基于Cruise的ISG混合動(dòng)力中型卡車能量分配策略研究

周建剛，張明凱，魏 超

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

隨著已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化國家的不斷發(fā)展和新興國家的工業(yè)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(jià)格不斷上漲，因此節(jié)能和環(huán)保成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵課題，也是汽車企業(yè)未來的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。如何減少燃油消耗和降低排放，對(duì)當(dāng)前的汽車企業(yè)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(yè)已將研發(fā)節(jié)能新能源汽車納入企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中，許多汽車公司已經(jīng)有成熟的新能源汽車投放市場(chǎng)，尤其是混合動(dòng)力車（包括乘用車和商用車）獲得了市場(chǎng)的普遍認(rèn)同和接受?；旌蟿?dòng)力車由于有著較低成本、較高的可靠性和實(shí)用性，在可以預(yù)見的時(shí)期內(nèi)是節(jié)能減排的必經(jīng)之路?；旌蟿?dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能主要靠四個(gè)方面：發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、車身輕量化、能量回饋和怠速停機(jī)?；旌蟿?dòng)力車包括輕度、中度和深度混合三種技術(shù)層次。輕度、中度混合動(dòng)力汽車，主要靠怠速停機(jī)功能來達(dá)到節(jié)油目的。其中，輕度混合動(dòng)力可基本不改變發(fā)動(dòng)機(jī)，中度只需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做有限的改動(dòng)。

ISG（integrated-starter-generator）柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)屬于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，ISG電機(jī)集起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機(jī)、加速助力、行車充電等功能，可以有效的調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，是一種輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)相比傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)改動(dòng)較小，同時(shí)成本增加也較小，是各個(gè)廠商經(jīng)常采用的方案，因而研究其能量分配策略也具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文研究的對(duì)象是以一款短途運(yùn)輸車為基礎(chǔ)車的ISG混合動(dòng)力中型卡車，分析了整車能量分配算法和策略，并進(jìn)行了仿真分析。

1 ISG混合動(dòng)力的技術(shù)方案

在基礎(chǔ)車上，將ISG電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端，ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子前端與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接盤聯(lián)結(jié)，后端安裝飛輪及離合器，取消原有的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，成為ISG混合動(dòng)力車輛。ISG系統(tǒng)中采用開關(guān)磁阻電機(jī)，使用140 ps發(fā)動(dòng)機(jī)加ISG電機(jī)的結(jié)構(gòu)代替原來的180 ps發(fā)動(dòng)機(jī)?；A(chǔ)車與改裝為ISG混合動(dòng)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(jī)控制器（MCU）和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（EECU）進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)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(hào)外，最重要的任務(wù)是解決發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)間的能量分配問題。能量分配策略一般采用規(guī)劃分配優(yōu)化的方法，具體可分為以下兩種：靜態(tài)能量分配控制，即采用查能量分配表進(jìn)行控制的方法；動(dòng)態(tài)能量分配控制，即采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配的控制方法，根據(jù)各模塊的狀態(tài)和駕駛員指令進(jìn)行一定的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)車輛的能量流動(dòng)分配。

本文采用一種基于邏輯門限值的動(dòng)態(tài)能量分配策略，首先根據(jù)駕駛員油門請(qǐng)求和瞬時(shí)車速來判斷車輛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制；然后根據(jù)駕駛員油門請(qǐng)求和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速確定整車需求轉(zhuǎn)矩；最后結(jié)合電池荷電狀態(tài)SOC（state of charge）、整車需求轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)或ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速（兩者相等）、車輛起停信號(hào)等進(jìn)行扭矩分配，保證車輛動(dòng)力需求的同時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)性區(qū)間。

2 能量分配策略及混合動(dòng)力車輛建模

2.1 能量分配策略

混合動(dòng)力卡車工況一般限于城市工況，用于短途物流運(yùn)輸，工況定義為實(shí)際采集的某城市工況。

ISG柴油混合動(dòng)力中型卡車采用140 ps柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和35 kW的ISG電機(jī)替換原180 ps發(fā)動(dòng)機(jī)，基礎(chǔ)車型和ISG混合動(dòng)力車型的主要參數(shù)見表1。

表1 基礎(chǔ)車型和ISG混合動(dòng)力車型的主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)總成外特性見圖3、圖4。

能量分配策略以綜合優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放為目標(biāo)來確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳輸出轉(zhuǎn)矩。由于發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放性能是互相制約的平衡關(guān)系，很難做到油耗和排放性能同時(shí)最優(yōu)。因此本文的能量分配策略以實(shí)現(xiàn)最小燃油消耗為主要目標(biāo)，適當(dāng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的排放優(yōu)化問題。以下從三個(gè)方面進(jìn)行分析開發(fā)混合動(dòng)力中型卡車能量分配策略。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

