新型混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)控制與仿真研究

陳 亮， 朱 浩， 楊 林， 閆 斌， 胡艷青

(1.湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410082；2.上海交通大學(xué)汽車(chē)電子技術(shù)研究所，上海200240)

新型混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)控制與仿真研究

陳 亮1， 朱 浩1， 楊 林2， 閆 斌2， 胡艷青2

(1.湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410082；2.上海交通大學(xué)汽車(chē)電子技術(shù)研究所，上海200240)

以新型混合動(dòng)力客車(chē)為對(duì)象，通過(guò)對(duì)各個(gè)部件的特性以及工作中相互影響進(jìn)行分析，確立了單電機(jī)純電模式、串聯(lián)模式、雙電機(jī)純電模式、混聯(lián)模式下的整車(chē)控制策略，并在相關(guān)參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，在中國(guó)典型城市公交循環(huán)下對(duì)該混合動(dòng)力整車(chē)控制器進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真測(cè)試，結(jié)果表明各模式下的整車(chē)控制策略是有效、可靠的，同時(shí)也證明了相比傳統(tǒng)客車(chē)，新型混合動(dòng)力客車(chē)在該控制策略下有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

混合動(dòng)力；客車(chē)；控制策略；硬件在環(huán)

隨著溫室效應(yīng)和環(huán)境污染的加劇，一些排放法規(guī)的制定需要車(chē)輛在排放方面有技術(shù)上的革新。但是，常規(guī)內(nèi)燃機(jī)固有的特性限制了其進(jìn)一步發(fā)展。近年來(lái)，混合動(dòng)力車(chē)輛的迅速發(fā)展已經(jīng)在燃油經(jīng)濟(jì)性和減排方面證明了自己的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被認(rèn)為是公路交通主要的替代車(chē)輛之一。

多個(gè)元件的協(xié)調(diào)工作一方面提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，一方面也增加了控制難度，如果要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制，需要一個(gè)可靠的整車(chē)控制器(HCU)進(jìn)行規(guī)劃。一般車(chē)輛的實(shí)時(shí)控制基于規(guī)則控制，基線控制和最小值原理[1]的能量管理方法在并聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)中取得了良好的控制效果，而等熵控制在串聯(lián)式混合動(dòng)力具有良好的魯棒性。

本文通過(guò)分析新型混合動(dòng)力客車(chē)整車(chē)架構(gòu)及其部件特性，使得新型混合動(dòng)力客車(chē)在控制方面有更多的自由度，且在運(yùn)行中具有并聯(lián)、串聯(lián)等四種不同的驅(qū)動(dòng)模式，制定了不同驅(qū)動(dòng)模式之間的切換條件及各個(gè)模式下的能量管理策略，并通過(guò)整車(chē)控制器的硬件在環(huán)仿真測(cè)試驗(yàn)證了整車(chē)控制策略的可靠性以及該控制策略下整車(chē)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

混合動(dòng)力客車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的混合動(dòng)力客車(chē)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中發(fā)動(dòng)機(jī)ICE、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)ISG、驅(qū)動(dòng)電機(jī)TM組成了整車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力源燃油和電源存儲(chǔ)系統(tǒng)—電池組、電控離合器、行星齒輪系、AMT自動(dòng)換擋耦合器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)輪等構(gòu)成了車(chē)輛的多元傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 四?；旌蟿?dòng)力總成及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU來(lái)協(xié)調(diào)和控制，控制器DMCM1和DMCM2分別控制電動(dòng)/發(fā)電機(jī)ISG和驅(qū)動(dòng)電機(jī)TM。電池管理系統(tǒng)BMS主要負(fù)責(zé)檢測(cè)電池實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括電池的SOC、電壓、電流、溫度以及充放電效率等。電控離合器決定著發(fā)動(dòng)機(jī)是否參與車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)，AMT換擋機(jī)構(gòu)決定著系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)鏈的選擇。整個(gè)系統(tǒng)的控制器HCU負(fù)責(zé)接收各控制器的反饋信號(hào)，并通過(guò)整車(chē)控制策略對(duì)各個(gè)控制器發(fā)出控制指令，協(xié)調(diào)整車(chē)各部件的工作。它們之間通過(guò)CAN總線的形式或AD/DA數(shù)據(jù)傳遞形式進(jìn)行通訊，以達(dá)到控制整車(chē)的目的。

1.1 行星齒輪系

行星齒輪系是作為一個(gè)功率分流裝置存在的機(jī)械結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 行星齒輪系

