基于有限狀態(tài)機的軍用起動/發(fā)電一體化混合動力車輛能量管理策略研究

曾繁琦, 俞 妍, 卜建國, 龐海龍, 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)

為滿足未來戰(zhàn)爭對陸戰(zhàn)平臺提出的更高要求[1]，適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，世界各軍事強國均加快了對基于電能的武器系統(tǒng)的技術(shù)研究，工程化和小型化技術(shù)成為了研究重點，其車載化應(yīng)用成為了未來陸戰(zhàn)平臺的發(fā)展趨勢，同時，隨著電子對抗、防護、探測、干擾等新技術(shù)在未來戰(zhàn)場上的應(yīng)用，也需要多規(guī)格的電力能源作為支撐以減輕后勤保障壓力[2]。近年來，軍用混合動力車輛逐漸成為各種武器裝備的最佳承載平臺和應(yīng)用載體，其能量管理策略也已成為研究熱點[3]。

能量管理策略是混合動力車輛研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一，其優(yōu)劣直接影響著車輛的可靠性、控制性、燃油經(jīng)濟性和排放性能[4]。在傳統(tǒng)民用混合動力車輛控制策略研究中，受到系統(tǒng)優(yōu)化目標和車輛使用環(huán)境條件的影響，控制方法靈活多樣、日漸成熟。趙韓等[5]采用基于模型預(yù)測的能量管理策略對并聯(lián)式混合動力車輛的整車需求轉(zhuǎn)矩進行預(yù)測，建立轉(zhuǎn)矩分配問題的馬爾科夫模型，并結(jié)合動態(tài)規(guī)劃算法，以油耗最小化為目標進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)了較好的優(yōu)化效果；張靜等[6]采用等效燃油消耗最小控制策略，以油耗和動力電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)作為控制目標對并聯(lián)式混合動力卡車進行控制，既保證了算法的實時性，控制效果又接近全局最優(yōu)；Panigrahi等[7]采用將遺傳算法和細菌覓食優(yōu)化算法相結(jié)合的方式作為混合動力車輛能量管理方法，引入時間加權(quán)平方誤差積分對整車性能進行評價，結(jié)果表明與單一優(yōu)化算法相比較，聯(lián)合算法使車輛燃油經(jīng)濟性提高約2%，排放也有所下降；楊觀賜等[8]采用行為博弈進化算法，以動力性能指標為約束條件并以最小化燃油消耗與污染物排放總量為優(yōu)化目標，對并聯(lián)混合動力汽車控制策略參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)的百公里油耗和污染物排放總和降幅明顯，提高了動力源和系統(tǒng)效率，相比于基于最優(yōu)原理的多目標優(yōu)化算法，博弈進化算法可以獲得精度更高的解；Zhang等[9]設(shè)計了一種駕駛行為在線分類方法，提出了一種改進的自適應(yīng)等效燃油消耗最小策略，分析了駕駛方式和交通狀況對燃油消耗和污染物排放的影響，研究結(jié)果表明可以根據(jù)駕駛行為和實時交通信息實時調(diào)整等效因子，這種利用預(yù)測信息、等效因子歷史數(shù)據(jù)等對等效因子進行調(diào)整的方法能夠使得混合動力車輛獲得更好的性能[10]。目前，混合動力車輛能量管理策略存在算法復(fù)雜、抗擾動能力弱等問題，一部分基于優(yōu)化的能量管理策略受限于控制器的運行能力難以實現(xiàn)實時控制，對于運行特性復(fù)雜的軍用混合動力車輛并不適用且控制難度大[11]，智能交通系統(tǒng)等預(yù)測信息的方法可用于民用車輛預(yù)測未來行駛工況，但不適合軍用車輛，算法簡單且易于實現(xiàn)的邏輯規(guī)則能量管理策略反而更適合軍用混合動力車輛。

在策略設(shè)計時，充分考慮混合動力系統(tǒng)中動力源的工作特性，如何根據(jù)模式判別參數(shù)和模式判別條件判斷下一時刻車輛的工作模式是能量管理策略的核心研究內(nèi)容?；旌蟿恿ο到y(tǒng)中的工作模式轉(zhuǎn)換并不是簡單的數(shù)值之間的關(guān)系，而是一種邏輯關(guān)系，其目的是使車輛在行駛過程中根據(jù)輸入的環(huán)境參數(shù)做出最適合且高效的反應(yīng)。近年來，作為計算機科學、軟件工程、通信技術(shù)、數(shù)字邏輯設(shè)計等領(lǐng)域常見的形式化模型之一，有限狀態(tài)機(finite state machine，F(xiàn)SM)理論得到了廣泛應(yīng)用[12]，它可以把復(fù)雜的控制邏輯分解成有限個穩(wěn)定狀態(tài)，具有狀態(tài)記憶的功能，在每個狀態(tài)上判斷事件的發(fā)生與否，根據(jù)不同條件精確表現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)之間的遷移，因此，在制定能量管理策略時，設(shè)計基于FSM的工作模式轉(zhuǎn)換規(guī)則是非常合適且必要的[13]。