由于基礎(chǔ)車只有發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)動(dòng)力源，因此后橋速比必須選得較大，且換擋轉(zhuǎn)速較高才能保證足夠的驅(qū)動(dòng)力。采用ISG混合動(dòng)力方案后，由于有了電機(jī)的輔助，在低速段，電機(jī)可以提供很大的扭矩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輔助，發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速也可以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行換擋，可以保證整車有很好的的經(jīng)濟(jì)性。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)

電機(jī)助力區(qū)確定方法：以上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，相當(dāng)于沒有使用發(fā)動(dòng)機(jī)油耗較高的高功率區(qū)域，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷比基礎(chǔ)車的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷超過一定限值時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行助力，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)的中間扭矩線作為電機(jī)助力的觸發(fā)線，超過該扭矩線則電機(jī)助力。

電機(jī)發(fā)電區(qū)設(shè)定方法：在ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電池相當(dāng)于一個(gè)緩沖池，以電能的形式存儲(chǔ)和釋放能量。其電能的來源有兩個(gè)，一是發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，將一部分燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能；另一種是通過制動(dòng)能量回收蓄積一部分電能。從圖4可以看出，ISG電機(jī)發(fā)電功率較小 （15 kW），制動(dòng)能量回收有限；同時(shí)，由于ISG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪剛性連接，制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)消耗了部分制動(dòng)能量。因此，混合動(dòng)力車輛要實(shí)現(xiàn)節(jié)能，首先要保證從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量能經(jīng)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(dòng)能量回收，從最小功率損失的角度出發(fā)，對(duì)充放電效率進(jìn)行探討。

在ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電能的循環(huán)過程為：動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出→離合器→電機(jī)（發(fā)電）→電池→電機(jī)（電動(dòng)）→離合器2→變速箱。從變速箱開始后面的動(dòng)力傳輸過程與常規(guī)車輛相同，與混合動(dòng)力無關(guān)，在此就不關(guān)注了。通過對(duì)動(dòng)力傳遞過程“→電機(jī)（發(fā)電）→電池→電機(jī)（電動(dòng)）→”中的效率與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)的效率進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出合適的油電轉(zhuǎn)換區(qū)間，從而可以得到在任意瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩分配關(guān)系。

根據(jù)以上原則制定了某一時(shí)刻混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)間見圖5。

3）怠速停機(jī)控制

當(dāng)車輛處于怠速狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于整車行駛和運(yùn)輸里程毫無意義。因此，這段時(shí)間的油耗完全可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)節(jié)省下來，根據(jù)實(shí)際車速和駕駛員油門踏板信號(hào)來判斷車輛是否需要停機(jī)。

2.2 系統(tǒng)建模

綜合以上幾點(diǎn)，在Matlab/Simulink中搭建了混合動(dòng)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(jìn)行了連接，模型編譯設(shè)置如圖6所示，選擇針對(duì)Matlab自帶的lcc編譯器的編譯模板進(jìn)行編譯，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為Cruise計(jì)算步長(zhǎng)的1/20，關(guān)于Matlab與Cruise的接口配置方法在此不再贅述。

對(duì)Cruise的換擋策略和主減速比進(jìn)行更改后，完整的混合動(dòng)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(duì)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，分析結(jié)果如下。

3.1 總體結(jié)果對(duì)比

表2中第一項(xiàng)失效時(shí)間是指實(shí)際車速超出目標(biāo)車速誤差范圍的時(shí)間，這段時(shí)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(shù)據(jù)分析來看也是完全可以接受的，對(duì)整個(gè)計(jì)算結(jié)果沒有實(shí)質(zhì)影響。

表2 基礎(chǔ)車型-ISG車型計(jì)算結(jié)果對(duì)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(shí)際上是由于在計(jì)算過程中，車速是一個(gè)動(dòng)態(tài)控制的過程，兩種車型計(jì)算時(shí)的整車模型有很大不同，車速控制不可能完全一致而導(dǎo)致工況運(yùn)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(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的節(jié)油率也不同。但是差別不大，我們?cè)谝韵碌挠懻撝幸钥傆秃牡挠?jì)算結(jié)果為準(zhǔn)進(jìn)行分析。

表2顯示，采用ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的樣車在工況分析中實(shí)現(xiàn)了降低油耗的目標(biāo)，節(jié)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(jī)、加速助力，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷輸出功減少，故均實(shí)現(xiàn)了節(jié)油；等速情況下由于電機(jī)發(fā)電導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加，故此時(shí)反而耗油多。從表2最后一列來看，怠速停機(jī)提供了3.76%的節(jié)油率，占總節(jié)油效果的80.34%，行駛工況（加速、等速、減速）的節(jié)油率為0.92%?？傮w上不僅克服了油電轉(zhuǎn)化的效率損失，而且提供部分節(jié)油貢獻(xiàn)，說明制定的控制策略是合理的。

