混合动力城市客车整车控制系统的开发*

2012-07-19赵治国孙泽昌

汽车工程 2012年4期

胡斐，赵治国，孙泽昌

(同济大学汽车学院，新能源汽车工程中心，上海 201804)

前言

混合动力城市客车整车控制系统包括能量管理策略和动力协调控制。能量管理策略的任务是根据驾驶员的操作，在保证驾驶员需求和动力性的前提下，协调各动力源的输出，降低油耗、减少排放;动力协调控制的作用是针对本文的动力系统结构，通过协调控制主驱动电机的转矩输出，实现AMT换挡的动力不中断，提高整车的舒适性和动力性。

1 动力系统结构与整车控制器

混合动力城市客车动力系统简图见图1。该动力系统包括发动机、集成起动发电机(ISG)、电控离合器、电控机械式自动变速器(AMT)、主驱动电机和由铅酸蓄电池与超级电容并联组成的储能系统。

整车控制器(hybrid control unit，HCU)一方面通过总线CAN_A［1］与发动机控制器(ECM)和AMT控制器(TCU)进行通信，另一方面通过总线CAN_B［2］与 ISG 控制器(ISGC)、主驱动电机控制器(DMC)和电能管理单元(EEMU)进行通信。同时，HCU输入钥匙、踏板和挡位等信号。

2 整车控制策略

2.1 能量管理策略

2.1.1 工作模式划分

根据驾驶员的操作，混合动力城市客车的工作模式如表1所示。

表1 混合动力城市客车的工作模式

2.1.2 怠速充电模式

一方面，由于所开发的混合动力城市客车没有实现辅助系统的电动化，空调、助力转向和气泵等仍需发动机驱动，故不能实现发动机怠速停机;另一方面，根据中国典型城市公交循环［3］，怠速时间在整个循环中的比例达29.0%，且实测［4－5］所配柴油机怠速油耗为1.8L/h，因此，怠速充电模式对燃油经济性的提高具有重要意义。

怠速充电模式下，发动机带动ISG发电，机械能被转化成电能存储在储能系统中。此时，系统能量流动方向为:发动机→ISG→储能系统。因此，若要使整个系统的效率最高，应综合考虑发动机、ISG和储能系统的效率，且

式中:ηidcha为怠速充电模式下系统的总效率;ηeng、ηISG和ηescha分别为发动机效率、ISG发电效率和储能系统充电效率。

根据台架试验得到的发动机万有特性和ISG效率图，综合储能系统的效率，绘制怠速充电模式下系统的总效率曲面如图2所示，效率最高点即为最优怠速点。

2.1.3 驱动模式

定义需求转矩Tr为AMT输入轴转矩，且

式中:α为加速踏板行程(0～100%);Temax为发动机最大转矩;Tmmax为主驱动电机最大驱动转矩;ig为AMT速比;K为调整系数，且

式中:v为车速;SOC为荷电状态。

根据台架试验得到的发动机万有特性图，将发动机工作区划分为3个部分，如图3所示。

(1)Te，low以下区域为发动机低负荷区，燃油经济性差。当需求转矩在此区域时，ISG发电对发动机进行转矩提升，以避免发动机工作在此区域。

(2)Te，high与 Te，low之间区域为发动机经济区。当需求转矩在此区域时，车辆由发动机单独驱动。

(3)Te，high以上区域为助力区。当需求转矩在此区域时，发动机和主驱动电机同时参与驱动。

驱动工作模式划分如表2所示。表中，v0为临界车速，当车速低于v0时，车辆为纯电动起步或者串联混合动力模式，发动机不直接参与驱动;SOClow和SOChigh分别为SOC的下限值和上限值。当SOC低于SOClow时，ISG发电;当 SOC高于 SOChigh时，主驱动电机参与驱动。

