曾繁琦，俞妍，卜建國(guó)，邊浩然，楊磊，資新運(yùn)

(1.陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院軍用車(chē)輛工程系，天津 300161；3.中國(guó)人民解放軍91115部隊(duì)，浙江 舟山 316000)

當(dāng)前，我軍的移動(dòng)供電裝備主要還停留在車(chē)載發(fā)電機(jī)組和取力發(fā)電系統(tǒng)的階段。針對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)式供電系統(tǒng)存在維修保養(yǎng)困難、持續(xù)工作能力不足、發(fā)電效率偏低以及發(fā)電品質(zhì)有待提高等問(wèn)題，本研究提出了一種基于移動(dòng)式供電技術(shù)的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的集成化方案，以滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)陸戰(zhàn)平臺(tái)提出的更高要求[1-2]。

以某裝備移動(dòng)式發(fā)電車(chē)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮ISG電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力功能。發(fā)電車(chē)所搭載的電機(jī)是以駐車(chē)發(fā)電性能指標(biāo)作為匹配原則，主要考慮駐車(chē)供電能力，與同類(lèi)型的民用混合動(dòng)力車(chē)輛相比，其電機(jī)功率較低。同時(shí)軍用車(chē)輛質(zhì)量大，配備發(fā)動(dòng)機(jī)功率高，而車(chē)輛性能依賴(lài)于動(dòng)力源的協(xié)調(diào)控制，因此，在電機(jī)功率有限的情況下制定合適的控制策略以提升移動(dòng)式發(fā)電車(chē)的性能，是軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛研究的關(guān)鍵[3-6]。

在傳統(tǒng)民用混合動(dòng)力車(chē)輛控制策略研究中，受到系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)和車(chē)輛使用環(huán)境條件的影響，控制方法靈活多樣、日漸成熟。林歆悠等[7]將隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法引入到動(dòng)力源之間功率分配控制規(guī)則中，具有較好的控制效果，但算法對(duì)控制器參數(shù)和環(huán)境噪聲比較敏感，不適合在軍用車(chē)輛干擾嚴(yán)重的惡劣工作環(huán)境中使用。Z. Kou等[8]建立了基于邏輯的混合動(dòng)力動(dòng)態(tài)模型，采用預(yù)知駕駛循環(huán)工況的方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量管理的優(yōu)化控制，但現(xiàn)有的市區(qū)循環(huán)、公路循環(huán)以及高速循環(huán)等駕駛循環(huán)工況僅適用于民用混合動(dòng)力車(chē)輛，無(wú)法滿足軍用車(chē)輛面向戰(zhàn)場(chǎng)的使用要求。吳劍等[9]采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法雖然降低了燃油消耗，但訓(xùn)練樣本需求量大且無(wú)法在線運(yùn)行，限制了其使用范圍，無(wú)法在軍用車(chē)輛上實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，目前混合動(dòng)力車(chē)輛控制策略具有算法復(fù)雜、抗擾動(dòng)能力弱等缺點(diǎn)，一部分基于優(yōu)化的控制策略算法復(fù)雜，受限于控制器的運(yùn)行能力難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[10]，對(duì)于運(yùn)行特性復(fù)雜的軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛并不適用且控制難度大[11]。因此，針對(duì)當(dāng)前控制方法中存在的問(wèn)題，結(jié)合一種以移動(dòng)式供電技術(shù)為基礎(chǔ)的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的效率特性以及動(dòng)力電池的充放電特性對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行了優(yōu)化研究，根據(jù)優(yōu)化規(guī)則提出了工作模式切換控制策略和轉(zhuǎn)矩分配控制策略，并對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了工作模式之間的動(dòng)態(tài)切換以及動(dòng)力源輸出轉(zhuǎn)矩的合理分配，在保證整車(chē)動(dòng)力性的前提下提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 車(chē)載電力裝備與用電需求分析

