混合動力城市客車整車控制系統的開發*

胡 斐，趙治國，孫澤昌

(同濟大學汽車學院，新能源汽車工程中心，上海 201804)

前言

混合動力城市客車整車控制系統包括能量管理策略和動力協調控制。能量管理策略的任務是根據駕駛員的操作，在保證駕駛員需求和動力性的前提下，協調各動力源的輸出，降低油耗、減少排放;動力協調控制的作用是針對本文的動力系統結構，通過協調控制主驅動電機的轉矩輸出，實現AMT換擋的動力不中斷，提高整車的舒適性和動力性。

1 動力系統結構與整車控制器

混合動力城市客車動力系統簡圖見圖1。該動力系統包括發動機、集成起動發電機(ISG)、電控離合器、電控機械式自動變速器(AMT)、主驅動電機和由鉛酸蓄電池與超級電容并聯組成的儲能系統。

整車控制器(hybrid control unit，HCU)一方面通過總線CAN_A［1］與發動機控制器(ECM)和AMT控制器(TCU)進行通信，另一方面通過總線CAN_B［2］與 ISG 控制器(ISGC)、主驅動電機控制器(DMC)和電能管理單元(EEMU)進行通信。同時，HCU輸入鑰匙、踏板和擋位等信號。

2 整車控制策略

2.1 能量管理策略

2.1.1 工作模式劃分

根據駕駛員的操作，混合動力城市客車的工作模式如表1所示。

表1 混合動力城市客車的工作模式

2.1.2 怠速充電模式

一方面，由于所開發的混合動力城市客車沒有實現輔助系統的電動化，空調、助力轉向和氣泵等仍需發動機驅動，故不能實現發動機怠速停機;另一方面，根據中國典型城市公交循環［3］，怠速時間在整個循環中的比例達29.0%，且實測［4－5］所配柴油機怠速油耗為1.8L/h，因此，怠速充電模式對燃油經濟性的提高具有重要意義。

怠速充電模式下，發動機帶動ISG發電，機械能被轉化成電能存儲在儲能系統中。此時，系統能量流動方向為:發動機→ISG→儲能系統。因此，若要使整個系統的效率最高，應綜合考慮發動機、ISG和儲能系統的效率，且

式中:ηidcha為怠速充電模式下系統的總效率;ηeng、ηISG和ηescha分別為發動機效率、ISG發電效率和儲能系統充電效率。

根據臺架試驗得到的發動機萬有特性和ISG效率圖，綜合儲能系統的效率，繪制怠速充電模式下系統的總效率曲面如圖2所示，效率最高點即為最優怠速點。

2.1.3 驅動模式

定義需求轉矩Tr為AMT輸入軸轉矩，且

式中:α為加速踏板行程(0～100%);Temax為發動機最大轉矩;Tmmax為主驅動電機最大驅動轉矩;ig為AMT速比;K為調整系數，且

式中:v為車速;SOC為荷電狀態。

根據臺架試驗得到的發動機萬有特性圖，將發動機工作區劃分為3個部分，如圖3所示。

(1)Te，low以下區域為發動機低負荷區，燃油經濟性差。當需求轉矩在此區域時，ISG發電對發動機進行轉矩提升，以避免發動機工作在此區域。

(2)Te，high與 Te，low之間區域為發動機經濟區。當需求轉矩在此區域時，車輛由發動機單獨驅動。

(3)Te，high以上區域為助力區。當需求轉矩在此區域時，發動機和主驅動電機同時參與驅動。

驅動工作模式劃分如表2所示。表中，v0為臨界車速，當車速低于v0時，車輛為純電動起步或者串聯混合動力模式，發動機不直接參與驅動;SOClow和SOChigh分別為SOC的下限值和上限值。當SOC低于SOClow時，ISG發電;當 SOC高于 SOChigh時，主驅動電機參與驅動。

