基于Cruise的ISG混合动力中型卡车能量分配策略研究

周建刚，张明凯，魏 超

（东风汽车有限公司 东风商用车技术中心，武汉 430056）

随着已经实现工业化国家的不断发展和新兴国家的工业化迅猛壮大，汽车在人们生活中得到迅速普及地球上的石油资源不断消耗和枯竭，燃油价格不断上涨，因此节能和环保成为汽车工业可持续发展的关键课题，也是汽车企业未来的核心竞争力所在。如何减少燃油消耗和降低排放，对当前的汽车企业来说是非常重要和刻不容缓的工作。目前全球大型汽车企业已将研发节能新能源汽车纳入企业发展战略中，许多汽车公司已经有成熟的新能源汽车投放市场，尤其是混合动力车（包括乘用车和商用车）获得了市场的普遍认同和接受。混合动力车由于有着较低成本、较高的可靠性和实用性，在可以预见的时期内是节能减排的必经之路。混合动力汽车实现节能主要靠四个方面：发动机优化、车身轻量化、能量回馈和怠速停机。混合动力车包括轻度、中度和深度混合三种技术层次。轻度、中度混合动力汽车，主要靠怠速停机功能来达到节油目的。其中，轻度混合动力可基本不改变发动机，中度只需对发动机做有限的改动。

ISG（integrated-starter-generator）柴油混合动力系统属于并联式混合动力系统，ISG电机集起动机、发电机功能于一体，能够实现怠速停机、加速助力、行车充电等功能，可以有效的调节发动机运行工况，是一种轻度混合动力系统。ISG混合动力系统相比传统车辆系统改动较小，同时成本增加也较小，是各个厂商经常采用的方案，因而研究其能量分配策略也具有现实意义。

本文研究的对象是以一款短途运输车为基础车的ISG混合动力中型卡车，分析了整车能量分配算法和策略，并进行了仿真分析。

1 ISG混合动力的技术方案

在基础车上，将ISG电机安装在发动机曲轴输出端，ISG电机转子前端与发动机飞轮连接盘联结，后端安装飞轮及离合器，取消原有的起动机和发电机，成为ISG混合动力车辆。ISG系统中采用开关磁阻电机，使用140 ps发动机加ISG电机的结构代替原来的180 ps发动机。基础车与改装为ISG混合动力车的车辆模型见图1及图2。

整车控制单元（HCU）作为整车的控制中心，与电池控制器（BMS）、电机控制器（MCU）和发动机控制器（EECU）进行通信，协调各部件的工作。在车辆行驶过程中，HCU除了处理各种故障信号外，最重要的任务是解决发动机和ISG电机间的能量分配问题。能量分配策略一般采用规划分配优化的方法，具体可分为以下两种：静态能量分配控制，即采用查能量分配表进行控制的方法；动态能量分配控制，即采用实时动态分配的控制方法，根据各模块的状态和驾驶员指令进行一定的优化来实现车辆的能量流动分配。

本文采用一种基于逻辑门限值的动态能量分配策略，首先根据驾驶员油门请求和瞬时车速来判断车辆状态，实现发动机起停控制；然后根据驾驶员油门请求和发动机转速确定整车需求转矩；最后结合电池荷电状态SOC（state of charge）、整车需求转矩以及发动机或ISG电机转速（两者相等）、车辆起停信号等进行扭矩分配，保证车辆动力需求的同时，控制发动机工作在最佳经济性区间。

2 能量分配策略及混合动力车辆建模

2.1 能量分配策略

混合动力卡车工况一般限于城市工况，用于短途物流运输，工况定义为实际采集的某城市工况。

ISG柴油混合动力中型卡车采用140 ps柴油发动机和35 kW的ISG电机替换原180 ps发动机，基础车型和ISG混合动力车型的主要参数见表1。

表1 基础车型和ISG混合动力车型的主要参数

发动机和ISG电机总成外特性见图3、图4。

能量分配策略以综合优化发动机油耗和排放为目标来确定发动机的最佳输出转矩。由于发动机油耗和排放性能是互相制约的平衡关系，很难做到油耗和排放性能同时最优。因此本文的能量分配策略以实现最小燃油消耗为主要目标，适当考虑发动机的排放优化问题。以下从三个方面进行分析开发混合动力中型卡车能量分配策略。

