青

(1.湖南大學，湖南長沙410082；2.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240)

新型混合動力客車整車控制與仿真研究

陳 亮1， 朱 浩1， 楊 林2， 閆 斌2， 胡艷青2

(1.湖南大學，湖南長沙410082；2.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240)

以新型混合動力客車為對象，通過對各個部件的特性以及工作中相互影響進行分析，確立了單電機純電模式、串聯模式、雙電機純電模式、混聯模式下的整車控制策略，并在相關參數確定的基礎上，在中國典型城市公交循環下對該混合動力整車控制器進行了硬件在環仿真測試，結果表明各模式下的整車控制策略是有效、可靠的，同時也證明了相比傳統客車，新型混合動力客車在該控制策略下有較好的燃油經濟性。

混合動力；客車；控制策略；硬件在環

隨著溫室效應和環境污染的加劇，一些排放法規的制定需要車輛在排放方面有技術上的革新。但是，常規內燃機固有的特性限制了其進一步發展。近年來，混合動力車輛的迅速發展已經在燃油經濟性和減排方面證明了自己的優勢，已經被認為是公路交通主要的替代車輛之一。

多個元件的協調工作一方面提高了燃油經濟性，一方面也增加了控制難度，如果要對動力系統進行穩定的協調控制，需要一個可靠的整車控制器(HCU)進行規劃。一般車輛的實時控制基于規則控制，基線控制和最小值原理[1]的能量管理方法在并聯式混合動力結構中取得了良好的控制效果，而等熵控制在串聯式混合動力具有良好的魯棒性。

本文通過分析新型混合動力客車整車架構及其部件特性，使得新型混合動力客車在控制方面有更多的自由度，且在運行中具有并聯、串聯等四種不同的驅動模式，制定了不同驅動模式之間的切換條件及各個模式下的能量管理策略，并通過整車控制器的硬件在環仿真測試驗證了整車控制策略的可靠性以及該控制策略下整車良好的燃油經濟性。

混合動力客車系統結構

本文研究的混合動力客車系統的結構如圖1所示，其中發動機ICE、電動/發電機ISG、驅動電機TM組成了整車的動力系統，動力源燃油和電源存儲系統—電池組、電控離合器、行星齒輪系、AMT自動換擋耦合器、傳動軸、驅動輪等構成了車輛的多元傳動系統。

圖1 四模混合動力總成及控制系統結構圖

發動機由發動機控制器ECU來協調和控制，控制器DMCM1和DMCM2分別控制電動/發電機ISG和驅動電機TM。電池管理系統BMS主要負責檢測電池實時狀態，包括電池的SOC、電壓、電流、溫度以及充放電效率等。電控離合器決定著發動機是否參與車輛的驅動，AMT換擋機構決定著系統的驅動鏈的選擇。整個系統的控制器HCU負責接收各控制器的反饋信號，并通過整車控制策略對各個控制器發出控制指令，協調整車各部件的工作。它們之間通過CAN總線的形式或AD/DA數據傳遞形式進行通訊，以達到控制整車的目的。

1.1 行星齒輪系

行星齒輪系是作為一個功率分流裝置存在的機械結構，基本結構如圖2所示。

圖2 行星齒輪系

整個行星齒輪系由齒圈、太陽輪、行星架以及幾個行星輪組成，由圖1可知，行星齒輪系的齒圈、太陽輪、行星架分別連著ISG、TM以及尾軸，它們之間通過齒輪齒連接，齒圈的轉速、太陽輪的轉速與行星架的轉速的關系為：

1.2 電控離合器

新型整車動力結構中電控離合器處于發動機與ISG電機中間，其結合與斷開直接決定著發動機是否參與動力輸出，當電控離合器斷開時，發動機可處于空轉或停機狀態，而不能參與整車的動力輸出。電控離合器的結合與斷開狀態主要受整車控制器HCU控制，HCU通過判斷電控離合器泵行程傳感器的AD采樣值的范圍，從而識別電控離合器實際的結合與斷開狀態。

1.3 AMT換擋器

AMT換擋器由步進電機作為執行器來對檔位進行切換，目標檔位由HCU根據整車速度與需求轉矩進行自動判斷，本文中AMT包含一擋、二擋兩個驅動擋位以及空擋，AMT的擋位切換狀態如圖3所示，0、1、2分別代表整車空擋、一擋、二擋的擋位狀態，整車擋位從一擋到二擋或從二擋到一擋的切換過程必須經過空擋的過渡，這是由AMT本身的結構決定的，而這一結構特點就是當擋位處于空擋時整車各動力部件如發動機，ISG或TM之間可進行短暫的轉速與轉矩的調節，從而避免擋位直接切換帶來的機械結構間的沖擊。

圖3 整車擋位切換狀態

2 HCU控制器的軟件設計

混合動力控制策略應該具有一定的廣泛性，魯棒性和可擴展性。一般控制器的執行函數主要包括兩種：基于規則的協調控制函數；開環和閉環的計時器控制。依靠這兩種執行函數協調各個元件的運行來最小化燃油消耗和維持SOC在一定的范圍波動。本文研究的混合動力客車的整車有純電狀態和發動機混合驅動兩種狀態，由于驅動鏈分為兩個檔位，所以車輛的驅動模式總結為四種：單電機純電模式、雙電機純電模式、串聯模式以及混聯模式，不同模式下對應的動力源和各動力部件狀態如表1所示，各模式之間的切換關系如圖4所示。