整個(gè)行星齒輪系由齒圈、太陽(yáng)輪、行星架以及幾個(gè)行星輪組成，由圖1可知，行星齒輪系的齒圈、太陽(yáng)輪、行星架分別連著ISG、TM以及尾軸，它們之間通過(guò)齒輪齒連接，齒圈的轉(zhuǎn)速、太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速與行星架的轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

1.2 電控離合器

新型整車(chē)動(dòng)力結(jié)構(gòu)中電控離合器處于發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)中間，其結(jié)合與斷開(kāi)直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)是否參與動(dòng)力輸出，當(dāng)電控離合器斷開(kāi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可處于空轉(zhuǎn)或停機(jī)狀態(tài)，而不能參與整車(chē)的動(dòng)力輸出。電控離合器的結(jié)合與斷開(kāi)狀態(tài)主要受整車(chē)控制器HCU控制，HCU通過(guò)判斷電控離合器泵行程傳感器的AD采樣值的范圍，從而識(shí)別電控離合器實(shí)際的結(jié)合與斷開(kāi)狀態(tài)。

1.3 AMT換擋器

AMT換擋器由步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器來(lái)對(duì)檔位進(jìn)行切換，目標(biāo)檔位由HCU根據(jù)整車(chē)速度與需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行自動(dòng)判斷，本文中AMT包含一擋、二擋兩個(gè)驅(qū)動(dòng)擋位以及空擋，AMT的擋位切換狀態(tài)如圖3所示，0、1、2分別代表整車(chē)空擋、一擋、二擋的擋位狀態(tài)，整車(chē)擋位從一擋到二擋或從二擋到一擋的切換過(guò)程必須經(jīng)過(guò)空擋的過(guò)渡，這是由AMT本身的結(jié)構(gòu)決定的，而這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是當(dāng)擋位處于空擋時(shí)整車(chē)各動(dòng)力部件如發(fā)動(dòng)機(jī)，ISG或TM之間可進(jìn)行短暫的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，從而避免擋位直接切換帶來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)間的沖擊。

圖3 整車(chē)擋位切換狀態(tài)

2 HCU控制器的軟件設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力控制策略應(yīng)該具有一定的廣泛性，魯棒性和可擴(kuò)展性。一般控制器的執(zhí)行函數(shù)主要包括兩種：基于規(guī)則的協(xié)調(diào)控制函數(shù)；開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的計(jì)時(shí)器控制。依靠這兩種執(zhí)行函數(shù)協(xié)調(diào)各個(gè)元件的運(yùn)行來(lái)最小化燃油消耗和維持SOC在一定的范圍波動(dòng)。本文研究的混合動(dòng)力客車(chē)的整車(chē)有純電狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)兩種狀態(tài)，由于驅(qū)動(dòng)鏈分為兩個(gè)檔位，所以車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)模式總結(jié)為四種：?jiǎn)坞姍C(jī)純電模式、雙電機(jī)純電模式、串聯(lián)模式以及混聯(lián)模式，不同模式下對(duì)應(yīng)的動(dòng)力源和各動(dòng)力部件狀態(tài)如表1所示，各模式之間的切換關(guān)系如圖4所示。

表1 不同模式下整車(chē)各動(dòng)力部件的匹配關(guān)系

圖4 不同驅(qū)動(dòng)模式的切換狀態(tài)

在已經(jīng)給定的四個(gè)模式，每個(gè)元件的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)尾軸的轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可能都適合兩個(gè)以上的控制模式，這樣每個(gè)模式就是需要控制的一個(gè)額外自由度。發(fā)動(dòng)機(jī)的起停主要由當(dāng)前的SOC狀態(tài)決定，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)可以節(jié)省不必要的怠速油耗。尤其是相對(duì)于插電式車(chē)輛，更多的純電驅(qū)動(dòng)時(shí)間意味著更大的燃油經(jīng)濟(jì)性。兩個(gè)檔位的選擇是由當(dāng)前檔位驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力性，驅(qū)動(dòng)效率和驅(qū)動(dòng)能力決定的。在模式的選擇中，需要有一定的標(biāo)準(zhǔn)使控制器可以自動(dòng)決定選擇合適的模式，一般都是通過(guò)每個(gè)模式下的目標(biāo)代價(jià)函數(shù)決定：

當(dāng)前可以計(jì)算每個(gè)運(yùn)行模式下的目標(biāo)函數(shù)，在當(dāng)前的尾軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速情況下，可替換的檔位的目標(biāo)值如果低于當(dāng)前的目標(biāo)值，就可以通過(guò)改變運(yùn)行模式來(lái)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。為了避免車(chē)輛行進(jìn)中模式頻繁的切換，在各個(gè)模式經(jīng)濟(jì)性的比較中，切換的目標(biāo)模式經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)大于當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)性；對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩需求有一定的預(yù)測(cè)性；通過(guò)計(jì)時(shí)器保證模式的運(yùn)行時(shí)間。

