基于移動供電技術的軍用ISG混合動力車輛控制規則優化研究

曾繁琦，俞妍，卜建國，邊浩然，楊磊，資新運

(1.陸軍軍事交通學院學員五大隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院軍用車輛工程系，天津 300161；3.中國人民解放軍91115部隊，浙江 舟山 316000)

當前，我軍的移動供電裝備主要還停留在車載發電機組和取力發電系統的階段。針對現有移動式供電系統存在維修保養困難、持續工作能力不足、發電效率偏低以及發電品質有待提高等問題，本研究提出了一種基于移動式供電技術的ISG混合動力系統的集成化方案，以滿足未來戰爭對陸戰平臺提出的更高要求[1-2]。

以某裝備移動式發電車為基礎，充分發揮ISG電機的性能優勢以實現混合動力功能。發電車所搭載的電機是以駐車發電性能指標作為匹配原則，主要考慮駐車供電能力，與同類型的民用混合動力車輛相比，其電機功率較低。同時軍用車輛質量大，配備發動機功率高，而車輛性能依賴于動力源的協調控制，因此，在電機功率有限的情況下制定合適的控制策略以提升移動式發電車的性能，是軍用ISG混合動力車輛研究的關鍵[3-6]。

在傳統民用混合動力車輛控制策略研究中，受到系統優化目標和車輛使用環境條件的影響，控制方法靈活多樣、日漸成熟。林歆悠等[7]將隨機動態規劃算法引入到動力源之間功率分配控制規則中，具有較好的控制效果，但算法對控制器參數和環境噪聲比較敏感，不適合在軍用車輛干擾嚴重的惡劣工作環境中使用。Z. Kou等[8]建立了基于邏輯的混合動力動態模型，采用預知駕駛循環工況的方法實現了系統能量管理的優化控制，但現有的市區循環、公路循環以及高速循環等駕駛循環工況僅適用于民用混合動力車輛，無法滿足軍用車輛面向戰場的使用要求。吳劍等[9]采用的神經網絡算法雖然降低了燃油消耗，但訓練樣本需求量大且無法在線運行，限制了其使用范圍，無法在軍用車輛上實現。

綜上所述，目前混合動力車輛控制策略具有算法復雜、抗擾動能力弱等缺點，一部分基于優化的控制策略算法復雜，受限于控制器的運行能力難以實現實時控制[10]，對于運行特性復雜的軍用ISG混合動力車輛并不適用且控制難度大[11]。因此，針對當前控制方法中存在的問題，結合一種以移動式供電技術為基礎的ISG混合動力系統，綜合考慮發動機的效率特性以及動力電池的充放電特性對控制規則進行了優化研究，根據優化規則提出了工作模式切換控制策略和轉矩分配控制策略，并對控制規則進行了仿真驗證，實現了工作模式之間的動態切換以及動力源輸出轉矩的合理分配，在保證整車動力性的前提下提高了燃油經濟性。

1 系統方案設計

1.1 車載電力裝備與用電需求分析

根據對某單位車輛裝備情況的實地調查研究，初步掌握了車載電力裝備和用電需求情況。現有移動式供電系統主要以東風EQ系列和陜汽SX系列等越野車輛進行改裝，用于為維修保障、電子對抗、工程作業、后勤軍需、偵察裝備和指控裝備等提供電力保障。該單位車載電力裝備主要有40多種，包括電力需求5 kW以下的通信光端車、集群車和電臺車等電子通訊車輛，10～15 kW的汽車修理方艙、裝甲拆裝工程車和裝甲檢測工程車等維修保障車輛，15～20 kW的綜合機要車、主食加工車和保溫冷藏車等后勤軍需車輛，20～25 kW的工程保養車、工程偵查車和金木工作業車等工程作業車輛。其中，3～15 kW范圍內的功率需求最大[12]。

1.2 ISG電機選型與數值建模

移動車載供電裝置采用的電機主要有直流電機、感應電機、開關磁阻電機和永磁同步電機，每種電機的功率、轉速范圍以及可靠性等指標不盡相同(見表1)。

表1 4種電機指標對比

綜合對比4種電機的各項指標可以看出，開關磁阻電機和永磁同步電機明顯優于其他兩種電機，而永磁同步電機相對于開關磁阻電機具有更高的功率密度和效率，因此，軍事裝備移動式發電系統選擇永磁同步電機作為ISG電機。同時，為滿足不同車載電力裝備的功率需求，選擇30 kW作為軍事裝備移動式發電系統的電機功率，電機參數見表2。