表2 驱动工作模式划分

2.1.4 制动模式

制动模式下，控制策略应在保证安全性的前提下尽可能多地回收制动能量。

车辆制动时，最大地面制动力Fxbmax为

式中:φ为附着系数;Fz为各车轮法向载荷之和，且对于后轮［6］有

式中:G为车重;L为轴距;a为质心至前轴中心线的距离;z为制动强度;hg为质心高度。

式中:r为车轮半径;i0为主减速器速比。

由于所开发的混合动力城市客车制动系统为并联复合制动系统，且制动踏板信号为数字量，故制动模式下电机制动力矩为

式中:Tmmax为主驱动电机当前最大制动转矩;C1为驾驶感和舒适性决定的系数，范围为0～1;考虑到低转速下电机铜损和铁损等功率损耗可能超过其回收的能量，定义调整因子C2如图4所示，图中，ω为电机转速，ω1为制动能量回收截止点转速，ω2为制动能量回收下降点转速。

2.2 动力协调控制

在所开发的混合动力城市客车动力系统中，主驱动电机位于AMT之后，故可在换挡过程中协调控制主驱动电机的输出转矩，使驱动轴的动力不中断，从而提高舒适性和动力性。

控制目标是保证驱动轴转矩Tdrive在换挡过程中保持不变，且

式中:Te为发动机转矩;Ti为ISG转矩;Kc为离合器状态，1为接合，0为分离;Tm为主驱动电机转矩。

换挡过程中，HCU 根据 Te、Ti、Kc、ig和换挡开始时刻的驱动轴转矩Tdrive0，控制主驱动电机输出力矩为

3 软件实现与实车试验

3.1 软件实现

整车控制器HCU软件开发的主要步骤如下:

(1)基于Simulink和Stateflow开发整车控制策略［7］，建立mdl文件，并嵌入到整车模型中进行仿真和验证;

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

(3)基于Real-Time Workshop Embedded Coder，配置Solver和 RTW［10］，编译生成 s19文件和 a2l文件，完成图形模块到控制器代码的自动转化;

(4)基于CANape，将s19文件通过CAN总线下载至整车控制器，同时使用a2l文件完成信号测量和参数标定［11］。

所开发的整车控制系统包括输入模块、输出模块、整车控制模块、故障诊断模块、控制器配置模块、CCP模块和看门狗模块等。

3.2 实车试验

实车试验如图5所示，图5(a)为试验现场，图5(b)为整车控制器与CANape连接实物图;信号测量、参数标定与车速跟踪界面如图6所示。

图7为能量消耗量试验结果(清晰起见，这里只给出单个循环)，动力协调控制结果如图8所示，发动机工作点分布如图9所示。

由图7可见，在HCU的协调控制下整个循环工况的运行过程中:(1)实际车速很好地跟踪了循环车速;(2)主驱动电机实现了起步、助力、制动能量回收和动力协调等功能;(3)超级电容与蓄电池的并联使用，有效克服了蓄电池不支持大充放电电流、低比功率等不足，提高了整车加速性能和制动能量回收效果;(4)储能系统能量维持情况良好，起步和助力等工况所消耗的电量在怠速发电、制动能量回收和小需求转矩等工况下得到了有效补充。

从图8可见，在HCU的控制下，AMT换挡时动力未中断。动力协调控制过程如下:(1)换挡开始，发动机转矩降为零，主驱动电机输出转矩进行补偿，使驱动轴转矩不变;(2)TCU对发动机进行转矩控制，发动机转矩波动，主驱动电机输出转矩随之变化，使驱动轴转矩不变;(3)离合器分离，主驱动电机输出转矩进行补偿，且转矩值恒定，使动力不中断;(4)摘挡后升挡;(5)离合器结合，发动机转矩逐步介入，主驱动电机转矩随之减小，使驱动轴转矩不变。

从图9可见，在HCU的协调控制下，发动机工作点分布良好:(1)大部分发动机工作点集中在Te，high与 Te，low之间的经济工作区;(2)当需求转矩较小时，ISG发电对发动机进行转矩提升，避免了发动机工作在低负荷区，同时对储能系统进行充电。

根据相关国标，对实车进行了经济性［3－5，12］、动力性［13］和排放测试［14］，结果如表 3 所示。

在整车控制系统的控制下，相比于原型车，混合动力城市客车经济性提高了25.65%，动力性提高了16.96%，排放也得到了改善。