表1 不同模式下整車各動力部件的匹配關系

圖4 不同驅動模式的切換狀態

在已經給定的四個模式，每個元件的轉速可以根據尾軸的轉速和需求轉矩進行控制，在一定的轉速和轉矩可能都適合兩個以上的控制模式，這樣每個模式就是需要控制的一個額外自由度。發動機的起停主要由當前的SOC狀態決定，發動機停機可以節省不必要的怠速油耗。尤其是相對于插電式車輛，更多的純電驅動時間意味著更大的燃油經濟性。兩個檔位的選擇是由當前檔位驅動的動力性，驅動效率和驅動能力決定的。在模式的選擇中，需要有一定的標準使控制器可以自動決定選擇合適的模式，一般都是通過每個模式下的目標代價函數決定：

當前可以計算每個運行模式下的目標函數，在當前的尾軸轉矩和轉速情況下，可替換的檔位的目標值如果低于當前的目標值，就可以通過改變運行模式來提高系統的經濟性。為了避免車輛行進中模式頻繁的切換，在各個模式經濟性的比較中，切換的目標模式經濟性遠大于當前的經濟性；對當前轉矩需求有一定的預測性；通過計時器保證模式的運行時間。

2.1 單電機純電策略

單電機純電模式主要消耗電能，在這種模式下，電機可以對輪邊提供較高的扭矩。因此，單電機純電模式一般選擇在電池SOC較高且整車處于低速或起步狀態時，此時電機的控制方式相當于常規車的發動機，整車尾軸與TM電機之間滿足關系：

2.2 串聯模式策略

該串聯模式下，整車需求轉矩仍由TM電機提供，所以TM電機的控制方式仍為轉矩控制，且TM的轉矩與整車需求轉矩的關系同單電機純電情況。當整車電池SOC低于設定的門限值，但不需要行車充電時，為了保護電池防止電池過放導致電池的損壞，需要啟動發動機使SOC保持在一定的范圍，所以需要電控離合器結合，發動機采用轉速控制方式，ISG電機在發動機的帶動下給電池組充電，同時電池組給TM電機供電，此時電池組的充電功率等于電池組的放電功率，即發動機提供的能量全部用于TM電機驅動車輛，發動機并未輸出額外的功率用于提高電池SOC，發動機與TM電機的功率關系為：

2.3 雙電機純電模式策略

在雙電機純電模式下，發動機維持停機狀態，電控離合器斷開，避免ISG電機倒拖發動機造成額外的能量損失，同時ISG電機和TM電機聯合驅動尾軸，其中TM電機為轉速控制模式，使TM電機維持在高效率運轉區域，ISG電機則采用轉矩控制模式補充TM電機產生的轉矩外的整車需求轉矩。ISG電機轉矩、TM電機轉矩以及整車尾軸需求轉矩之間滿足關系為：

與之對應的轉速關系為：

2.4 混聯模式策略

當電池SOC較高，雙電機純電模式已經無法滿足整車驅動時，或者SOC低于門限值時，必須由發動機來補充剩余功率輸出，這時整車控制系統指令電控離合器結合，發動機開始參與整車驅動。在實際策略中，為了使整車燃油經濟性和車輛的排放效果達到最佳狀態，混聯模式中優先分配發動機的功率，讓發動機運行在高效率區域，整車剩余所需功率則由ISG電機和TM電機補充輸出：

與之對應的轉速關系為：

3 仿真結果與分析

3.1 循環工況下的仿真

仿真測試是對系統控制策略進行驗證的優良途徑，為了驗證整車控制策略，針對整車控制器原型進行了基于dSPACE的硬件在環仿真測試，建立的硬件在環測試系統如圖5所示。

圖5 硬件在環測試系統架構

測試過程中，上位機通過BDM燒寫器將控制代碼寫入整車控制器中，下位機則通過dSPACE數據線將整車各部件虛擬模型(包括發動機模型、動力鏈模型、電機電池模型以及駕駛員模型等)下載到dSPACE工具箱中，控制器與dSPACE工具箱之間則通過I/O、CAN線束進行數據傳輸和通信。測試過程中涉及到的整車基本參數如表2所示。

表2 整車基本參數

本文采用的硬件在環測試方法是在中國典型城市公交工況下對整車控制策略進行測試，并對測試過程中產生的數據和曲線進行分析，圖6～圖8是在循環工況下得到的仿真結果。

Vehicle control and simulation study of new HEV

With new HEV as the object，the vehicle strategy was attained，consisting of single motor EV mode，series mode， dual motor EV mode and PSHEV mode through analyzing components'features and interaction effect between them.Based on the specific relevant parameters， a hardware-in-loop test was conducted for the HEV controller in the China typical city bus cycle. The results show that the control strategy is effective and reliable. Meanwhile，the new type of HEV under the control strategy has better fuel economy than the traditional bus.

hybrid;bus;control strategy;hardware-in-loop

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0846-03

2015-09-15

國家自然科學基金(51275291)

陳亮(1988—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向為混合動力汽車。