直驅混聯式混合動力客車控制策略的開發與驗證

趙瀚墨

摘要：混合動力汽車的推廣是汽車工業在未來面臨能源短缺和應對溫室氣體排放使全球氣溫升高的有效途徑，本文針對某直驅混聯式混合動力城市客車，開發了其整車能量管理策略，基于MATLAB/Simulink軟件平臺和AUTOSAR架構，搭建了整車控制軟件模型，通過實車道路試驗，驗證了所開發的整車控制策略的有效性。

關鍵詞：直驅混聯式混合動力客車;整車控制策略;AUTOSAR架構;實車道路試驗

0 ?引言

整車能量管理策略的開發是混合動力客車節能技術的關鍵。要保證車輛高效運行，須對整車工作模式進行合理劃分，以使能量能在關鍵部件之間進行合理分配和流動。變速箱在車輛動力系統結構中，體積會影響到大扭矩的轉遞，其故障率直接關系到車輛的使用。目前國內有ISG插電式混合動力客車采用同軸直驅方式無變速箱結構，不僅結構優化，其整車策略可使油耗降低40%以上。與插電式混合動力客車不同的是本文發動機和TM電機同為主要驅動源，ISG為助力電機，使發動機工作在最優工作區，將整車工作模式根據蓄電池和車速及整車的需求不同而進行細分實現更合理的扭矩分配策略，使能量在動力源之間達到快速的平衡。

1 ?直驅混聯式混合動力客車動力系統結構

混合動力客車動力系統采用P1+P2（P1/2）直驅混聯結構方案，如圖1所示，其結構特點為：驅動系統采用較小功率的發動機，沒有變速箱;ISG電機轉子與發動機曲軸直接相連，驅動電機空套在自動離合器的輸出軸上，其輸出與電機減速器的輸入齒輪連接，并通過減速器的輸出齒輪與發動機的輸出相耦合[1]。采用電磁離合器（齒嵌式）;并裝配大容量動力電池。

2 ?整車控制策略開發

直驅混聯式混合動力客車具有3個動力源，因此為了解決混合動力汽車多動力源所引起的模式切換和功率分配，需要引入整車控制系統對能量流進行合理的分配。以實現混合動力電動汽車要達到的目標。一般來說，整車控制策略應達到幾個主要設計目標[2]：

①使燃油經濟性最優;

②使排放最低;

③為了保持整車價格能夠被市場接受，使驅動系統的成本最小化;

④實現以上三點的同時，保證整車的性能。

2.1 工作模式劃分

車輛運行時，不同運行工況下由于外界環境及駕駛員需求的不同，動力系統零部件需要工作在不同的狀態，為此將整車驅動工作模式劃分為純電動、串聯和并聯等工作模式，如圖2所示，圖中也標注了不同模式下的能量流動。

串聯模式：如圖2a，發動機和ISG電機可作為一個發電機組，來驅動TM電機發出扭矩使車輛行駛，能量流動路線為：發動機+ISG電機—TM電機—驅動輪。

純電動模式1：如圖2b，一般用處于汽車起步、低速等輕負載工況，且電池電量可以滿足電機驅動需求時，使用純電模式，能量流動路線為：蓄電池—TM電機—驅動輪。

純電動模式2（ISG ON）：如圖2c，車輛處于起步，低速等輕負載工況時，且駕駛員需求超過TM單獨驅動，需要啟動ISG與TM共同驅動，此時BMS有充足的能量保證雙電機工作;能量流動路線為：蓄電池—TM電機+ISG電機—驅動輪。

混合驅動模式：如圖2d，車輛處于中負荷時，僅由蓄電池提供能量驅動車輛已不能滿足需求，需要啟動發動機，與TM電機共同提供轉矩驅動車輛行駛能量流動路線為：蓄電池—TM電機—驅動輪+發動機—驅動輪。

全驅動模式：如圖2e，車輛處于高負荷時，如果混合驅動不能滿足當前駕駛員的驅動需求，在蓄電池電量容許下，蓄電池提供能量給ISG電機和TM電機驅動車輪，同時發動機工作在經濟區提供驅動轉矩，來滿足車輛高負荷的要求。