表2 ISG電機參數

圖1 ISG電機試驗臺架

ISG電機建模采用試驗建模法[13-15]，其數值模型根據臺架試驗數據建立。ISG電機試驗臺架見圖1。根據在電動、發電模式下的測試數據進行插值擬合得到ISG電機全工況范圍內的效率數值模型[16](見圖2)。

圖2 ISG電機數值模型

1.3 移動式供電系統總體布置方案

目前，我軍通訊、指揮、工程作業、防化等軍用車輛均采用24 V電源為部件供電，但隨著ISG技術的發展，48 V電源系統正逐漸成為主流。因此，為了適應ISG技術的發展，并與未來標準電源相匹配，軍事裝備移動式發電系統采用48 V電源為部件供電，發電系統電源方案見圖3。

軍事裝備移動式供電系統是基于傳統軍用車輛底盤系統開發而成，通過加裝ISG電機實現移動式供電功能，為車載武器裝備提供電力保障。移動式發電車采用ISG電機直接與發動機曲軸相連的方式作為底盤布置方案(見圖4)，ISG電機布置于發動機離合器之間。該方案具有系統繼承性好、駐車發電功能易實現、發電效率高以及能夠實現減重等優點。

圖3 供電系統電源方案

圖4 軍事裝備移動式發電車總體布置方案

1.4 軍用ISG混合動力系統方案設計

軍事裝備移動式發電車僅僅是利用ISG電機的發電模式實現移動式供電功能，但在行車過程中，發電車的驅動方式仍為傳統的純發動機驅動。為充分發揮ISG電機的優勢，使車輛在行駛狀態下實現純電動行駛、行車發電、聯合驅動等功能，本研究采用在發動機和ISG電機之間加裝一個自動離合器的單軸并聯式結構，將現有移動式發電車升級改造成軍用ISG混合動力車輛，通過車輛行駛過程中自動離合器傳遞或中斷發動機的動力實現所需工作模式。系統方案見圖5。

圖5 軍用ISG混合動力系統方案

2 控制規則優化原則

作為對武器裝備進行電力保障的能量平臺，軍用ISG混合動力車輛供電能力和整車性能的優劣直接影響著戰時條件下的作戰態勢，因此ISG系統的控制規則必須具有良好的動態響應特性，即避免動力電池過度充放電以及發動機盡可能工作在高效區域，從而使軍用ISG混合動力車輛在滿足供電品質和整車動力性的前提下獲得整車最佳燃油經濟性[17-19]。

2.1 動力電池SOC管理模式

基于規則控制的動力電池SOC管理模式分為電能消耗(charge depleting，CD)運行模式和電能維持(charge sustaining，CS)運行模式[20-23]。CD運行模式是采用設置動力電池停止充放電SOC門限值的方法，當高于上限值SOChigh時，對電池組停止充電，當低于下限值SOClow時，對電池組進行充電，SOC范圍的設定保證了電池不被過分充放電；CS運行模式是采用設置SOC目標值SOCtarget的方法，保證車輛在整個循環工況過程中SOC維持在設定目標值附近，SOC值僅僅在一個很小的范圍內波動[24]。本研究采用CD運行模式，即

SOClow≤SOC≤SOChigh。

2.2 發動機優化工作區劃分

在軍用ISG混合動力系統中，發動機控制的原則是使其盡可能工作在經濟性較高的區域，因此，劃分發動機優化工作區是制定控制規則的關鍵。在原有供電系統中，由于工作模式單一、工況簡單，且用電設備對運行電壓或頻率有一定特殊要求，因此發動機控制采用定轉速功率跟隨控制策略[25-27]。升級改造后的軍用ISG混合動力車輛工作模式復雜多變，定轉速功率跟隨的發動機控制策略已不再適用。為了進一步改善整車動力性和經濟性，發動機控制采用經濟工作區轉矩跟隨控制策略，即在滿足整車需求轉矩的條件下，通過ISG電機的轉矩補償控制發動機工作在有限的區域內，這樣可保證發動機盡可能工作在高效工作點或者高效率區域。

