ISG混合動力汽車控制規(guī)則優(yōu)化與轉(zhuǎn)矩分配策略研究*

周奇勛, 曹世宏, 季新杰

(1. 西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054； 2. 總后勤部建筑工程研究所，西安 710032； 3. 西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，西安 710072； 4. 空軍第一航空學(xué)院航空彈藥工程系，信陽 464000)

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2015131

ISG混合動力汽車控制規(guī)則優(yōu)化與轉(zhuǎn)矩分配策略研究*

周奇勛, 曹世宏, 季新杰

(1. 西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054； 2. 總后勤部建筑工程研究所，西安 710032； 3. 西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，西安 710072； 4. 空軍第一航空學(xué)院航空彈藥工程系，信陽 464000)

為提高ISG混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性，開展控制規(guī)則優(yōu)化與轉(zhuǎn)矩分配策略研究，以保證發(fā)動機工作在高效區(qū)域。從控制發(fā)動機輸出負(fù)荷角度出發(fā)，綜合考慮ISG效率特性和電池組充放電特性，對發(fā)動機、ISG、電池組穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域進行劃分。以混合動力系統(tǒng)工作模式分析為基礎(chǔ)，提出各模式下能量管理策略，并根據(jù)車輛行駛過程中工作模式動態(tài)切換的需要，制定了模式切換策略。以IVECO并聯(lián)混合動力汽車為例，按照ECE+EUDC工況進行了基于優(yōu)化規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配策略硬件在環(huán)仿真，結(jié)果表明采用基地規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配策略能有效地協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機和ISG之間的分配，綜合油耗比原車降低20%。

混合動力汽車；ISG；規(guī)則優(yōu)化；轉(zhuǎn)矩分配策略

前言

為提高混合動力汽車燃油經(jīng)濟性，除了采用改善整車機械結(jié)構(gòu)和提高參數(shù)匹配的方法之外，對混合動力系統(tǒng)控制策略進行優(yōu)化也是一條重要途徑?；旌蟿恿ο到y(tǒng)控制策略主要包括能量管理策略、工作模式劃分和轉(zhuǎn)矩分配策略[1]，其關(guān)鍵思想在于根據(jù)行駛工況需求，對混合動力系統(tǒng)多能源進行實時合理分配，以保證發(fā)動機燃油消耗最低及電池電量平衡。

混合動力系統(tǒng)部件如發(fā)動機、集成一體化起動機/發(fā)電機(integrated starter generator or integrated starter alternator，ISG or ISA，下文以ISG出現(xiàn))、離合器及變速器等的工作狀態(tài)在車輛行駛過程中隨工況動態(tài)變化，整車運行特性復(fù)雜，控制難度大[2]。近年來，關(guān)于控制策略研究的文獻主要分為兩類[3-4]：優(yōu)化控制策略和規(guī)則控制策略。優(yōu)化控制策略的核心在于復(fù)雜的優(yōu)化算法，考慮到目前混合動力系統(tǒng)控制器有限的運算能力，優(yōu)化算法難以完成實時控制[5]；規(guī)則控制策略是靜態(tài)基線控制策略的一種，具有算法簡單、易實現(xiàn)、魯棒性好的特點，但其系統(tǒng)性能對規(guī)則的調(diào)整依賴性強[6]。本文中從控制發(fā)動機輸出負(fù)荷的角度出發(fā)，綜合考慮ISG效率特性和電池組的充放電特性，對發(fā)動機、ISG、電池組穩(wěn)態(tài)高效工作區(qū)域規(guī)則優(yōu)化進行分析；制定模式管理策略，實現(xiàn)車輛行駛中工作模式動態(tài)切換；依據(jù)優(yōu)化規(guī)則提出使混合動力系統(tǒng)始終工作于高效工作區(qū)的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，以獲得整車最佳燃油經(jīng)濟性。

1 能量管理策略

1.1 轉(zhuǎn)矩需求分析

在ISG混合動力汽車行駛過程中，轉(zhuǎn)矩請求由加速踏板對應(yīng)的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩、制動踏板對應(yīng)的制動轉(zhuǎn)矩和ISG輸出轉(zhuǎn)矩3部分構(gòu)成，即