根據(jù)對(duì)某單位車(chē)輛裝備情況的實(shí)地調(diào)查研究，初步掌握了車(chē)載電力裝備和用電需求情況?，F(xiàn)有移動(dòng)式供電系統(tǒng)主要以東風(fēng)EQ系列和陜汽SX系列等越野車(chē)輛進(jìn)行改裝，用于為維修保障、電子對(duì)抗、工程作業(yè)、后勤軍需、偵察裝備和指控裝備等提供電力保障。該單位車(chē)載電力裝備主要有40多種，包括電力需求5 kW以下的通信光端車(chē)、集群車(chē)和電臺(tái)車(chē)等電子通訊車(chē)輛，10～15 kW的汽車(chē)修理方艙、裝甲拆裝工程車(chē)和裝甲檢測(cè)工程車(chē)等維修保障車(chē)輛，15～20 kW的綜合機(jī)要車(chē)、主食加工車(chē)和保溫冷藏車(chē)等后勤軍需車(chē)輛，20～25 kW的工程保養(yǎng)車(chē)、工程偵查車(chē)和金木工作業(yè)車(chē)等工程作業(yè)車(chē)輛。其中，3～15 kW范圍內(nèi)的功率需求最大[12]。

1.2 ISG電機(jī)選型與數(shù)值建模

移動(dòng)車(chē)載供電裝置采用的電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)，每種電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速范圍以及可靠性等指標(biāo)不盡相同(見(jiàn)表1)。

表1 4種電機(jī)指標(biāo)對(duì)比

綜合對(duì)比4種電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)可以看出，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)明顯優(yōu)于其他兩種電機(jī)，而永磁同步電機(jī)相對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有更高的功率密度和效率，因此，軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電系統(tǒng)選擇永磁同步電機(jī)作為ISG電機(jī)。同時(shí)，為滿足不同車(chē)載電力裝備的功率需求，選擇30 kW作為軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)功率，電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ISG電機(jī)參數(shù)

圖1 ISG電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

ISG電機(jī)建模采用試驗(yàn)建模法[13-15]，其數(shù)值模型根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立。ISG電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖1。根據(jù)在電動(dòng)、發(fā)電模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合得到ISG電機(jī)全工況范圍內(nèi)的效率數(shù)值模型[16](見(jiàn)圖2)。

圖2 ISG電機(jī)數(shù)值模型

1.3 移動(dòng)式供電系統(tǒng)總體布置方案

目前，我軍通訊、指揮、工程作業(yè)、防化等軍用車(chē)輛均采用24 V電源為部件供電，但隨著ISG技術(shù)的發(fā)展，48 V電源系統(tǒng)正逐漸成為主流。因此，為了適應(yīng)ISG技術(shù)的發(fā)展，并與未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)電源相匹配，軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電系統(tǒng)采用48 V電源為部件供電，發(fā)電系統(tǒng)電源方案見(jiàn)圖3。

軍事裝備移動(dòng)式供電系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)軍用車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而成，通過(guò)加裝ISG電機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式供電功能，為車(chē)載武器裝備提供電力保障。移動(dòng)式發(fā)電車(chē)采用ISG電機(jī)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連的方式作為底盤(pán)布置方案(見(jiàn)圖4)，ISG電機(jī)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)離合器之間。該方案具有系統(tǒng)繼承性好、駐車(chē)發(fā)電功能易實(shí)現(xiàn)、發(fā)電效率高以及能夠?qū)崿F(xiàn)減重等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 供電系統(tǒng)電源方案

圖4 軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車(chē)總體布置方案

1.4 軍用ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車(chē)僅僅是利用ISG電機(jī)的發(fā)電模式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式供電功能，但在行車(chē)過(guò)程中，發(fā)電車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式仍為傳統(tǒng)的純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為充分發(fā)揮ISG電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，使車(chē)輛在行駛狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛、行車(chē)發(fā)電、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)等功能，本研究采用在發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)之間加裝一個(gè)自動(dòng)離合器的單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有移動(dòng)式發(fā)電車(chē)升級(jí)改造成軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛，通過(guò)車(chē)輛行駛過(guò)程中自動(dòng)離合器傳遞或中斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)所需工作模式。系統(tǒng)方案見(jiàn)圖5。

圖5 軍用ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)方案

2 控制規(guī)則優(yōu)化原則

作為對(duì)武器裝備進(jìn)行電力保障的能量平臺(tái)，軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛供電能力和整車(chē)性能的優(yōu)劣直接影響著戰(zhàn)時(shí)條件下的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，因此ISG系統(tǒng)的控制規(guī)則必須具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即避免動(dòng)力電池過(guò)度充放電以及發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在高效區(qū)域，從而使軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛在滿足供電品質(zhì)和整車(chē)動(dòng)力性的前提下獲得整車(chē)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性[17-19]。