為了保證發動機的燃油經濟性，發動機沿著最佳燃油消耗“曲線帶”工作(見圖6)，即發動機工作點盡量分布在經濟工作區。該控制策略使得發動機能較好地跟隨轉矩需求，充分發揮了行車過程中ISG電機的性能優勢，這樣既可以兼顧整車的能量需求，又能獲得較好的燃油經濟性。

圖6 發動機經濟工作區

3 模式切換控制策略

3.1 工作模式分析

發動機和電機之間通過自動離合器耦合進行協同工作，車輛狀態可分為駐車、驅動、制動3種，在不同車輛狀態下通過控制發動機、ISG電機、動力電池、雙離合器等部件的工作狀態可以實現車輛的純發動機行駛、純電動行駛以及混合驅動等工作模式。不同車輛狀態下混合動力系統部件的狀態以及對應的工作模式見表3。停車模式下車輛起步時，動力電池放電，ISG電機處于電動模式驅動車輛起步，這樣可以消除傳統的發動機單獨起步模式下發動機低負荷時高油耗、重污染的弊端；當車輛狀態為驅動模式時，根據動力電池SOC值和整車需求轉矩切換ISG電機工作狀態，當ISG電機單獨工作無法滿足整車需求轉矩時，離合器1結合以起動發動機參與驅動，通過ISG電機轉矩補償作用調節發動機工作狀態，從而改善發動機工作效率；當車輛狀態為制動模式時，根據車輛速度、加速度以及動力電池SOC值判斷所采取的制動模式，制動原則為“再生制動先行，機械制動補充”，當制動能量回收效率較低時，車輛制動完全由機械制動完成。

表3 ISG混合動力系統工作模式

3.2 自動離合器狀態控制

工作模式之間的轉換本質上可以看作是純電動驅動模式和發動機參與驅動模式之間的切換，模式切換控制需要對自動離合器(離合器1)的結合過程和分離過程進行控制，以減小離合器摩擦片的磨損，提高離合器狀態改變過程中車輛的平順性，降低沖擊[6]。

1) 結合過程

從純電動驅動模式轉換到發動機參與驅動模式首先需要起動發動機，這就必須結合自動離合器。通過離合器緩緩結合，ISG電機將發動機拖轉至點火轉速，發動機噴油點火，隨即轉速迅速上升，當發動機轉速和電機轉速差值小于一定范圍時，離合器完全結合，發動機轉速和電機轉速一致，二者達到同步狀態，即

式中：mc_1為當前離合器狀態，取值范圍為[0,1]，0表示完全結合，1表示完全分離；mc_1′為前一時刻離合器狀態；ne為發動機轉速；nm為ISG電機轉速；Δn為轉速門限值。

2) 分離過程

從發動機參與驅動模式轉換到純電動驅動模式時，需要關閉發動機并分離自動離合器。為了避免由于傳遞到傳動軸上的轉矩突然減小引起的沖擊，需要在發動機轉矩下降到一定范圍以后，斷開自動離合器，即

式中：Te為發動機輸出轉矩；Te_low為發動機轉矩下限。

3.3 工作模式切換規則

工作模式切換規則的核心內容是根據由整車需求轉矩、部件工作狀態等信息確定的模式判定條件判斷下一時刻車輛的工作模式，如表4所示，其中Treq為整車需求轉矩，Tm_max為ISG電機電動模式下最大輸出轉矩，ne_min為發動機最低穩定轉速，Te_eco_low為發動機經濟工作區轉矩下限，Te_eco_high為發動機經濟工作區轉矩上限。

表4 基本工作模式及判定條件

隨著運行工況的不斷變化，不同工作模式間進行不斷切換，切換規則見圖7。

圖7 工作模式切換規則示意圖

4 轉矩分配控制策略

軍用ISG混合動力車輛在行駛過程中，整車需求轉矩包括發動機輸出轉矩、ISG電機輸出轉矩以及制動轉矩，其中發動機輸出轉矩大小由加速踏板位置決定，制動轉矩大小由制動踏板位置決定，即