Treq=Te+Tb+TISG

(1)

式中：Treq為駕駛員的轉(zhuǎn)矩請求；Te為發(fā)動機提供的轉(zhuǎn)矩；Tb為制動轉(zhuǎn)矩；TISG為ISG提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或發(fā)電轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式(1)，混合動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩特性取決于發(fā)動機和ISG的轉(zhuǎn)矩特性。以IVECOHEV為例，在已知發(fā)動機和ISG轉(zhuǎn)矩特性時，混合動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特性如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)車速超過發(fā)動機最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速1 000r/min時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特性由發(fā)動機和ISG轉(zhuǎn)矩特性復(fù)合而成。

1.2 發(fā)動機優(yōu)化工作區(qū)劃分

規(guī)則控制策略必須保證兩個原則：控制電池組SOC在一定范圍，高效利用其能量，并保證其不被過度充放電而使壽命降低；在滿足車輛行駛轉(zhuǎn)矩需求的條件下，通過利用ISG工作范圍廣、效率高的特性控制其轉(zhuǎn)矩，對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩進行補償，調(diào)整發(fā)動機工作點落于高效工作區(qū)，從而提高整車燃油經(jīng)濟性。不同控制策略的電池SOC的管理模式有兩種[7-9]：一種是設(shè)置電池充電停止門限最高荷電狀態(tài)SH和電池放電停止門限最小荷電狀態(tài)SL，控制SOC在這一范圍內(nèi)變化，當(dāng)電池SOC低于SL時，啟動對電池組的充電過程，保證電池組不被過分放電，當(dāng)電池SOC高于SH時，停止對電池組充電，保證電池組不被過度充電，這種策略稱為CD(charge depleting)控制策略；另外一種方法是設(shè)置SOC控制目標(biāo)，在車輛行駛過程中，SOC始終在設(shè)定目標(biāo)附近，稱為CS(charge sustaining)控制策略。本文中采用CD控制策略，則

SL≤SOC≤SH

(2)

發(fā)動機控制的原則是盡可能使其工作于經(jīng)濟工作區(qū)，因此，須對發(fā)動機運行區(qū)域進行劃分，找出其優(yōu)化工作區(qū)是制定控制策略的一個關(guān)鍵。圖2為MG1.8發(fā)動機工作區(qū)域劃分圖，3條關(guān)鍵控制線將發(fā)動機運行區(qū)域分割成4個區(qū)域：發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩工作線Temax、發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)下限Teoff、發(fā)動機最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工作線nemin和處于3條界限之間的區(qū)域即發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)。

2 模式管理策略

2.1 工作模式分析

混合動力系統(tǒng)有兩個能量變換器：發(fā)動機和ISG，它們分別將燃油能量和電池組能量轉(zhuǎn)換為整車驅(qū)動力。因此，系統(tǒng)中能量流動的路徑有兩個：發(fā)動機驅(qū)動系和電力驅(qū)動系，其中發(fā)動機驅(qū)動系是單向驅(qū)動系，電力驅(qū)動系是雙向驅(qū)動系(電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài))。對于每個驅(qū)動系，能量變換器的工作狀態(tài)就相應(yīng)地對應(yīng)著該驅(qū)動系能量流動方向。發(fā)動機有驅(qū)動和停機兩種工作狀態(tài)。ISG有電動、發(fā)電和停機3種工作狀態(tài)。發(fā)動機和ISG的工作狀態(tài)的組合就是整車工作模式。因此，根據(jù)實際情況，ISG混合動力汽車有10種可能的工作模式。表1給出了10種可能的工作模式及其對應(yīng)的能量流動路線。

