胡 斐，趙治國，孫澤昌

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，新能源汽車工程中心，上海 201804)

前言

混合動(dòng)力城市客車整車控制系統(tǒng)包括能量管理策略和動(dòng)力協(xié)調(diào)控制。能量管理策略的任務(wù)是根據(jù)駕駛員的操作，在保證駕駛員需求和動(dòng)力性的前提下，協(xié)調(diào)各動(dòng)力源的輸出，降低油耗、減少排放;動(dòng)力協(xié)調(diào)控制的作用是針對(duì)本文的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過協(xié)調(diào)控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)AMT換擋的動(dòng)力不中斷，提高整車的舒適性和動(dòng)力性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與整車控制器

混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖1。該動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)(ISG)、電控離合器、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和由鉛酸蓄電池與超級(jí)電容并聯(lián)組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

整車控制器(hybrid control unit，HCU)一方面通過總線CAN_A［1］與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECM)和AMT控制器(TCU)進(jìn)行通信，另一方面通過總線CAN_B［2］與 ISG 控制器(ISGC)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器(DMC)和電能管理單元(EEMU)進(jìn)行通信。同時(shí)，HCU輸入鑰匙、踏板和擋位等信號(hào)。

2 整車控制策略

2.1 能量管理策略

2.1.1 工作模式劃分

根據(jù)駕駛員的操作，混合動(dòng)力城市客車的工作模式如表1所示。

表1 混合動(dòng)力城市客車的工作模式

2.1.2 怠速充電模式

一方面，由于所開發(fā)的混合動(dòng)力城市客車沒有實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)的電動(dòng)化，空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向和氣泵等仍需發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，故不能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停機(jī);另一方面，根據(jù)中國典型城市公交循環(huán)［3］，怠速時(shí)間在整個(gè)循環(huán)中的比例達(dá)29.0%，且實(shí)測(cè)［4－5］所配柴油機(jī)怠速油耗為1.8L/h，因此，怠速充電模式對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高具有重要意義。

怠速充電模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG發(fā)電，機(jī)械能被轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中。此時(shí)，系統(tǒng)能量流動(dòng)方向?yàn)?發(fā)動(dòng)機(jī)→ISG→儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，若要使整個(gè)系統(tǒng)的效率最高，應(yīng)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG和儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，且

式中:ηidcha為怠速充電模式下系統(tǒng)的總效率;ηeng、ηISG和ηescha分別為發(fā)動(dòng)機(jī)效率、ISG發(fā)電效率和儲(chǔ)能系統(tǒng)充電效率。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性和ISG效率圖，綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，繪制怠速充電模式下系統(tǒng)的總效率曲面如圖2所示，效率最高點(diǎn)即為最優(yōu)怠速點(diǎn)。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)模式

定義需求轉(zhuǎn)矩Tr為AMT輸入軸轉(zhuǎn)矩，且

式中:α為加速踏板行程(0～100%);Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩;Tmmax為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;ig為AMT速比;K為調(diào)整系數(shù)，且

式中:v為車速;SOC為荷電狀態(tài)。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)劃分為3個(gè)部分，如圖3所示。

(1)Te，low以下區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷區(qū)，燃油經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩在此區(qū)域時(shí)，ISG發(fā)電對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在此區(qū)域。

(2)Te，high與 Te，low之間區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩在此區(qū)域時(shí)，車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

(3)Te，high以上區(qū)域?yàn)橹^(qū)。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩在此區(qū)域時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)參與驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)工作模式劃分如表2所示。表中，v0為臨界車速，當(dāng)車速低于v0時(shí)，車輛為純電動(dòng)起步或者串聯(lián)混合動(dòng)力模式，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與驅(qū)動(dòng);SOClow和SOChigh分別為SOC的下限值和上限值。當(dāng)SOC低于SOClow時(shí)，ISG發(fā)電;當(dāng) SOC高于 SOChigh時(shí)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)。

表2 驅(qū)動(dòng)工作模式劃分

2.1.4 制動(dòng)模式

制動(dòng)模式下，控制策略應(yīng)在保證安全性的前提下盡可能多地回收制動(dòng)能量。

車輛制動(dòng)時(shí)，最大地面制動(dòng)力Fxbmax為

式中:φ為附著系數(shù);Fz為各車輪法向載荷之和，且對(duì)于后輪［6］有

式中:G為車重;L為軸距;a為質(zhì)心至前軸中心線的距離;z為制動(dòng)強(qiáng)度;hg為質(zhì)心高度。

式中:r為車輪半徑;i0為主減速器速比。

由于所開發(fā)的混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)系統(tǒng)為并聯(lián)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，且制動(dòng)踏板信號(hào)為數(shù)字量，故制動(dòng)模式下電機(jī)制動(dòng)力矩為