2.1 動(dòng)力電池SOC管理模式

基于規(guī)則控制的動(dòng)力電池SOC管理模式分為電能消耗(charge depleting，CD)運(yùn)行模式和電能維持(charge sustaining，CS)運(yùn)行模式[20-23]。CD運(yùn)行模式是采用設(shè)置動(dòng)力電池停止充放電SOC門(mén)限值的方法，當(dāng)高于上限值SOChigh時(shí)，對(duì)電池組停止充電，當(dāng)?shù)陀谙孪拗礢OClow時(shí)，對(duì)電池組進(jìn)行充電，SOC范圍的設(shè)定保證了電池不被過(guò)分充放電；CS運(yùn)行模式是采用設(shè)置SOC目標(biāo)值SOCtarget的方法，保證車(chē)輛在整個(gè)循環(huán)工況過(guò)程中SOC維持在設(shè)定目標(biāo)值附近，SOC值僅僅在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)[24]。本研究采用CD運(yùn)行模式，即

SOClow≤SOC≤SOChigh。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化工作區(qū)劃分

在軍用ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制的原則是使其盡可能工作在經(jīng)濟(jì)性較高的區(qū)域，因此，劃分發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化工作區(qū)是制定控制規(guī)則的關(guān)鍵。在原有供電系統(tǒng)中，由于工作模式單一、工況簡(jiǎn)單，且用電設(shè)備對(duì)運(yùn)行電壓或頻率有一定特殊要求，因此發(fā)動(dòng)機(jī)控制采用定轉(zhuǎn)速功率跟隨控制策略[25-27]。升級(jí)改造后的軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛工作模式復(fù)雜多變，定轉(zhuǎn)速功率跟隨的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略已不再適用。為了進(jìn)一步改善整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)控制采用經(jīng)濟(jì)工作區(qū)轉(zhuǎn)矩跟隨控制策略，即在滿足整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩的條件下，通過(guò)ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在有限的區(qū)域內(nèi)，這樣可保證發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在高效工作點(diǎn)或者高效率區(qū)域。

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)沿著最佳燃油消耗“曲線帶”工作(見(jiàn)圖6)，即發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)盡量分布在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。該控制策略使得發(fā)動(dòng)機(jī)能較好地跟隨轉(zhuǎn)矩需求，充分發(fā)揮了行車(chē)過(guò)程中ISG電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，這樣既可以兼顧整車(chē)的能量需求，又能獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)

3 模式切換控制策略

3.1 工作模式分析

發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間通過(guò)自動(dòng)離合器耦合進(jìn)行協(xié)同工作，車(chē)輛狀態(tài)可分為駐車(chē)、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)3種，在不同車(chē)輛狀態(tài)下通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、動(dòng)力電池、雙離合器等部件的工作狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的純發(fā)動(dòng)機(jī)行駛、純電動(dòng)行駛以及混合驅(qū)動(dòng)等工作模式。不同車(chē)輛狀態(tài)下混合動(dòng)力系統(tǒng)部件的狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)的工作模式見(jiàn)表3。停車(chē)模式下車(chē)輛起步時(shí)，動(dòng)力電池放電，ISG電機(jī)處于電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)車(chē)輛起步，這樣可以消除傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)起步模式下發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)高油耗、重污染的弊端；當(dāng)車(chē)輛狀態(tài)為驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，根據(jù)動(dòng)力電池SOC值和整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩切換ISG電機(jī)工作狀態(tài)，當(dāng)ISG電機(jī)單獨(dú)工作無(wú)法滿足整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩時(shí)，離合器1結(jié)合以起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)，通過(guò)ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償作用調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率；當(dāng)車(chē)輛狀態(tài)為制動(dòng)模式時(shí)，根據(jù)車(chē)輛速度、加速度以及動(dòng)力電池SOC值判斷所采取的制動(dòng)模式，制動(dòng)原則為“再生制動(dòng)先行，機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充”，當(dāng)制動(dòng)能量回收效率較低時(shí)，車(chē)輛制動(dòng)完全由機(jī)械制動(dòng)完成。

表3 ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

3.2 自動(dòng)離合器狀態(tài)控制

工作模式之間的轉(zhuǎn)換本質(zhì)上可以看作是純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)模式之間的切換，模式切換控制需要對(duì)自動(dòng)離合器(離合器1)的結(jié)合過(guò)程和分離過(guò)程進(jìn)行控制，以減小離合器摩擦片的磨損，提高離合器狀態(tài)改變過(guò)程中車(chē)輛的平順性，降低沖擊[6]。