同時(shí)，整車排放中一氧化碳和碳?xì)浠衔锩黠@降低，但是氮氧化物增加17.81%，這是控制策略對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷調(diào)整的結(jié)果，從后文發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的分布可以得到驗(yàn)證。后期可考慮增加后處理設(shè)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(fā)動(dòng)機(jī)低速及起停工況的排放數(shù)據(jù)，在仿真計(jì)算過程中這部分排放數(shù)據(jù)輸出為0，實(shí)際上該區(qū)間為高排放區(qū)，本策略通過電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)的這個(gè)高排放區(qū)，對(duì)排放有一定好處。

3.2 電池荷電狀態(tài)（SOC）比較

從圖7可以看出，在車輛需求扭矩較低時(shí)，電機(jī)發(fā)電；車輛需求扭矩較高時(shí)，電機(jī)助力。仿真起始SOC為60%，仿真結(jié)束時(shí)SOC為60.116%，基本保持與初始SOC值一致。保持SOC平衡對(duì)混合動(dòng)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(qū)間工作，對(duì)電池的性能和壽命都是有益的?？紤]到車輛停止時(shí)電池會(huì)存在自放電導(dǎo)致SOC下降，因此，略高的SOC也有利于下次車輛啟動(dòng)時(shí)SOC在正常水平上。比較可貴的是，在總體節(jié)油的情況下，SOC略有增加，說明控制策略確實(shí)是充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的高效區(qū)。

3.3 工況車速跟隨情況

從圖8可以看出，在整個(gè)工況中，車速總體跟隨良好，僅在車速42 km/h以上加速時(shí)，有少許部分實(shí)際車速略低于目標(biāo)車速，但是加速終了時(shí)與目標(biāo)車速保持一致，而且車輛實(shí)際加度波動(dòng)更小，加速過程更加平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)更小，在實(shí)際使用中應(yīng)該更加經(jīng)濟(jì)?？傮w上，可以認(rèn)為車輛駕駛性能良好，能夠滿足駕駛員的動(dòng)力需求。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

由圖9及圖10可以看出，基礎(chǔ)車為了保持充足的后備功率，因此換擋區(qū)間比較大，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分散，360 Nm（負(fù)荷為60%）以上區(qū)域僅占總運(yùn)行時(shí)間的8%，高負(fù)荷區(qū)的實(shí)際利用率并不高。而采用ISG方案的混合動(dòng)力系統(tǒng)后，優(yōu)化了換擋區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)都集中在經(jīng)濟(jì)區(qū) （1 000～1 600 r/min之間），同時(shí)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率。同等情況下，高負(fù)荷（60%）區(qū)占15%，發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)利用率提高；此外在低負(fù)荷區(qū)，基礎(chǔ)車型大部分運(yùn)行點(diǎn)都集中在此區(qū)間，而ISG車型則較少集中于此區(qū)間，而是更多的分布于中等負(fù)荷區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)間得到明顯優(yōu)化改善。綜上，可以認(rèn)為控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的調(diào)整效果較好。

3.5 起停控制結(jié)果分析

由圖11可以看出，車輛運(yùn)行過程中，起停開關(guān)保持在開（起停開關(guān)值為1）的狀態(tài)；在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，起?？刂崎_關(guān)準(zhǔn)確的關(guān)閉 （起停開關(guān)值為0）；起?？刂茰?zhǔn)確的判斷了車輛狀態(tài)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停機(jī)功能正確，從而貢獻(xiàn)了占總體80%節(jié)油效果。

3.6 扭矩分配結(jié)果分析

從圖12可以看出，在怠速狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，輸出扭矩為0；在車輛扭矩較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行充電；在車輛需求扭矩較高時(shí)，電機(jī)進(jìn)行助力。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩一直保持在中高負(fù)荷狀態(tài)。而由于Cruise對(duì)油門是反饋控制的，在部分情況下車輛加速度波動(dòng)加大，引起車輛需求扭矩波動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)在電動(dòng)和發(fā)電之間快速波動(dòng)?？傮w上，可以認(rèn)為扭矩分配策略是比較合理的。

4 結(jié)論

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例，采用Matlab/Simulink建立控制模型，開發(fā)了基于邏輯門限值的ISG混合動(dòng)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(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，采用ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的中型卡車實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)油效果，并且保證了電池SOC平衡，車輛動(dòng)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(jì)算中，也存在一些不足，如目前的控制策略中沒有考慮制動(dòng)能量回收，沒有考慮電機(jī)和電池溫度特性，以及電機(jī)在不同工況下的波動(dòng)特性優(yōu)化等，將在后續(xù)的工作中對(duì)進(jìn)行研究分析。

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