為此，以某型軍用起動/發(fā)電一體化(integrated starter generator，ISG)混合動力車輛為研究對象，采用基于邏輯規(guī)則的能量管理策略，應(yīng)用FSM理論對車輛工作模式轉(zhuǎn)換進行分析。同時，以優(yōu)化發(fā)動機運行工況和避免動力電池過充過放為原則定量分析了工作模式轉(zhuǎn)換規(guī)則，再根據(jù)各工作模式的特征對動力源負荷率進行合理分配。最終，通過Cruise/Simulink聯(lián)合仿真對上述理論進行驗證。

1 系統(tǒng)動力總成方案

提出的軍用ISG混合動力系統(tǒng)動力總成方案由發(fā)動機、ISG電機、自動變速器、動力電池及相應(yīng)控制器組成，如圖1所示。該驅(qū)動系統(tǒng)屬于中度混合動力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)ISG輕度混合動力系統(tǒng)相比，其節(jié)能和減排效果更加明顯。通過采用發(fā)動機和ISG電機之間增加一個自動離合器的布置形式，可以實現(xiàn)輕度混合動力系統(tǒng)所不具備的電機單獨驅(qū)動工作模式，保證特定環(huán)境下車輛可以靜默行駛，且再生制動能量回收率更高，進一步提高整車的燃油經(jīng)濟性，改善排放性。

發(fā)動機和ISG電機之間通過自動離合器耦合進行協(xié)同工作，通過控制發(fā)動機、自動離合器、電機工作狀態(tài)可以實現(xiàn)車輛的純電動行駛、純發(fā)動機行駛以及混合驅(qū)動等工作模式。當車輛起步和低速行駛時，通過分離自動離合器，采用電機單獨驅(qū)動車輛的工作模式，避免傳統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動模式在怠速或低速時所帶來的較差經(jīng)濟性和排放性；當車速較高或加速時，自動離合器結(jié)合，采用發(fā)動機和電機聯(lián)合驅(qū)動的模式；當車輛減速時，電機處于發(fā)電模式進行制動能量回收，通過分離自動離合器消除發(fā)動機倒拖阻力以提高能量回收效率；當整車制動需求較大時，根據(jù)需要由機械制動進行補充。

2 ISG混合動力系統(tǒng)能量管理策略

2.1 設(shè)計原則

軍用ISG混合動力車輛動力總成的應(yīng)用目標是提高車輛的動力性、改善車輛的燃油經(jīng)濟性，根據(jù)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的工作模式設(shè)計邏輯規(guī)則控制策略，需要滿足以下設(shè)計原則。

(1)滿足車輛行駛工況要求和駕駛員的駕駛意圖。

CAN為控制器局域網(wǎng)絡(luò)；ECU為電子控制單元；AC為交流電；DC為直流電圖1 動力總成方案Fig.1 Powertrain scheme

(2)充分發(fā)揮ISG電機性能。電機單獨驅(qū)動車輛可以實現(xiàn)“靜默行駛”；發(fā)動機拖動電機運轉(zhuǎn)發(fā)電，持續(xù)為整車負載提供電能的同時還要滿足車輛其他用電任務(wù)需要，在減速制動時起到制動能量回收的作用；此外，在車輛加速時電機起到加速助力的作用，從而改善車輛的動力性，但不能粗暴影響駕駛體驗。

(3)合理分配發(fā)動機和ISG電機的能量，通過電機工作在發(fā)電模式或電動助力以調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點，使得發(fā)動機工作點分布在高效區(qū)間內(nèi)，可以保證發(fā)動機以良好的燃油經(jīng)濟性運轉(zhuǎn)且動力電池SOC保持在合理水平。

因此，針對軍用ISG混合動力系統(tǒng)所設(shè)計的邏輯規(guī)則能量管理策略必須具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，動力源輸出功率能夠快速跟蹤實際功率需要，同時保證發(fā)動機盡可能工作在高效區(qū)間。

2.2 體系結(jié)構(gòu)