1) 結(jié)合過(guò)程

從純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)模式首先需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這就必須結(jié)合自動(dòng)離合器。通過(guò)離合器緩緩結(jié)合，ISG電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，隨即轉(zhuǎn)速迅速上升，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速差值小于一定范圍時(shí)，離合器完全結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，二者達(dá)到同步狀態(tài)，即

式中：mc_1為當(dāng)前離合器狀態(tài)，取值范圍為[0,1]，0表示完全結(jié)合，1表示完全分離；mc_1′為前一時(shí)刻離合器狀態(tài)；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；nm為ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速；Δn為轉(zhuǎn)速門(mén)限值。

2) 分離過(guò)程

從發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，需要關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并分離自動(dòng)離合器。為了避免由于傳遞到傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩突然減小引起的沖擊，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降到一定范圍以后，斷開(kāi)自動(dòng)離合器，即

式中：Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Te_low為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下限。

3.3 工作模式切換規(guī)則

工作模式切換規(guī)則的核心內(nèi)容是根據(jù)由整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩、部件工作狀態(tài)等信息確定的模式判定條件判斷下一時(shí)刻車(chē)輛的工作模式，如表4所示，其中Treq為整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩，Tm_max為ISG電機(jī)電動(dòng)模式下最大輸出轉(zhuǎn)矩，ne_min為發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，Te_eco_low為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)轉(zhuǎn)矩下限，Te_eco_high為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)轉(zhuǎn)矩上限。

表4 基本工作模式及判定條件

隨著運(yùn)行工況的不斷變化，不同工作模式間進(jìn)行不斷切換，切換規(guī)則見(jiàn)圖7。

圖7 工作模式切換規(guī)則示意圖

4 轉(zhuǎn)矩分配控制策略

軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛在行駛過(guò)程中，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩包括發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、ISG電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大小由加速踏板位置決定，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小由制動(dòng)踏板位置決定，即

Treq=Te+Tm+Tb。

式中：Tm為ISG電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tb為機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，由ISG電機(jī)單獨(dú)工作以滿足駕駛員需求；當(dāng)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)共同工作以滿足駕駛員需求。根據(jù)純電動(dòng)區(qū)間轉(zhuǎn)矩上限、發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)轉(zhuǎn)矩上下限對(duì)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線圖上劃分為純電動(dòng)行駛模式、行車(chē)發(fā)電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、ISG電機(jī)助力模式(見(jiàn)圖8)。此外，還有起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式、制動(dòng)模式、停車(chē)模式等輔助工作模式。不同工作模式根據(jù)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩、部件工作狀態(tài)等信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)合雙動(dòng)力源的工作特性對(duì)它們的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配。而ISG電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)受到動(dòng)力電池輸出功率限制，因此引入電池組SOC修正因子，根據(jù)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力電池SOC調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令。

圖8 轉(zhuǎn)矩分配模式

1) 純電動(dòng)行駛模式

ISG電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，車(chē)輛處于純電動(dòng)行駛模式，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩低于純電動(dòng)區(qū)間上限。整車(chē)全部需求轉(zhuǎn)矩由ISG電機(jī)來(lái)提供，發(fā)動(dòng)機(jī)不輸出轉(zhuǎn)矩。純電動(dòng)行駛模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

式中：km(SOC)為ISG電機(jī)電動(dòng)模式下動(dòng)力電池SOC修正因子。

2) 起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式

當(dāng)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩高于純電動(dòng)區(qū)間上限時(shí)，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以補(bǔ)充轉(zhuǎn)矩需求。ISG電機(jī)利用自動(dòng)離合器的結(jié)合在很短時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，然后發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，使得發(fā)動(dòng)機(jī)直接進(jìn)入經(jīng)濟(jì)區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以大幅度降低起動(dòng)工況下的燃油消耗和污染物排放。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

式中：Te_eco為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)矩。

3) 行車(chē)發(fā)電模式

在行車(chē)發(fā)電工作模式下，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩介于純電動(dòng)區(qū)間上限與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)下限之間且SOC較低，考慮動(dòng)力電池SOC的影響分配發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，這樣既可以滿足整車(chē)動(dòng)力性又能夠?qū)崿F(xiàn)行車(chē)發(fā)電。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，多余轉(zhuǎn)矩用于帶動(dòng)ISG電機(jī)為動(dòng)力電池充電，或?yàn)檐?chē)載武器裝備等用電設(shè)備提供電力保障。行車(chē)發(fā)電模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