驅動發電模式：如圖2f，車輛處于高負荷時，如果混合驅動不能滿足當前駕駛員的驅動需求，在蓄電池電量容許下，蓄電池提供能量給ISG電機和TM電機驅動車輪，同時發動機工作在經濟區提供驅動轉矩，來滿足車輛高負荷的要求;能量流動路線為：發動機—驅動輪—發電機—蓄電池。

純發動機模式：如圖2g，此模式下當駕駛員的需求正好在發動機經濟區域內，或者SOC過低不能給TM電機提供能量驅動車輛，可由發動機單獨工作驅動車輪。此時的能量流動路線為：發動機—驅動輪。

制動能量回收模式：如圖2h所示，混聯式混合動力客車減速或制動時，只有電機輸出負力矩，給蓄電池充電。這是混合動力汽車相對于傳統汽車的一個比較大的優勢，能量流動路線為：驅動輪—TM電機（發電機）—蓄電池組。

2.2 模式切換條件及切換過程

制定了整車工作模式之后，需要根據整車及零部件工作狀態及系統輸入如車速、動力電池SOC、踏板開度來判斷系統應進入哪種工作模式，以便為不同模式下的扭矩分配奠定基礎。（表1）

其中SOC1<SOC2<SOC3;V1<V2<V3<V4。

當蓄電池SOC低于SOC1時，低車速下對驅動力矩要求低，可在串聯模式，發動機給蓄電池充電，當車速升高時，可退出串聯如純發動機驅動;

當蓄電池SOC處于（SOC1，SCO2）區間時，車速很低可考慮純電TM驅動車輛，當車速升高，為了保護SOC以免迅速下降，可進入純發動機工作模式，車速繼續升高車輛進入混動模式，當車速升高至最大，則車輛進入全驅模式;

當蓄電池大于SOC3時，中低車速都可用純電驅動，車速升高至中高車速時可以使用混合驅動和全驅，既能保證發動機工作在最優工作點，又能保證整車的高性能。

工作模式間的切換需要考慮離合器狀態、發動機狀態變化（包括發動機起動停機過程）。車輛起步可分為純電、串聯和并聯等起步方式，其中串聯和純電起步時離合器是斷開的，并聯起步時離合器需要結合。發動機起動也有兩種方法，一種是由ISG起動發動機，另一種方法由起動機起動，兩種起動方式下離合器狀態都是分離的，起動完成后保持離合器分離狀態。

2.3 不同工作模式下扭矩分配及其實現

2.3.1 純電動模式下的扭矩分配

為純電動模式下驅動車輪的力矩由TM電機或TM電機加ISG一起提供，能量源為蓄電池。如圖3所示，根據踏板解析出的需求力矩，如果需求扭矩不超過TM電機的最大能力，可由TM電機單獨提供動力。車輛工作在純電動TM單獨驅動模式。如果需求扭矩已經超過了TM電機可以提供的最大能力，可以判斷此時的需求扭矩是否小于TM電機和ISG電機的扭矩之和同時ISG有部分能力可帶動發動機怠速工作，由于空調壓縮機是需要發動機帶動工作的，所以在ISG工作時要考慮到空調是否可以使能。此刻工作在純電動ISG助力模式;如果不是，則需要TM電機和ISG電機共同驅動車輛。

2.3.2 并聯模式下的扭矩分配

并聯模式下，首要考慮到整車的燃油經濟性和排放性能，保證發動機工作在最優區間。并聯模式下包含了混合驅動模式即ISG不工作，發動機與TM驅動車輛，全驅動為ISG也和發動機，TM電機一起工作;純發動機工作和驅動發電模式。在并聯模式的扭矩分配原則里，根據扭矩需求與發動機扭矩，TM電機扭矩，ISG電機扭矩做比較，將這些模式劃分為放電模式，充電模式，放電模式和充放電模式。