Treq=Te+Tm+Tb。

式中：Tm為ISG電機輸出轉矩；Tb為機械制動轉矩。

當整車需求轉矩較小時，由ISG電機單獨工作以滿足駕駛員需求；當整車需求轉矩較大時，由發動機和ISG電機共同工作以滿足駕駛員需求。根據純電動區間轉矩上限、發動機經濟工作區轉矩上下限對整車需求轉矩在發動機外特性曲線圖上劃分為純電動行駛模式、行車發電模式、發動機單獨驅動模式、ISG電機助力模式(見圖8)。此外，還有起動發動機模式、制動模式、停車模式等輔助工作模式。不同工作模式根據整車需求轉矩、部件工作狀態等信息進行轉換，結合雙動力源的工作特性對它們的輸出轉矩進行合理分配。而ISG電機實際輸出轉矩會受到動力電池輸出功率限制，因此引入電池組SOC修正因子，根據整車需求轉矩和動力電池SOC調整電機轉矩指令。

圖8 轉矩分配模式

1) 純電動行駛模式

ISG電機單獨驅動時，車輛處于純電動行駛模式，整車需求轉矩低于純電動區間上限。整車全部需求轉矩由ISG電機來提供，發動機不輸出轉矩。純電動行駛模式下的轉矩分配為

式中：km(SOC)為ISG電機電動模式下動力電池SOC修正因子。

2) 起動發動機模式

當整車需求轉矩高于純電動區間上限時，需要起動發動機以補充轉矩需求。ISG電機利用自動離合器的結合在很短時間內將發動機拖轉到點火轉速，然后發動機噴油點火，使得發動機直接進入經濟區運轉，這樣可以大幅度降低起動工況下的燃油消耗和污染物排放。起動發動機模式下的轉矩分配為

式中：Te_eco為發動機最佳經濟性轉矩。

3) 行車發電模式

在行車發電工作模式下，整車需求轉矩介于純電動區間上限與發動機經濟工作區下限之間且SOC較低，考慮動力電池SOC的影響分配發動機和ISG電機的輸出轉矩，這樣既可以滿足整車動力性又能夠實現行車發電。此時，發動機工作在經濟工作區，整車需求轉矩由發動機提供，多余轉矩用于帶動ISG電機為動力電池充電，或為車載武器裝備等用電設備提供電力保障。行車發電模式下的轉矩分配為

式中：Tg_min為ISG電機發電模式下最小輸出轉矩；kg(SOC)為ISG電機發電模式下動力電池SOC修正因子。

4) 發動機單獨驅動模式

車輛在發動機單獨驅動時，整車需求轉矩在發動機經濟工作區范圍內，發動機工作效率較高并滿足整車全部轉矩需求，ISG電機不輸出轉矩。發動機單獨驅動模式下的轉矩分配為

5) ISG電機助力模式

在ISG電機助力模式下，整車需求轉矩高于發動機經濟工作區轉矩上限，發動機和ISG電機均無法單獨提供整車全部需求轉矩。電機助力模式以發動機時刻運轉在高效區域為基本原則，電機補充額外轉矩；當電機達到峰值轉矩仍無法滿足整車轉矩需求時，增大發動機輸出轉矩以滿足轉矩需求。ISG電機助力模式下的轉矩分配為

6) 制動模式

當整車需求轉矩小于零時，車輛進入制動模式，采用“再生制動先行，機械制動補充”的制動原則，根據制動需求確定制動模式，發動機不輸出轉矩，ISG電機和制動踏板提供整車需求轉矩。制動模式下的轉矩分配為

ΔT=Treq_w-(-TmnmηT/nw)，

式中：k(v)為速度對制動轉矩分配影響的修正因子；k(a)為加速度對制動轉矩分配影響的修正因子；Treq_w為輪邊需求轉矩；ηT為傳動系統效率；nw為輪速。

7) 停車模式

車輛由減速到停車，發動機和ISG電機均不輸出轉矩。停車模式下的轉矩分配為

式中：Tb_max為最大制動轉矩；p為制動踏板行程。

5 控制規則仿真驗證

為確定所制定控制規則的有效性，以某ISG混合動力車輛為研究對象，建立Cruise-Simulink聯合仿真模型(見圖9)，進行整車控制規則仿真驗證。

●recursion yes，是否允許進行遞歸解析，這里如果是no表示關閉遞歸解析功能，配置文件的默認值為yes，即允許遞歸解析。一般客戶機和服務器之間屬于遞歸查詢，即當客戶機向DNS服務器發出請求后，若DNS服務器本身不能解析，則會向另外的DNS服務器發出查詢請求，得到結果后轉交給客戶機。由于此處僅需要配置一個緩存DNS服務器，這種DNS服務器的特征是僅僅將本地局域網內的所有查詢轉發到其他DNS服務器處理，而自身并不存儲域名數據庫。所以此處必須設置為recursion yes。