1）发动机转速调节

由于基础车只有发动机一个动力源，因此后桥速比必须选得较大，且换挡转速较高才能保证足够的驱动力。采用ISG混合动力方案后，由于有了电机的辅助，在低速段，电机可以提供很大的扭矩进行驱动辅助，发动机不仅马力可以降低，而且后桥速比可以选择较小的速比，换挡转速也可以选择发动机经济区进行换挡，可以保证整车有很好的的经济性。

2）发动机负荷调节

电机助力区确定方法：以上的发动机转速调节，相当于没有使用发动机油耗较高的高功率区域，因此，发动机负荷比基础车的发动机负荷高。在发动机负荷超过一定限值时，电机启动进行助力，根据发动机的万有特性，选择发动机经济区的中间扭矩线作为电机助力的触发线，超过该扭矩线则电机助力。

电机发电区设定方法：在ISG混合动力系统中，电池相当于一个缓冲池，以电能的形式存储和释放能量。其电能的来源有两个，一是发动机带动电机发电，将一部分燃油化学能转换成电能；另一种是通过制动能量回收蓄积一部分电能。从图4可以看出，ISG电机发电功率较小 （15 kW），制动能量回收有限；同时，由于ISG电机与发动机飞轮刚性连接，制动时发动机系统消耗了部分制动能量。因此，混合动力车辆要实现节能，首先要保证从发动机输出的能量能经过电池的缓冲后能尽可能高效的输出，这就要求充放电过程保持很高的效率。以下不考虑制动能量回收，从最小功率损失的角度出发，对充放电效率进行探讨。

在ISG混合动力系统中，电能的循环过程为：动力从发动机输出→离合器→电机（发电）→电池→电机（电动）→离合器2→变速箱。从变速箱开始后面的动力传输过程与常规车辆相同，与混合动力无关，在此就不关注了。通过对动力传递过程“→电机（发电）→电池→电机（电动）→”中的效率与发动机负荷调节的效率进行对比，计算出合适的油电转换区间，从而可以得到在任意瞬时发动机和电机的扭矩分配关系。

根据以上原则制定了某一时刻混合动力系统的运行区间见图5。

3）怠速停机控制

当车辆处于怠速状态时，发动机的运转对于整车行驶和运输里程毫无意义。因此，这段时间的油耗完全可以通过发动机停机节省下来，根据实际车速和驾驶员油门踏板信号来判断车辆是否需要停机。

2.2 系统建模

综合以上几点，在Matlab/Simulink中搭建了混合动力车辆的控制模型，其能量分配策略用Embedded MATLAB Function编写，能够支持代码生成。

将控制策略模型生成.dll文件与基于Cruise的车辆模型进行了连接，模型编译设置如图6所示，选择针对Matlab自带的lcc编译器的编译模板进行编译，仿真步长设置为Cruise计算步长的1/20，关于Matlab与Cruise的接口配置方法在此不再赘述。

对Cruise的换挡策略和主减速比进行更改后，完整的混合动力模型就搭建好了。

3 仿真分析

基于本文的能量分配策略，在仿真过程中对标定参数进行了优化，分析结果如下。

3.1 总体结果对比

表2中第一项失效时间是指实际车速超出目标车速误差范围的时间，这段时间在总的工况中占比例很小，而且从下文车速跟随部分的数据分析来看也是完全可以接受的，对整个计算结果没有实质影响。

表2 基础车型-ISG车型计算结果对比表

可以看出，总体油耗和折算出的百公里油耗略有偏差。实际上是由于在计算过程中，车速是一个动态控制的过程，两种车型计算时的整车模型有很大不同，车速控制不可能完全一致而导致工况运行距离不等，引起折算出的油耗与总体油耗略有差异，因此根据这两个数据计算出的节油率也不同。但是差别不大，我们在以下的讨论中以总油耗的计算结果为准进行分析。

表2显示，采用ISG混合动力系统的样车在工况分析中实现了降低油耗的目标，节油率为4.68%：在怠速、加速、减速等工况下，由于控制策略定义为怠速停机、加速助力，发动机负荷输出功减少，故均实现了节油；等速情况下由于电机发电导致发动机油耗增加，故此时反而耗油多。从表2最后一列来看，怠速停机提供了3.76%的节油率，占总节油效果的80.34%，行驶工况（加速、等速、减速）的节油率为0.92%。总体上不仅克服了油电转化的效率损失，而且提供部分节油贡献，说明制定的控制策略是合理的。

