ISG混合動力汽車控制規則優化與轉矩分配策略研究*

周奇勛, 曹世宏, 季新杰

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

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2015131

ISG混合動力汽車控制規則優化與轉矩分配策略研究*

周奇勛, 曹世宏, 季新杰

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

為提高ISG混合動力汽車的燃油經濟性，開展控制規則優化與轉矩分配策略研究，以保證發動機工作在高效區域。從控制發動機輸出負荷角度出發，綜合考慮ISG效率特性和電池組充放電特性，對發動機、ISG、電池組穩態工作區域進行劃分。以混合動力系統工作模式分析為基礎，提出各模式下能量管理策略，并根據車輛行駛過程中工作模式動態切換的需要，制定了模式切換策略。以IVECO并聯混合動力汽車為例，按照ECE+EUDC工況進行了基于優化規則的轉矩分配策略硬件在環仿真，結果表明采用基地規則的轉矩分配策略能有效地協調轉矩在發動機和ISG之間的分配，綜合油耗比原車降低20%。

混合動力汽車；ISG；規則優化；轉矩分配策略

前言

為提高混合動力汽車燃油經濟性，除了采用改善整車機械結構和提高參數匹配的方法之外，對混合動力系統控制策略進行優化也是一條重要途徑。混合動力系統控制策略主要包括能量管理策略、工作模式劃分和轉矩分配策略[1]，其關鍵思想在于根據行駛工況需求，對混合動力系統多能源進行實時合理分配，以保證發動機燃油消耗最低及電池電量平衡。

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

1 能量管理策略

1.1 轉矩需求分析

在ISG混合動力汽車行駛過程中，轉矩請求由加速踏板對應的發動機輸出轉矩、制動踏板對應的制動轉矩和ISG輸出轉矩3部分構成，即

Treq=Te+Tb+TISG

(1)

式中：Treq為駕駛員的轉矩請求；Te為發動機提供的轉矩；Tb為制動轉矩；TISG為ISG提供的驅動轉矩或發電轉矩。

根據式(1)，混合動力系統轉矩特性取決于發動機和ISG的轉矩特性。以IVECOHEV為例，在已知發動機和ISG轉矩特性時，混合動力系統的轉矩特性如圖1所示。從圖中可以看出，當車速超過發動機最低穩定工作轉速1 000r/min時，系統的轉矩特性由發動機和ISG轉矩特性復合而成。

1.2 發動機優化工作區劃分

規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矩，對發動機轉矩進行補償，調整發動機工作點落于高效工作區，從而提高整車燃油經濟性。不同控制策略的電池SOC的管理模式有兩種[7-9]：一種是設置電池充電停止門限最高荷電狀態SH和電池放電停止門限最小荷電狀態SL，控制SOC在這一范圍內變化，當電池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；另外一種方法是設置SOC控制目標，在車輛行駛過程中，SOC始終在設定目標附近，稱為CS(charge sustaining)控制策略。本文中采用CD控制策略，則

SL≤SOC≤SH

(2)

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

2 模式管理策略

2.1 工作模式分析

混合動力系統有兩個能量變換器：發動機和ISG，它們分別將燃油能量和電池組能量轉換為整車驅動力。因此，系統中能量流動的路徑有兩個：發動機驅動系和電力驅動系，其中發動機驅動系是單向驅動系，電力驅動系是雙向驅動系(電動狀態和發電狀態)。對于每個驅動系，能量變換器的工作狀態就相應地對應著該驅動系能量流動方向。發動機有驅動和停機兩種工作狀態。ISG有電動、發電和停機3種工作狀態。發動機和ISG的工作狀態的組合就是整車工作模式。因此，根據實際情況，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 運行區域劃分

工作模式的運行區域根據發動機關鍵控制線進行劃分，如圖3所示。

2.2.1SOC≥SL情況

當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 工作模式切換規則

ISG混合傳動系統結構框圖如圖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據，基于這些數據和控制策略，向各部件控制器發送控制指令。下層部件控制器則根據車輛控制器的控制指令控制相應部件的運行狀態，以滿足整車驅動的要求。

根據混合傳動系統結構，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，其切換規則如圖5所示。

不同工作模式下，混合動力系統部件的運行狀態也隨之發生改變。不同工作模式下混合動力系統部件的狀態如表4所示。

表4 ISG混合動力汽車工作模式與部件運行狀態分析表

4 轉矩分配策略

確定動力源的工作區域和工作模式切換規則以后，需要確定發動機、ISG的目標轉矩和制動系統的目標轉矩。下面將分別討論不同工作模式下的轉矩分配問題。

4.1 發動機的目標轉矩

發動機目標轉矩是指確定不同工作模式下發動機輸出轉矩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，發動機停機，因此目標轉矩為0。在發動機驅動模式(模式1)下，發動機目標轉矩即為需求轉矩；在行車發電模式(模式3)下，發動機目標轉矩同時受ISG和電池組充電能力以及當前轉速對應的最大輸出轉矩的影響；在混合驅動模式(模式4)下，發動機目標轉矩為最大轉矩；在駐車發電模式(模式6)下，發動機目標轉矩即為發電轉矩，它受到ISG最大發電能力和電池組最大充電能力限制。不同工作模式下，發動機的目標轉矩為

(3)

式中：TISG_ch_max為ISG工作于發電機狀態時的最大發電轉矩；Tbty_ch_max為電池組最大允許充電轉矩；Tereq為發動機目標轉矩。

3.2 ISG的目標轉矩

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

(4)

式中TISGreq為ISG目標轉矩。

3.3 制動系統目標轉矩

制動系統僅在摩擦制動模式(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聯合工作構成了車輛的制動系統。因此，制動系統的目標轉矩應該是需求轉矩減去ISG的目標轉矩，即

(5)

式中Tbreq為制動系統目標轉矩，該轉矩由制動踏板控制。

4 硬件在環試驗

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，進行混合動力系統硬件在環試驗驗證，其中IVECO混合動力汽車用MG1.8發動機參數如表5所示，ISG參數如表6所示。

表5 發動機參數

表6 ISG技術參數

圖6為初始SOC=0.7的試驗結果。由圖可見：由于SOC較高，根據控制策略，當需求轉矩高于發動機最大輸出能力時，ISG提供助力，否則ISG停止工作，保證了發動機工作于高效工作區，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多工作于發電狀態，充電能量來自發動機，因而這個過程整車的油耗較高；隨著充電過程的持續，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時間段內的轉矩分配情況。從圖中可以看出，發動機轉矩和ISG轉矩輸出之和與需求轉矩基本相同，表明控制策略根據駕駛員的轉矩請求，充分協調了轉矩請求在發動機和ISG之間的分配。

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

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

5 結論

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

(2)在整車燃油經濟性方面，該新型并聯式混合動力客車采用基于規則的轉矩分配策略，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。