圖9 聯合仿真模型

本研究的ISG混合動力車輛是在某軍用越野車輛結構的基礎上對車輛進行改造升級而成的，因此，需要對原傳統車輛模型進行模型精度驗證。通過試驗所測原傳統車輛性能參數對車輛模型進行標定驗證，原傳統車輛的試驗數據和仿真結果對比見表5。從表5可以看出，原傳統車輛性能參數試驗值與仿真值的偏差率均不超過3.00%，在可接受范圍內，表明原傳統車輛模型與實車契合度較高，模型精度滿足要求，進一步驗證了仿真平臺準確可靠，可保證改造升級后的軍用ISG混合動力車輛模型建立、性能研究與控制策略研究的準確性。

原傳統車輛與ISG混合動力車輛的整車性能仿真結果對比見表6。從表6可以看出，與原傳統車輛相比，軍用ISG混合動力車輛的加速性和爬坡性均有很大提升，說明ISG電機對整車起到了加速助力作用，明顯體現出其性能優勢，同時，節油率達30%以上，即整車動力性和經濟性明顯提升。

表5 原傳統車輛模型仿真與試驗結果對比

表6 整車性能仿真結果對比

軍用ISG混合動力車輛性能指標應滿足未來戰場需求，但是缺少戰時行駛工況的相關性資料，因此，采用FTP75循環工況模擬城市工況，Highway循環工況模擬高速工況，Artemis_Road All_other_cases循環工況來模擬作戰地域行駛工況，最終構建的組合循環工況為FTP75+Highway+Artemis_Road All_other_cases(FHA)(見圖10)。以該工況模擬軍用車輛在接到命令之后從城市出發，途徑高速公路，最終到達指定地域遂行作戰任務，全程50.56 km。

圖10 循環工況

按照構建的FHA循環工況進行整車控制規則驗證，控制規則仿真結果見圖11至圖14。

在構建的FHA循環工況下，車速跟隨情況見圖11。從圖11可以看出，期望車速曲線與實際車速曲線基本重合，說明在當前工況下車輛具有較好的車速跟隨性，車速波動較小。結果表明聯合仿真模型對實際車速的控制滿足設計要求，保證車輛具有較好的平順性和穩定性，即提出的控制規則是可行的。

圖11 循環工況下車速跟隨曲線

圖12 轉矩分配控制策略仿真結果

整個循環工況中動力電池SOC的變化情況見圖13。由于初始SOC較低，ISG電機多工作在發電模式為動力電池充電，SOC值逐漸增大，并保持在充放電門限值范圍內，充電過程穩定，這樣既利于延長動力電池的使用壽命，又可以滿足車輛純電動、起動發動機以及ISG電機助力等電動工作模式需求。

圖13 動力電池SOC變化曲線

發動機工作點分布情況見圖14。結果表明，本研究所設計的控制規則優化了發動機運行工況，使得發動機大部分工作點均分布在經濟工作區內，具有較好的控制效果。

圖14 發動機工作點分布

6 結束語

針對當前移動式供電技術存在的不足，并且為了滿足未來戰爭對武器裝備平臺提出的新要求，提出了一種基于移動式供電技術的ISG混合動力系統的集成化方案，該方案繼承了原有移動式發電車的優勢外，還充分發揮了ISG系統的潛力，實現了混合動力功能。

動力電池CD運行模式保證了動力電池SOC保持在合理范圍內，且ISG電機的轉矩根據SOC值的變化進行實時調整，改善了SOC值；發動機經濟工作區轉矩跟隨控制策略保證了發動機工作在高效區域，實現了對發動機運行工況的優化。

提出的模式切換控制策略涵蓋了混合動力車輛的所有工作模式，通過自動離合器的控制實現了純電動工作模式和發動機參與工作模式之間的切換；轉矩分配控制策略根據駕駛員的轉矩需求較好地協調了發動機和ISG電機之間的轉矩分配，達到了預期的控制效果，表明控制規則切實有效。

在整車性能方面，與原傳統車輛相比，軍用ISG混合動力車輛加速性和爬坡性均有較大提升，節油率達30%以上。結果表明，在電機功率有限的情況下，本研究提出的控制規則提高了整車的動力性和燃油經濟性。