式中：Tg_min為ISG電機(jī)發(fā)電模式下最小輸出轉(zhuǎn)矩；kg(SOC)為ISG電機(jī)發(fā)電模式下動(dòng)力電池SOC修正因子。

4) 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式

車(chē)輛在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率較高并滿足整車(chē)全部轉(zhuǎn)矩需求，ISG電機(jī)不輸出轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

5) ISG電機(jī)助力模式

在ISG電機(jī)助力模式下，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)轉(zhuǎn)矩上限，發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)均無(wú)法單獨(dú)提供整車(chē)全部需求轉(zhuǎn)矩。電機(jī)助力模式以發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)在高效區(qū)域?yàn)榛驹瓌t，電機(jī)補(bǔ)充額外轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩仍無(wú)法滿足整車(chē)轉(zhuǎn)矩需求時(shí)，增大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以滿足轉(zhuǎn)矩需求。ISG電機(jī)助力模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

6) 制動(dòng)模式

當(dāng)整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩小于零時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入制動(dòng)模式，采用“再生制動(dòng)先行，機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充”的制動(dòng)原則，根據(jù)制動(dòng)需求確定制動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)不輸出轉(zhuǎn)矩，ISG電機(jī)和制動(dòng)踏板提供整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

ΔT=Treq_w-(-TmnmηT/nw)，

式中：k(v)為速度對(duì)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配影響的修正因子；k(a)為加速度對(duì)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配影響的修正因子；Treq_w為輪邊需求轉(zhuǎn)矩；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；nw為輪速。

7) 停車(chē)模式

車(chē)輛由減速到停車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)均不輸出轉(zhuǎn)矩。停車(chē)模式下的轉(zhuǎn)矩分配為

式中：Tb_max為最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；p為制動(dòng)踏板行程。

5 控制規(guī)則仿真驗(yàn)證

為確定所制定控制規(guī)則的有效性，以某ISG混合動(dòng)力車(chē)輛為研究對(duì)象，建立Cruise-Simulink聯(lián)合仿真模型(見(jiàn)圖9)，進(jìn)行整車(chē)控制規(guī)則仿真驗(yàn)證。

●recursion yes，是否允許進(jìn)行遞歸解析，這里如果是no表示關(guān)閉遞歸解析功能，配置文件的默認(rèn)值為yes，即允許遞歸解析。一般客戶機(jī)和服務(wù)器之間屬于遞歸查詢(xún)，即當(dāng)客戶機(jī)向DNS服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求后，若DNS服務(wù)器本身不能解析，則會(huì)向另外的DNS服務(wù)器發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求，得到結(jié)果后轉(zhuǎn)交給客戶機(jī)。由于此處僅需要配置一個(gè)緩存DNS服務(wù)器，這種DNS服務(wù)器的特征是僅僅將本地局域網(wǎng)內(nèi)的所有查詢(xún)轉(zhuǎn)發(fā)到其他DNS服務(wù)器處理，而自身并不存儲(chǔ)域名數(shù)據(jù)庫(kù)。所以此處必須設(shè)置為recursion yes。

圖9 聯(lián)合仿真模型

本研究的ISG混合動(dòng)力車(chē)輛是在某軍用越野車(chē)輛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)輛進(jìn)行改造升級(jí)而成的，因此，需要對(duì)原傳統(tǒng)車(chē)輛模型進(jìn)行模型精度驗(yàn)證。通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)原傳統(tǒng)車(chē)輛性能參數(shù)對(duì)車(chē)輛模型進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，原傳統(tǒng)車(chē)輛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。從表5可以看出，原傳統(tǒng)車(chē)輛性能參數(shù)試驗(yàn)值與仿真值的偏差率均不超過(guò)3.00%，在可接受范圍內(nèi)，表明原傳統(tǒng)車(chē)輛模型與實(shí)車(chē)契合度較高，模型精度滿足要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真平臺(tái)準(zhǔn)確可靠，可保證改造升級(jí)后的軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛模型建立、性能研究與控制策略研究的準(zhǔn)確性。

