基于Cruise的ISG混合動力中型卡車能量分配策略研究

周建剛，張明凱，魏 超

（東風汽車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

隨著已經實現工業化國家的不斷發展和新興國家的工業化迅猛壯大，汽車在人們生活中得到迅速普及地球上的石油資源不斷消耗和枯竭，燃油價格不斷上漲，因此節能和環保成為汽車工業可持續發展的關鍵課題，也是汽車企業未來的核心競爭力所在。如何減少燃油消耗和降低排放，對當前的汽車企業來說是非常重要和刻不容緩的工作。目前全球大型汽車企業已將研發節能新能源汽車納入企業發展戰略中，許多汽車公司已經有成熟的新能源汽車投放市場，尤其是混合動力車（包括乘用車和商用車）獲得了市場的普遍認同和接受。混合動力車由于有著較低成本、較高的可靠性和實用性，在可以預見的時期內是節能減排的必經之路。混合動力汽車實現節能主要靠四個方面：發動機優化、車身輕量化、能量回饋和怠速停機。混合動力車包括輕度、中度和深度混合三種技術層次。輕度、中度混合動力汽車，主要靠怠速停機功能來達到節油目的。其中，輕度混合動力可基本不改變發動機，中度只需對發動機做有限的改動。

ISG（integrated-starter-generator）柴油混合動力系統屬于并聯式混合動力系統，ISG電機集起動機、發電機功能于一體，能夠實現怠速停機、加速助力、行車充電等功能，可以有效的調節發動機運行工況，是一種輕度混合動力系統。ISG混合動力系統相比傳統車輛系統改動較小，同時成本增加也較小，是各個廠商經常采用的方案，因而研究其能量分配策略也具有現實意義。

本文研究的對象是以一款短途運輸車為基礎車的ISG混合動力中型卡車，分析了整車能量分配算法和策略，并進行了仿真分析。

1 ISG混合動力的技術方案

在基礎車上，將ISG電機安裝在發動機曲軸輸出端，ISG電機轉子前端與發動機飛輪連接盤聯結，后端安裝飛輪及離合器，取消原有的起動機和發電機，成為ISG混合動力車輛。ISG系統中采用開關磁阻電機，使用140 ps發動機加ISG電機的結構代替原來的180 ps發動機。基礎車與改裝為ISG混合動力車的車輛模型見圖1及圖2。

整車控制單元（HCU）作為整車的控制中心，與電池控制器（BMS）、電機控制器（MCU）和發動機控制器（EECU）進行通信，協調各部件的工作。在車輛行駛過程中，HCU除了處理各種故障信號外，最重要的任務是解決發動機和ISG電機間的能量分配問題。能量分配策略一般采用規劃分配優化的方法，具體可分為以下兩種：靜態能量分配控制，即采用查能量分配表進行控制的方法；動態能量分配控制，即采用實時動態分配的控制方法，根據各模塊的狀態和駕駛員指令進行一定的優化來實現車輛的能量流動分配。

本文采用一種基于邏輯門限值的動態能量分配策略，首先根據駕駛員油門請求和瞬時車速來判斷車輛狀態，實現發動機起停控制；然后根據駕駛員油門請求和發動機轉速確定整車需求轉矩；最后結合電池荷電狀態SOC（state of charge）、整車需求轉矩以及發動機或ISG電機轉速（兩者相等）、車輛起停信號等進行扭矩分配，保證車輛動力需求的同時，控制發動機工作在最佳經濟性區間。

2 能量分配策略及混合動力車輛建模

2.1 能量分配策略

混合動力卡車工況一般限于城市工況，用于短途物流運輸，工況定義為實際采集的某城市工況。

ISG柴油混合動力中型卡車采用140 ps柴油發動機和35 kW的ISG電機替換原180 ps發動機，基礎車型和ISG混合動力車型的主要參數見表1。

表1 基礎車型和ISG混合動力車型的主要參數

發動機和ISG電機總成外特性見圖3、圖4。

能量分配策略以綜合優化發動機油耗和排放為目標來確定發動機的最佳輸出轉矩。由于發動機油耗和排放性能是互相制約的平衡關系，很難做到油耗和排放性能同時最優。因此本文的能量分配策略以實現最小燃油消耗為主要目標，適當考慮發動機的排放優化問題。以下從三個方面進行分析開發混合動力中型卡車能量分配策略。