放電模式下的扭矩分配如圖4所示，始終保持發動機工作在最優工作區間內部，調節TM電機扭矩及ISG電機扭矩滿足需求扭矩以保持扭矩鏈的平衡。

充電模式下扭矩分配同樣以發動機輸出最優扭矩為基礎，判斷TM電機扭矩和ISG扭矩的負扭矩值，如圖5所示。

充放電模式時，主要考慮發動機是否為了滿足駕駛需求工作在最優工作區內，輸出最優區間的扭矩值，降低整車的燃油經濟性，其扭矩需求分配如圖6所示。

3 ?基于Autosar軟件架構的整車控制軟件開發

基于Autosar架構的整車控制軟件如圖7所示，包括功能模塊、故障診斷與安全監控等功能模塊。通過運用Autosar軟件架構實現子功能模塊的邏輯算法，將整車基本功能、診斷功能及安全監控功能分別運用SWC實現[3]，SWC中軟件部件內部根據子功能劃分為多個runnables，在BSW中的OS內部實現調度以符合ASPICE流程中的SWE2軟件架構及SWE3的功能要求。

運用Matlab/Simulink進行不同模式下扭矩分配策略的建模實現，如圖8所示。

由Stateflow實現工作模式的切換。在D檔時整車的模式可分為純電模式、純電助力模式、串聯模式和并聯模式，每種模式的進入和退出條件主要考慮蓄電池SOC、車速和駕駛員的需求力矩，表1工作模式劃分可作為參照條件。（圖9）

4 ?控制策略實車驗證

運用前文所開發的整車控制策略，對樣車在在通州交通部試車場按照國家標準進行了中國典型城市公交工況的試驗，整車控制器未出現任何故障。以下選取幾個典型的工況來驗證整車控制策略的有效性。

4.1 純電動模式下測試結果及分析

如圖10，純電模式下的扭矩輸出與反饋可以看出，在工作模式為單獨由TM電機驅動車輛的純電模式時，車輛車速為1-13km/h，穩態純電動模式標志為1，發動機的摩擦力矩為-39N，ISG電機的扭矩為0，TM電機的輸出扭矩與電機反饋的扭矩一致。此工況的工作條件與能量管理中工作模式劃分的純電動TM電機驅動的條件相吻合。

4.2 并聯模式下結果及分析

圖11為并聯充放電模式下的實驗數據，當工作模式為并聯充放電模式時，發動機一部分扭矩用來驅動車輛，另一部分扭矩帶動ISG電機給蓄電池充電，TM電機也輸出負扭矩給蓄電池充電。由數據可以看出并聯模式的標志為1，發動機的輸出扭矩為508N，發動機的回饋扭矩為264N，剩余的用于帶動ISG發電，TM電機的驅動扭矩為-191N，回饋扭矩為-181N。

4.3 能耗優化

在做城市公交工況測試時，第一輪測試結果氣耗可以達標，但是排放較高，為了優化整車策略，將排放降下來。將發動機最優經濟區的工作點由1000轉提高到2000轉后對工作模式的劃分進行調整優化，主要是將SOC2與速度V3對應的工作模式由純發動機驅動調整為發動機與TM電機共同驅動。第二輪測試結果氣耗結果稍微增加了，但是排放下降較多。可以選用第二種方案作為整車控制策略，結果如表2所示。

5 ?結論

針對某直驅混聯式混合動力城市客車，開發了其整車能量管理策略，基于MATLAB/Simulink軟件平臺和AUTOSAR架構，搭建了整車控制軟件模型，并進行了實車驗證，驗證結果表明，整車的排放較高，將整車控制策略的發動機最優工作區及工作模式條件調整后，經過測試得到雖然氣耗有一點超標，但是排放下降很多，不僅驗證了整車策略還優化了整車的排放性能。

參考文獻：

[1]王磊，張勇，殷承良.混聯式混合動力客車整車控制系統的開發術[J].上海：汽車工程，2012.

[2]SCHOUTEN J，SALMAN A.A Fuzzy Logic Control for Parallel Hybrid Vehicles[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2002，10（3）：460-468.

[3]陳海蘭.基于AUTOSAR規范的嵌入式實時操作系統設計與實現[D].上海：復旦大學，2013.