軍用ISG混合動力系統(tǒng)中的各個參數(shù)物理意義明確，在系統(tǒng)的控制過程中便于進行匹配和標定[14]，因此，根據(jù)設(shè)計原則得到邏輯規(guī)則能量管理策略的體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。首先由駕駛員意圖識別模塊得到整車需求轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)已知的車速、動力電池SOC以及動力源狀態(tài)等信息確定模式判別參數(shù)、判別條件以及發(fā)動機和ISG電機間的轉(zhuǎn)矩分配參數(shù)，工作模式選擇模塊根據(jù)上述信息確定整車的工作模式以及進行模式轉(zhuǎn)換，最后，動力源負荷率分配模塊結(jié)合轉(zhuǎn)矩分配參數(shù)確定發(fā)動機和電機需求負荷率[15]。

圖2 能量管理策略體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of energy management strategy

3 基于FSM的工作模式轉(zhuǎn)換

3.1 FSM原理

FSM是具有基本內(nèi)部記憶功能的抽象機器模型，表示有限個離散狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學模型[16]，其在任意時刻都處于有限狀態(tài)集合中的某一狀態(tài)，當滿足轉(zhuǎn)移規(guī)則中的某一確定事件或指令時，F(xiàn)SM會從當前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)。

在實際應(yīng)用中，根據(jù)是否使用輸入信號FSM分為兩大類，即Moore型FSM和Mealy型FSM。1956年，Moore型FSM這一概念首次被提出，Moore型FSM的輸出信號僅由當前狀態(tài)有關(guān)[17]，這與Mealy型FSM形成對比，Mealy型FSM的輸出信號不僅由當前狀態(tài)決定，還與所有輸入信號有關(guān)，有利于減少模型中狀態(tài)的數(shù)量[18]。軍用ISG混合動力系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換符合Mealy型FSM的特征，因此采用Mealy型FSM構(gòu)建系統(tǒng)工作模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型。

Mealy型FSM可以由一個六元組表示[19]，即

M=(S,s0,I,O,T,F)

(1)

式(1)中：S為系統(tǒng)狀態(tài)的非空有限集合，S={s0,s1,…,sn}；s0為系統(tǒng)初始狀態(tài)，s0∈S；I為系統(tǒng)輸入信號的非空有限集合，I={i0,i1,…,in}；O為系統(tǒng)輸出信號的非空有限集合，O={o0,o1,…,on}；T為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)的非空有限集合，T={t0,t1,…,tn}；F為系統(tǒng)動作輸出函數(shù)的非空有限集合，F(xiàn)={f0,f1,…,fn}。

Mealy型FSM的輸出信號由當前狀態(tài)和輸入信號決定，狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)定義為T：SI→S，如式(2)所示，表示輸入信號I在狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)t作用下滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件時，當前狀態(tài)sp會轉(zhuǎn)移到狀態(tài)sq。

t(sp,I)=sq

(2)

式(2)中：sp、sq∈S。

動作輸出函數(shù)定義為F：SI→O，如式(3)所示，表示狀態(tài)sq在條件tI與動作輸出函數(shù)f共同作用下輸出信號oq。

f(sq,tI)=oq

(3)

式(3)中：tI∈T、oq∈O。

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)機分類

對于軍用ISG混合動力車輛而言，系統(tǒng)的基本狀態(tài)機包括駐車發(fā)電狀態(tài)機、換擋狀態(tài)機、制動狀態(tài)機、驅(qū)動狀態(tài)機，其中，驅(qū)動狀態(tài)機又可分為純電動狀態(tài)機、起動發(fā)動機狀態(tài)機、混合狀態(tài)機，它們互相之間的轉(zhuǎn)換主要由駕駛員操作和車輛狀態(tài)決定，屬于外部事件觸發(fā)的系統(tǒng)對象。根據(jù)實際駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，有限狀態(tài)集合S可細分為8種狀態(tài)機，即：S={駐車發(fā)電狀態(tài)機，換擋狀態(tài)機，制動狀態(tài)機，純電動狀態(tài)機，起動發(fā)動機狀態(tài)機，行車發(fā)電狀態(tài)機，ISG電機助力狀態(tài)機，發(fā)動機直驅(qū)狀態(tài)機}[20]，不同狀態(tài)機(模式)下發(fā)動機、電機以及兩個離合器的狀態(tài)也有所不同，混合動力系統(tǒng)各個模式下的部件狀態(tài)如表1所示[21-22]。

表1 混合動力系統(tǒng)部件狀態(tài)Table 1 Component status of the hybrid power system

隨著運行工況的變化，軍用ISG混合動力車輛根據(jù)輸入信號和狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)得到的模式判別條件對整車的工作模式進行選擇和轉(zhuǎn)換，工作模式轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示[22-23]。

圖3 工作模式轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3 Conversion relationship of working modes

3.3 工作模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析

通過對FSM模型的六元組進行定性分析可知，輸入信號集合和狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)集合是實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換和動力源轉(zhuǎn)矩合理分配的關(guān)鍵。因此，基于發(fā)動機高效工作與合理動力電池SOC對FSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)進行定量分析。