1）發動機轉速調節

由于基礎車只有發動機一個動力源，因此后橋速比必須選得較大，且換擋轉速較高才能保證足夠的驅動力。采用ISG混合動力方案后，由于有了電機的輔助，在低速段，電機可以提供很大的扭矩進行驅動輔助，發動機不僅馬力可以降低，而且后橋速比可以選擇較小的速比，換擋轉速也可以選擇發動機經濟區進行換擋，可以保證整車有很好的的經濟性。

2）發動機負荷調節

電機助力區確定方法：以上的發動機轉速調節，相當于沒有使用發動機油耗較高的高功率區域，因此，發動機負荷比基礎車的發動機負荷高。在發動機負荷超過一定限值時，電機啟動進行助力，根據發動機的萬有特性，選擇發動機經濟區的中間扭矩線作為電機助力的觸發線，超過該扭矩線則電機助力。

電機發電區設定方法：在ISG混合動力系統中，電池相當于一個緩沖池，以電能的形式存儲和釋放能量。其電能的來源有兩個，一是發動機帶動電機發電，將一部分燃油化學能轉換成電能；另一種是通過制動能量回收蓄積一部分電能。從圖4可以看出，ISG電機發電功率較小 （15 kW），制動能量回收有限；同時，由于ISG電機與發動機飛輪剛性連接，制動時發動機系統消耗了部分制動能量。因此，混合動力車輛要實現節能，首先要保證從發動機輸出的能量能經過電池的緩沖后能盡可能高效的輸出，這就要求充放電過程保持很高的效率。以下不考慮制動能量回收，從最小功率損失的角度出發，對充放電效率進行探討。

在ISG混合動力系統中，電能的循環過程為：動力從發動機輸出→離合器→電機（發電）→電池→電機（電動）→離合器2→變速箱。從變速箱開始后面的動力傳輸過程與常規車輛相同，與混合動力無關，在此就不關注了。通過對動力傳遞過程“→電機（發電）→電池→電機（電動）→”中的效率與發動機負荷調節的效率進行對比，計算出合適的油電轉換區間，從而可以得到在任意瞬時發動機和電機的扭矩分配關系。

根據以上原則制定了某一時刻混合動力系統的運行區間見圖5。

3）怠速停機控制

當車輛處于怠速狀態時，發動機的運轉對于整車行駛和運輸里程毫無意義。因此，這段時間的油耗完全可以通過發動機停機節省下來，根據實際車速和駕駛員油門踏板信號來判斷車輛是否需要停機。

2.2 系統建模

綜合以上幾點，在Matlab/Simulink中搭建了混合動力車輛的控制模型，其能量分配策略用Embedded MATLAB Function編寫，能夠支持代碼生成。

將控制策略模型生成.dll文件與基于Cruise的車輛模型進行了連接，模型編譯設置如圖6所示，選擇針對Matlab自帶的lcc編譯器的編譯模板進行編譯，仿真步長設置為Cruise計算步長的1/20，關于Matlab與Cruise的接口配置方法在此不再贅述。

對Cruise的換擋策略和主減速比進行更改后，完整的混合動力模型就搭建好了。

3 仿真分析

基于本文的能量分配策略，在仿真過程中對標定參數進行了優化，分析結果如下。

3.1 總體結果對比

表2中第一項失效時間是指實際車速超出目標車速誤差范圍的時間，這段時間在總的工況中占比例很小，而且從下文車速跟隨部分的數據分析來看也是完全可以接受的，對整個計算結果沒有實質影響。

表2 基礎車型-ISG車型計算結果對比表

可以看出，總體油耗和折算出的百公里油耗略有偏差。實際上是由于在計算過程中，車速是一個動態控制的過程，兩種車型計算時的整車模型有很大不同，車速控制不可能完全一致而導致工況運行距離不等，引起折算出的油耗與總體油耗略有差異，因此根據這兩個數據計算出的節油率也不同。但是差別不大，我們在以下的討論中以總油耗的計算結果為準進行分析。

表2顯示，采用ISG混合動力系統的樣車在工況分析中實現了降低油耗的目標，節油率為4.68%：在怠速、加速、減速等工況下，由于控制策略定義為怠速停機、加速助力，發動機負荷輸出功減少，故均實現了節油；等速情況下由于電機發電導致發動機油耗增加，故此時反而耗油多。從表2最后一列來看，怠速停機提供了3.76%的節油率，占總節油效果的80.34%，行駛工況（加速、等速、減速）的節油率為0.92%。總體上不僅克服了油電轉化的效率損失，而且提供部分節油貢獻，說明制定的控制策略是合理的。