表2 驅動工作模式劃分

2.1.4 制動模式

制動模式下，控制策略應在保證安全性的前提下盡可能多地回收制動能量。

車輛制動時，最大地面制動力Fxbmax為

式中:φ為附著系數;Fz為各車輪法向載荷之和，且對于后輪［6］有

式中:G為車重;L為軸距;a為質心至前軸中心線的距離;z為制動強度;hg為質心高度。

式中:r為車輪半徑;i0為主減速器速比。

由于所開發的混合動力城市客車制動系統為并聯復合制動系統，且制動踏板信號為數字量，故制動模式下電機制動力矩為

式中:Tmmax為主驅動電機當前最大制動轉矩;C1為駕駛感和舒適性決定的系數，范圍為0～1;考慮到低轉速下電機銅損和鐵損等功率損耗可能超過其回收的能量，定義調整因子C2如圖4所示，圖中，ω為電機轉速，ω1為制動能量回收截止點轉速，ω2為制動能量回收下降點轉速。

2.2 動力協調控制

在所開發的混合動力城市客車動力系統中，主驅動電機位于AMT之后，故可在換擋過程中協調控制主驅動電機的輸出轉矩，使驅動軸的動力不中斷，從而提高舒適性和動力性。

控制目標是保證驅動軸轉矩Tdrive在換擋過程中保持不變，且

式中:Te為發動機轉矩;Ti為ISG轉矩;Kc為離合器狀態，1為接合，0為分離;Tm為主驅動電機轉矩。

換擋過程中，HCU 根據 Te、Ti、Kc、ig和換擋開始時刻的驅動軸轉矩Tdrive0，控制主驅動電機輸出力矩為

3 軟件實現與實車試驗

3.1 軟件實現

整車控制器HCU軟件開發的主要步驟如下:

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

(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轉化;

(4)基于CANape，將s19文件通過CAN總線下載至整車控制器，同時使用a2l文件完成信號測量和參數標定［11］。

所開發的整車控制系統包括輸入模塊、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 實車試驗

實車試驗如圖5所示，圖5(a)為試驗現場，圖5(b)為整車控制器與CANape連接實物圖;信號測量、參數標定與車速跟蹤界面如圖6所示。

圖7為能量消耗量試驗結果(清晰起見，這里只給出單個循環)，動力協調控制結果如圖8所示，發動機工作點分布如圖9所示。

由圖7可見，在HCU的協調控制下整個循環工況的運行過程中:(1)實際車速很好地跟蹤了循環車速;(2)主驅動電機實現了起步、助力、制動能量回收和動力協調等功能;(3)超級電容與蓄電池的并聯使用，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能量回收效果;(4)儲能系統能量維持情況良好，起步和助力等工況所消耗的電量在怠速發電、制動能量回收和小需求轉矩等工況下得到了有效補充。

從圖8可見，在HCU的控制下，AMT換擋時動力未中斷。動力協調控制過程如下:(1)換擋開始，發動機轉矩降為零，主驅動電機輸出轉矩進行補償，使驅動軸轉矩不變;(2)TCU對發動機進行轉矩控制，發動機轉矩波動，主驅動電機輸出轉矩隨之變化，使驅動軸轉矩不變;(3)離合器分離，主驅動電機輸出轉矩進行補償，且轉矩值恒定，使動力不中斷;(4)摘擋后升擋;(5)離合器結合，發動機轉矩逐步介入，主驅動電機轉矩隨之減小，使驅動軸轉矩不變。

從圖9可見，在HCU的協調控制下，發動機工作點分布良好:(1)大部分發動機工作點集中在Te，high與 Te，low之間的經濟工作區;(2)當需求轉矩較小時，ISG發電對發動機進行轉矩提升，避免了發動機工作在低負荷區，同時對儲能系統進行充電。

根據相關國標，對實車進行了經濟性［3－5，12］、動力性［13］和排放測試［14］，結果如表 3 所示。

在整車控制系統的控制下，相比于原型車，混合動力城市客車經濟性提高了25.65%，動力性提高了16.96%，排放也得到了改善。

表3 實車測試結果

4 結論

(1)混合動力城市客車的整車控制系統實現了對車輛的良好控制。

(2)分析了混合動力城市客車的怠速充電模式、驅動模式(包括純電動模式、串聯混合動力與并聯混合動力模式)和制動模式，給出了各模式下的控制策略，并開發了HCU軟件。

(3)通過調節主驅動電機的輸出轉矩，實現了AMT換擋時的動力不中斷。

(4)實車試驗表明，相比于原型車，所開發的HCU使混合動力城市客車經濟性提高了25.65%，動力性提高了16.96%，排放也有所改善。

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