式中:Tmmax為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)前最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;C1為駕駛感和舒適性決定的系數(shù)，范圍為0～1;考慮到低轉(zhuǎn)速下電機(jī)銅損和鐵損等功率損耗可能超過其回收的能量，定義調(diào)整因子C2如圖4所示，圖中，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ω1為制動(dòng)能量回收截止點(diǎn)轉(zhuǎn)速，ω2為制動(dòng)能量回收下降點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

2.2 動(dòng)力協(xié)調(diào)控制

在所開發(fā)的混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于AMT之后，故可在換擋過程中協(xié)調(diào)控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)力不中斷，從而提高舒適性和動(dòng)力性。

控制目標(biāo)是保證驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩Tdrive在換擋過程中保持不變，且

式中:Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;Ti為ISG轉(zhuǎn)矩;Kc為離合器狀態(tài)，1為接合，0為分離;Tm為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

換擋過程中，HCU 根據(jù) Te、Ti、Kc、ig和換擋開始時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩Tdrive0，控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩為

3 軟件實(shí)現(xiàn)與實(shí)車試驗(yàn)

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)

整車控制器HCU軟件開發(fā)的主要步驟如下:

(1)基于Simulink和Stateflow開發(fā)整車控制策略［7］，建立mdl文件，并嵌入到整車模型中進(jìn)行仿真和驗(yàn)證;

(2)基于 EmbeddedTargetforMotorola MPC555［8－9］，在以上 mdl文件中添加 MPC555 配置模塊、CCP模塊、I/O模塊和CAN模塊等;

(3)基于Real-Time Workshop Embedded Coder，配置Solver和 RTW［10］，編譯生成 s19文件和 a2l文件，完成圖形模塊到控制器代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)化;

(4)基于CANape，將s19文件通過CAN總線下載至整車控制器，同時(shí)使用a2l文件完成信號(hào)測(cè)量和參數(shù)標(biāo)定［11］。

所開發(fā)的整車控制系統(tǒng)包括輸入模塊、輸出模塊、整車控制模塊、故障診斷模塊、控制器配置模塊、CCP模塊和看門狗模塊等。

3.2 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)如圖5所示，圖5(a)為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，圖5(b)為整車控制器與CANape連接實(shí)物圖;信號(hào)測(cè)量、參數(shù)標(biāo)定與車速跟蹤界面如圖6所示。

圖7為能量消耗量試驗(yàn)結(jié)果(清晰起見，這里只給出單個(gè)循環(huán))，動(dòng)力協(xié)調(diào)控制結(jié)果如圖8所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布如圖9所示。

由圖7可見，在HCU的協(xié)調(diào)控制下整個(gè)循環(huán)工況的運(yùn)行過程中:(1)實(shí)際車速很好地跟蹤了循環(huán)車速;(2)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了起步、助力、制動(dòng)能量回收和動(dòng)力協(xié)調(diào)等功能;(3)超級(jí)電容與蓄電池的并聯(lián)使用，有效克服了蓄電池不支持大充放電電流、低比功率等不足，提高了整車加速性能和制動(dòng)能量回收效果;(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量維持情況良好，起步和助力等工況所消耗的電量在怠速發(fā)電、制動(dòng)能量回收和小需求轉(zhuǎn)矩等工況下得到了有效補(bǔ)充。

從圖8可見，在HCU的控制下，AMT換擋時(shí)動(dòng)力未中斷。動(dòng)力協(xié)調(diào)控制過程如下:(1)換擋開始，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降為零，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，使驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩不變;(2)TCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨之變化，使驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩不變;(3)離合器分離，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，且轉(zhuǎn)矩值恒定，使動(dòng)力不中斷;(4)摘擋后升擋;(5)離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐步介入，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨之減小，使驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩不變。

從圖9可見，在HCU的協(xié)調(diào)控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布良好:(1)大部分發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)集中在Te，high與 Te，low之間的經(jīng)濟(jì)工作區(qū);(2)當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，ISG發(fā)電對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷區(qū)，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電。

根據(jù)相關(guān)國標(biāo)，對(duì)實(shí)車進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性［3－5，12］、動(dòng)力性［13］和排放測(cè)試［14］，結(jié)果如表 3 所示。

在整車控制系統(tǒng)的控制下，相比于原型車，混合動(dòng)力城市客車經(jīng)濟(jì)性提高了25.65%，動(dòng)力性提高了16.96%，排放也得到了改善。

表3 實(shí)車測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)混合動(dòng)力城市客車的整車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的良好控制。

(2)分析了混合動(dòng)力城市客車的怠速充電模式、驅(qū)動(dòng)模式(包括純電動(dòng)模式、串聯(lián)混合動(dòng)力與并聯(lián)混合動(dòng)力模式)和制動(dòng)模式，給出了各模式下的控制策略，并開發(fā)了HCU軟件。

(3)通過調(diào)節(jié)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了AMT換擋時(shí)的動(dòng)力不中斷。

(4)實(shí)車試驗(yàn)表明，相比于原型車，所開發(fā)的HCU使混合動(dòng)力城市客車經(jīng)濟(jì)性提高了25.65%，動(dòng)力性提高了16.96%，排放也有所改善。

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