表1 ISG混合動力汽車工作模式及能量流動路線

2.2 運行區(qū)域劃分

工作模式的運行區(qū)域根據(jù)發(fā)動機關(guān)鍵控制線進行劃分，如圖3所示。

2.2.1SOC≥SL情況

當(dāng)SOC≥SL時，從圖4中可以看出工作模式的分布情況及判定條件，如表2所示。

2.2.2SOC

當(dāng)SOC

工作模式判定條件模式1nreq>nemin&Teoffnemin&Treq>Temax模式5和模式10Treq<0模式7Treq=0

表3 SOC

2.3 工作模式切換規(guī)則

ISG混合傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。上層的車輛控制器匯集來自駕駛員和所有部件的數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)和控制策略，向各部件控制器發(fā)送控制指令。下層部件控制器則根據(jù)車輛控制器的控制指令控制相應(yīng)部件的運行狀態(tài)，以滿足整車驅(qū)動的要求。

根據(jù)混合傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，ISG混合動力汽車工作模式隨著運行工況的變化在不同模式間不斷切換，其切換規(guī)則如圖5所示。

不同工作模式下，混合動力系統(tǒng)部件的運行狀態(tài)也隨之發(fā)生改變。不同工作模式下混合動力系統(tǒng)部件的狀態(tài)如表4所示。

表4 ISG混合動力汽車工作模式與部件運行狀態(tài)分析表

4 轉(zhuǎn)矩分配策略

確定動力源的工作區(qū)域和工作模式切換規(guī)則以后，需要確定發(fā)動機、ISG的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和制動系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。下面將分別討論不同工作模式下的轉(zhuǎn)矩分配問題。

4.1 發(fā)動機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩

發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩是指確定不同工作模式下發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Tereq。由表1可知，在電動模式(模式2)、再生制動模式(模式5)、駐車模式(模式7)、摩擦制動模式(模式10)下，發(fā)動機停機，因此目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為0。在發(fā)動機驅(qū)動模式(模式1)下，發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩即為需求轉(zhuǎn)矩；在行車發(fā)電模式(模式3)下，發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩同時受ISG和電池組充電能力以及當(dāng)前轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩的影響；在混合驅(qū)動模式(模式4)下，發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩；在駐車發(fā)電模式(模式6)下，發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩即為發(fā)電轉(zhuǎn)矩，它受到ISG最大發(fā)電能力和電池組最大充電能力限制。不同工作模式下，發(fā)動機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為

(3)

式中：TISG_ch_max為ISG工作于發(fā)電機狀態(tài)時的最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩；Tbty_ch_max為電池組最大允許充電轉(zhuǎn)矩；Tereq為發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

3.2 ISG的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩

在7個穩(wěn)態(tài)工作模式中，模式1、模式7和模式10中，ISG不工作，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為0。模式2中，ISG單獨驅(qū)動車輛，轉(zhuǎn)矩請求由ISG單獨提供。模式3中，發(fā)動機驅(qū)動車輛并帶動ISG發(fā)電，向電池組充電，ISG目標(biāo)轉(zhuǎn)矩是發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩減去需求轉(zhuǎn)矩。模式4中，發(fā)動機和ISG混合驅(qū)動，ISG目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為需求轉(zhuǎn)矩減去發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。模式5中，ISG回收制動能量，ISG目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩、ISG最大充電轉(zhuǎn)矩和電池組最大允許充電轉(zhuǎn)矩中的最小值。模式6中，車輛轉(zhuǎn)矩請求為0，但發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩全部用來發(fā)電，則ISG目標(biāo)轉(zhuǎn)矩即為發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。不同工作模式下，ISG的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中TISGreq為ISG目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

3.3 制動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩

制動系統(tǒng)僅在摩擦制動模式(模式10)工作。在實際工作過程中，ISG工作于再生制動模式和制動系統(tǒng)聯(lián)合工作構(gòu)成了車輛的制動系統(tǒng)。因此，制動系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是需求轉(zhuǎn)矩減去ISG的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，即

(5)

式中Tbreq為制動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩由制動踏板控制。

4 硬件在環(huán)試驗

為確定所制定的控制策略的有效性，采用IVECOECU與自行研制的ISG控制器，進行混合動力系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗驗證，其中IVECO混合動力汽車用MG1.8發(fā)動機參數(shù)如表5所示，ISG參數(shù)如表6所示。