同时，整车排放中一氧化碳和碳氢化合物明显降低，但是氮氧化物增加17.81%，这是控制策略对于发动机工作负荷调整的结果，从后文发动机工作点的分布可以得到验证。后期可考虑增加后处理设备处理氮氧化物，从而获得整车排放性能的全面改善。由于缺乏发动机低速及起停工况的排放数据，在仿真计算过程中这部分排放数据输出为0，实际上该区间为高排放区，本策略通过电机启动发动机，取消了发动机的这个高排放区，对排放有一定好处。

3.2 电池荷电状态（SOC）比较

从图7可以看出，在车辆需求扭矩较低时，电机发电；车辆需求扭矩较高时，电机助力。仿真起始SOC为60%，仿真结束时SOC为60.116%，基本保持与初始SOC值一致。保持SOC平衡对混合动力车辆比较重要，在这种情况下，无需为电池额外充电，且电池基本能够保持在最高效区间工作，对电池的性能和寿命都是有益的。考虑到车辆停止时电池会存在自放电导致SOC下降，因此，略高的SOC也有利于下次车辆启动时SOC在正常水平上。比较可贵的是，在总体节油的情况下，SOC略有增加，说明控制策略确实是充分利用了发动机和电机的高效区。

3.3 工况车速跟随情况

从图8可以看出，在整个工况中，车速总体跟随良好，仅在车速42 km/h以上加速时，有少许部分实际车速略低于目标车速，但是加速终了时与目标车速保持一致，而且车辆实际加度波动更小，加速过程更加平稳，发动机扭矩波动更小，在实际使用中应该更加经济。总体上，可以认为车辆驾驶性能良好，能够满足驾驶员的动力需求。

3.4 发动机工作点分布

由图9及图10可以看出，基础车为了保持充足的后备功率，因此换挡区间比较大，发动机运行点分散，360 Nm（负荷为60%）以上区域仅占总运行时间的8%，高负荷区的实际利用率并不高。而采用ISG方案的混合动力系统后，优化了换挡区间，发动机运行点都集中在经济区 （1 000～1 600 r/min之间），同时降低了发动机功率。同等情况下，高负荷（60%）区占15%，发动机高效区利用率提高；此外在低负荷区，基础车型大部分运行点都集中在此区间，而ISG车型则较少集中于此区间，而是更多的分布于中等负荷区，发动机运行区间得到明显优化改善。综上，可以认为控制策略对发动机负荷的调整效果较好。

3.5 起停控制结果分析

由图11可以看出，车辆运行过程中，起停开关保持在开（起停开关值为1）的状态；在发动机怠速时，起停控制开关准确的关闭 （起停开关值为0）；起停控制准确的判断了车辆状态，保证发动机怠速停机功能正确，从而贡献了占总体80%节油效果。

3.6 扭矩分配结果分析

从图12可以看出，在怠速状态，发动机和电机处于关闭状态，输出扭矩为0；在车辆扭矩较低时，发动机对电机进行充电；在车辆需求扭矩较高时，电机进行助力。发动机输出扭矩一直保持在中高负荷状态。而由于Cruise对油门是反馈控制的，在部分情况下车辆加速度波动加大，引起车辆需求扭矩波动，导致电机在电动和发电之间快速波动。总体上，可以认为扭矩分配策略是比较合理的。

4 结论

本文在理论分析的基础上，结合实例，采用Matlab/Simulink建立控制模型，开发了基于逻辑门限值的ISG混合动力中型卡车能量分配控制策略，以AVL/Cruise建立整车物理模型，进行了仿真分析。仿真结果表明，采用ISG混合动力系统的中型卡车实现了较好的节油效果，并且保证了电池SOC平衡，车辆动力性能够满足要求，整车能量分配控制策略是有效的。

在以上的仿真计算中，也存在一些不足，如目前的控制策略中没有考虑制动能量回收，没有考虑电机和电池温度特性，以及电机在不同工况下的波动特性优化等，将在后续的工作中对进行研究分析。

［1］秦大同,舒 红,胡建军,胡明辉.轻度混合动力汽车动力性能仿真及动力系统参数匹配研究 ［J］.机 械 工 程 学 报,2004,40（02）:12-20.

［2］浦金欢.混合动力汽车能量优化管理与控制策略研究［D］.上海:上海交通大学,2004.

［3］郭晋晟,钟 虎,杨 林.I S G柴油混合动力客车能量分配策略研究［J］.汽车工程，2008，30（2）：121-125.