2.1 單電機(jī)純電策略

單電機(jī)純電模式主要消耗電能，在這種模式下，電機(jī)可以對(duì)輪邊提供較高的扭矩。因此，單電機(jī)純電模式一般選擇在電池SOC較高且整車(chē)處于低速或起步狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電機(jī)的控制方式相當(dāng)于常規(guī)車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，整車(chē)尾軸與TM電機(jī)之間滿足關(guān)系：

2.2 串聯(lián)模式策略

該串聯(lián)模式下，整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩仍由TM電機(jī)提供，所以TM電機(jī)的控制方式仍為轉(zhuǎn)矩控制，且TM的轉(zhuǎn)矩與整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系同單電機(jī)純電情況。當(dāng)整車(chē)電池SOC低于設(shè)定的門(mén)限值，但不需要行車(chē)充電時(shí)，為了保護(hù)電池防止電池過(guò)放導(dǎo)致電池的損壞，需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使SOC保持在一定的范圍，所以需要電控離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式，ISG電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下給電池組充電，同時(shí)電池組給TM電機(jī)供電，此時(shí)電池組的充電功率等于電池組的放電功率，即發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量全部用于TM電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)并未輸出額外的功率用于提高電池SOC，發(fā)動(dòng)機(jī)與TM電機(jī)的功率關(guān)系為：

2.3 雙電機(jī)純電模式策略

在雙電機(jī)純電模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)維持停機(jī)狀態(tài)，電控離合器斷開(kāi)，避免ISG電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)造成額外的能量損失，同時(shí)ISG電機(jī)和TM電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)尾軸，其中TM電機(jī)為轉(zhuǎn)速控制模式，使TM電機(jī)維持在高效率運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，ISG電機(jī)則采用轉(zhuǎn)矩控制模式補(bǔ)充TM電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩外的整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩。ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩、TM電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及整車(chē)尾軸需求轉(zhuǎn)矩之間滿足關(guān)系為：

與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

2.4 混聯(lián)模式策略

當(dāng)電池SOC較高，雙電機(jī)純電模式已經(jīng)無(wú)法滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，或者SOC低于門(mén)限值時(shí)，必須由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)補(bǔ)充剩余功率輸出，這時(shí)整車(chē)控制系統(tǒng)指令電控離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始參與整車(chē)驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際策略中，為了使整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和車(chē)輛的排放效果達(dá)到最佳狀態(tài)，混聯(lián)模式中優(yōu)先分配發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)域，整車(chē)剩余所需功率則由ISG電機(jī)和TM電機(jī)補(bǔ)充輸出：

與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)工況下的仿真

仿真測(cè)試是對(duì)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證的優(yōu)良途徑，為了驗(yàn)證整車(chē)控制策略，針對(duì)整車(chē)控制器原型進(jìn)行了基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真測(cè)試，建立的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)試過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)BDM燒寫(xiě)器將控制代碼寫(xiě)入整車(chē)控制器中，下位機(jī)則通過(guò)dSPACE數(shù)據(jù)線將整車(chē)各部件虛擬模型(包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、動(dòng)力鏈模型、電機(jī)電池模型以及駕駛員模型等)下載到dSPACE工具箱中，控制器與dSPACE工具箱之間則通過(guò)I/O、CAN線束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。測(cè)試過(guò)程中涉及到的整車(chē)基本參數(shù)如表2所示。

表2 整車(chē)基本參數(shù)

本文采用的硬件在環(huán)測(cè)試方法是在中國(guó)典型城市公交工況下對(duì)整車(chē)控制策略進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行分析，圖6～圖8是在循環(huán)工況下得到的仿真結(jié)果。

Vehicle control and simulation study of new HEV

With new HEV as the object，the vehicle strategy was attained，consisting of single motor EV mode，series mode， dual motor EV mode and PSHEV mode through analyzing components'features and interaction effect between them.Based on the specific relevant parameters， a hardware-in-loop test was conducted for the HEV controller in the China typical city bus cycle. The results show that the control strategy is effective and reliable. Meanwhile，the new type of HEV under the control strategy has better fuel economy than the traditional bus.

hybrid;bus;control strategy;hardware-in-loop

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0846-03

2015-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(51275291)

陳亮(1988—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車(chē)。