表5 發(fā)動機參數(shù)

表6 ISG技術(shù)參數(shù)

圖6為初始SOC=0.7的試驗結(jié)果。由圖可見：由于SOC較高，根據(jù)控制策略，當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動機最大輸出能力時，ISG提供助力，否則ISG停止工作，保證了發(fā)動機工作于高效工作區(qū)，使整車的綜合油耗降低；電池SOC隨著工況變化，不斷降低，并保持在合理范圍。圖7為初始SOC=0.4的試驗結(jié)果。由圖可見：由于電池SOC較低，整個仿真過程中，ISG多工作于發(fā)電狀態(tài)，充電能量來自發(fā)動機，因而這個過程整車的油耗較高；隨著充電過程的持續(xù)，電池SOC不斷增大，并且保持在一定范圍。從圖6和圖7還可以看出，期望車速曲線與實際車速曲線幾乎重合。

圖8和圖9分別是初始SOC=0.7和SOC=0.4時，900～1 200s時間段內(nèi)的轉(zhuǎn)矩分配情況。從圖中可以看出，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和ISG轉(zhuǎn)矩輸出之和與需求轉(zhuǎn)矩基本相同，表明控制策略根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)矩請求，充分協(xié)調(diào)了轉(zhuǎn)矩請求在發(fā)動機和ISG之間的分配。

圖10為初始SOC=0.7時發(fā)動機工作點分布圖。由圖可見，發(fā)動機大部分時間工作于高效工作區(qū)，表明控制策略達到了控制發(fā)動機工作于高效工作區(qū)的目的。

IVECO原車100km綜合油耗約為12L，改裝成混合動力汽車后，其100km綜合油耗仿真結(jié)果為9.6L，與原車相比，在保證動力性基礎(chǔ)上，油耗降低了20%。綜合以上幾個方面的試驗分析結(jié)果，表明本文研究的控制策略切實有效。

5 結(jié)論

(1)提出的轉(zhuǎn)矩分配策略能合理地在發(fā)動機和電池之間進行功率分配以滿足驅(qū)動功率的需求，而且電池的SOC能夠在一定范圍內(nèi)保持有效的平衡，其變化趨勢符合預(yù)期控制效果；發(fā)動機的工作點運行于高效區(qū)域內(nèi)。

(2)在整車燃油經(jīng)濟性方面，該新型并聯(lián)式混合動力客車采用基于規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配策略，單位油耗降低了20%。

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A Research on the Control Rules Optimization and Torque Distribution Strategy for ISG Hybrid Electric Vehicles

Zhou Qixun1,2,3, Cao Shihong2& Ji Xinjie4

1.DepartmentofElectrical&ControlEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054; 2.Xi’anConstructionEngineeringResearchInstitue,Xi’an710032; 3.SchoolofMechatronicsEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072; 4.DepartmentofAviationAmmunitionEngineering,theFirstAviationAcademyofChineseAirForce,Xinyang464000

In order to enhance the fuel economy of ISG hybrid electric vehicle, the control rule optimization and torque distribution strategy are studied for ensuring engine working in high efficiency regions. Firstly from a point of view of regulating engine output load and concurrently considering ISG efficiency characteristic and battery charge / discharge characteristics, the steady working regions of engine, ISG and battery pack are divided. Then the energy management strategies for different working modes are proposed based on the working mode analyses of hybrid powertrain, and the mode switching strategy is worked out according to the requirement of dynamic switching of working modes in vehicle driving process. Finally a hardware-in-the-loop simulation for torque distribution strategy based on optimized rule is conducted on an IVECO parallel hybrid electric vehicle with ECE+EUDC driving circle. The results show that the rule-based torque distribution strategy adopted can effectively coordinate the torque distribution between engine and ISG with its overall fuel consumption reducing by 20% compared with original vehicle.

HEV；ISG；rule optimization；torque distribution strategy

*國家自然科學(xué)基金(51307137)和中國博士后基金(2014M552618)資助。

原稿收到日期為2013年9月5日，修改稿收到日期為2013年12月23日。