原傳統(tǒng)車(chē)輛與ISG混合動(dòng)力車(chē)輛的整車(chē)性能仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。從表6可以看出，與原傳統(tǒng)車(chē)輛相比，軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛的加速性和爬坡性均有很大提升，說(shuō)明ISG電機(jī)對(duì)整車(chē)起到了加速助力作用，明顯體現(xiàn)出其性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，節(jié)油率達(dá)30%以上，即整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性明顯提升。

表5 原傳統(tǒng)車(chē)輛模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表6 整車(chē)性能仿真結(jié)果對(duì)比

軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛性能指標(biāo)應(yīng)滿足未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)需求，但是缺少戰(zhàn)時(shí)行駛工況的相關(guān)性資料，因此，采用FTP75循環(huán)工況模擬城市工況，Highway循環(huán)工況模擬高速工況，Artemis_Road All_other_cases循環(huán)工況來(lái)模擬作戰(zhàn)地域行駛工況，最終構(gòu)建的組合循環(huán)工況為FTP75+Highway+Artemis_Road All_other_cases(FHA)(見(jiàn)圖10)。以該工況模擬軍用車(chē)輛在接到命令之后從城市出發(fā)，途徑高速公路，最終到達(dá)指定地域遂行作戰(zhàn)任務(wù)，全程50.56 km。

圖10 循環(huán)工況

按照構(gòu)建的FHA循環(huán)工況進(jìn)行整車(chē)控制規(guī)則驗(yàn)證，控制規(guī)則仿真結(jié)果見(jiàn)圖11至圖14。

在構(gòu)建的FHA循環(huán)工況下，車(chē)速跟隨情況見(jiàn)圖11。從圖11可以看出，期望車(chē)速曲線與實(shí)際車(chē)速曲線基本重合，說(shuō)明在當(dāng)前工況下車(chē)輛具有較好的車(chē)速跟隨性，車(chē)速波動(dòng)較小。結(jié)果表明聯(lián)合仿真模型對(duì)實(shí)際車(chē)速的控制滿足設(shè)計(jì)要求，保證車(chē)輛具有較好的平順性和穩(wěn)定性，即提出的控制規(guī)則是可行的。

圖11 循環(huán)工況下車(chē)速跟隨曲線

圖12 轉(zhuǎn)矩分配控制策略仿真結(jié)果

整個(gè)循環(huán)工況中動(dòng)力電池SOC的變化情況見(jiàn)圖13。由于初始SOC較低，ISG電機(jī)多工作在發(fā)電模式為動(dòng)力電池充電，SOC值逐漸增大，并保持在充放電門(mén)限值范圍內(nèi)，充電過(guò)程穩(wěn)定，這樣既利于延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命，又可以滿足車(chē)輛純電動(dòng)、起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及ISG電機(jī)助力等電動(dòng)工作模式需求。

圖13 動(dòng)力電池SOC變化曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖14。結(jié)果表明，本研究所設(shè)計(jì)的控制規(guī)則優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，使得發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工作點(diǎn)均分布在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)，具有較好的控制效果。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)式供電技術(shù)存在的不足，并且為了滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器裝備平臺(tái)提出的新要求，提出了一種基于移動(dòng)式供電技術(shù)的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的集成化方案，該方案繼承了原有移動(dòng)式發(fā)電車(chē)的優(yōu)勢(shì)外，還充分發(fā)揮了ISG系統(tǒng)的潛力，實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力功能。

動(dòng)力電池CD運(yùn)行模式保證了動(dòng)力電池SOC保持在合理范圍內(nèi)，且ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩根據(jù)SOC值的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，改善了SOC值；發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)轉(zhuǎn)矩跟隨控制策略保證了發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的優(yōu)化。

提出的模式切換控制策略涵蓋了混合動(dòng)力車(chē)輛的所有工作模式，通過(guò)自動(dòng)離合器的控制實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)工作模式和發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作模式之間的切換；轉(zhuǎn)矩分配控制策略根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求較好地協(xié)調(diào)了發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩分配，達(dá)到了預(yù)期的控制效果，表明控制規(guī)則切實(shí)有效。

在整車(chē)性能方面，與原傳統(tǒng)車(chē)輛相比，軍用ISG混合動(dòng)力車(chē)輛加速性和爬坡性均有較大提升，節(jié)油率達(dá)30%以上。結(jié)果表明，在電機(jī)功率有限的情況下，本研究提出的控制規(guī)則提高了整車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。