同時，整車排放中一氧化碳和碳氫化合物明顯降低，但是氮氧化物增加17.81%，這是控制策略對于發動機工作負荷調整的結果，從后文發動機工作點的分布可以得到驗證。后期可考慮增加后處理設備處理氮氧化物，從而獲得整車排放性能的全面改善。由于缺乏發動機低速及起停工況的排放數據，在仿真計算過程中這部分排放數據輸出為0，實際上該區間為高排放區，本策略通過電機啟動發動機，取消了發動機的這個高排放區，對排放有一定好處。

3.2 電池荷電狀態（SOC）比較

從圖7可以看出，在車輛需求扭矩較低時，電機發電；車輛需求扭矩較高時，電機助力。仿真起始SOC為60%，仿真結束時SOC為60.116%，基本保持與初始SOC值一致。保持SOC平衡對混合動力車輛比較重要，在這種情況下，無需為電池額外充電，且電池基本能夠保持在最高效區間工作，對電池的性能和壽命都是有益的。考慮到車輛停止時電池會存在自放電導致SOC下降，因此，略高的SOC也有利于下次車輛啟動時SOC在正常水平上。比較可貴的是，在總體節油的情況下，SOC略有增加，說明控制策略確實是充分利用了發動機和電機的高效區。

3.3 工況車速跟隨情況

從圖8可以看出，在整個工況中，車速總體跟隨良好，僅在車速42 km/h以上加速時，有少許部分實際車速略低于目標車速，但是加速終了時與目標車速保持一致，而且車輛實際加度波動更小，加速過程更加平穩，發動機扭矩波動更小，在實際使用中應該更加經濟。總體上，可以認為車輛駕駛性能良好，能夠滿足駕駛員的動力需求。

3.4 發動機工作點分布

由圖9及圖10可以看出，基礎車為了保持充足的后備功率，因此換擋區間比較大，發動機運行點分散，360 Nm（負荷為60%）以上區域僅占總運行時間的8%，高負荷區的實際利用率并不高。而采用ISG方案的混合動力系統后，優化了換擋區間，發動機運行點都集中在經濟區 （1 000～1 600 r/min之間），同時降低了發動機功率。同等情況下，高負荷（60%）區占15%，發動機高效區利用率提高；此外在低負荷區，基礎車型大部分運行點都集中在此區間，而ISG車型則較少集中于此區間，而是更多的分布于中等負荷區，發動機運行區間得到明顯優化改善。綜上，可以認為控制策略對發動機負荷的調整效果較好。

3.5 起停控制結果分析

由圖11可以看出，車輛運行過程中，起停開關保持在開（起停開關值為1）的狀態；在發動機怠速時，起停控制開關準確的關閉 （起停開關值為0）；起停控制準確的判斷了車輛狀態，保證發動機怠速停機功能正確，從而貢獻了占總體80%節油效果。

3.6 扭矩分配結果分析

從圖12可以看出，在怠速狀態，發動機和電機處于關閉狀態，輸出扭矩為0；在車輛扭矩較低時，發動機對電機進行充電；在車輛需求扭矩較高時，電機進行助力。發動機輸出扭矩一直保持在中高負荷狀態。而由于Cruise對油門是反饋控制的，在部分情況下車輛加速度波動加大，引起車輛需求扭矩波動，導致電機在電動和發電之間快速波動。總體上，可以認為扭矩分配策略是比較合理的。

4 結論

本文在理論分析的基礎上，結合實例，采用Matlab/Simulink建立控制模型，開發了基于邏輯門限值的ISG混合動力中型卡車能量分配控制策略，以AVL/Cruise建立整車物理模型，進行了仿真分析。仿真結果表明，采用ISG混合動力系統的中型卡車實現了較好的節油效果，并且保證了電池SOC平衡，車輛動力性能夠滿足要求，整車能量分配控制策略是有效的。

在以上的仿真計算中，也存在一些不足，如目前的控制策略中沒有考慮制動能量回收，沒有考慮電機和電池溫度特性，以及電機在不同工況下的波動特性優化等，將在后續的工作中對進行研究分析。

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