輸入信號對應(yīng)系統(tǒng)的模式判別參數(shù)，所以系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)表示軍用ISG混合動力車輛在接收到不同的狀態(tài)參數(shù)信息時，從一個工作模式轉(zhuǎn)移到另一個工作模式的規(guī)則，可以看作系統(tǒng)工作模式判別條件集合。在控制策略設(shè)計時，工作模式選擇模塊根據(jù)模式判別條件對整車的工作模式進行選擇和轉(zhuǎn)換，如圖4所示，純電動區(qū)間上限、發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)上下限對整車需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機萬有特性圖上劃分為A、B、C、D四個工作區(qū)域，分別代表純電動驅(qū)動模式、行車發(fā)電驅(qū)動模式、發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、ISG電機助力驅(qū)動模式，此外，還有駐車發(fā)電模式、換擋模式、制動模式、起動發(fā)動機模式等輔助工作模式。

圖4 工作模式區(qū)域劃分Fig.4 Area division of working modes

當車輛狀態(tài)為驅(qū)動模式時，根據(jù)動力電池SOC值和駕駛員需求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換發(fā)動機和ISG電機工作狀態(tài)。當駕駛員需求轉(zhuǎn)矩小于純電動區(qū)間轉(zhuǎn)矩上限或車輛低速行駛時，由電機單獨驅(qū)動車輛以滿足整車轉(zhuǎn)矩需求；當駕駛員需求轉(zhuǎn)矩大于純電動區(qū)間轉(zhuǎn)矩上限時，電機帶動發(fā)動機起動，由發(fā)動機和電機共同滿足整車轉(zhuǎn)矩需求，車輛進入混合驅(qū)動模式，保持發(fā)動機始終工作在經(jīng)濟工作區(qū)，通過ISG電機在發(fā)電和電動模式之間的轉(zhuǎn)換來滿足不同的駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，也可以使得動力電池SOC保持在合理范圍。

當車輛狀態(tài)為駐車發(fā)電模式時，發(fā)動機工作在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，ISG電機工作在發(fā)電模式，盡量增大發(fā)動機負荷率使得發(fā)動機工作點接近經(jīng)濟區(qū)；當車輛狀態(tài)為換擋模式時，AMT離合器根據(jù)AMT控制器指令完成換擋過程；當車輛狀態(tài)為制動模式時，根據(jù)車輛速度、動力電池SOC值判斷所采取的制動模式，再生制動狀態(tài)下，ISG電機工作在發(fā)電模式為電池組充電，不足的制動需求由機械制動補充。

綜上所述，各個模式的工作特征由車速、駕駛員操作和需求轉(zhuǎn)矩、動力電池SOC及劃分工作區(qū)域限值等信號決定，因此，選取如表2所示的模式判別參數(shù)作為FSM的輸入信號，模式判別條件如表3 所示，即FSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。

表2 模式判別參數(shù)Table 2 Mode discrimination parameters

表3 模式判別條件Table 3 Mode discrimination conditions

根據(jù)軍用ISG混合動力車輛工作模式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析，利用MATLAB/Stateflow構(gòu)建如圖5所示的工作模式轉(zhuǎn)換FSM仿真模型，從而對工作模式轉(zhuǎn)換過程進行圖形化描述。

圖5 工作模式轉(zhuǎn)換FSM模型Fig.5 FSM model of working mode conversion

4 動力源負荷率分配

軍用ISG混合動力系統(tǒng)由FSM動作輸出函數(shù)得到的輸出信號代表了系統(tǒng)當前的工作模式，根據(jù)當前工作模式的判別參數(shù)和條件對兩個動力源輸出轉(zhuǎn)矩進行合理分配，得到發(fā)動機和電機需求負荷率以及機械制動轉(zhuǎn)矩，即轉(zhuǎn)矩分配參數(shù)。

駕駛員意圖識別模塊通過對車速、加速踏板和制動踏板的位置信息進行解析得到整車需求轉(zhuǎn)矩，不同的需求轉(zhuǎn)矩代表了車輛的不同工作模式，可根據(jù)駕駛員的操作進行模式轉(zhuǎn)換。為了提供更好的駕駛體驗，根據(jù)車速v和加速踏板負荷率Ld得到整車需求負荷率，則駕駛員需求轉(zhuǎn)矩為

Treq=Tmaxfreq(v,Ld)

(4)

式(4)中：Tmax為動力總成最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；freq(·)為整車需求負荷率。

4.1 純電動驅(qū)動模式

ISG電機單獨驅(qū)動時，車輛處于純電動行駛模式，整車需求轉(zhuǎn)矩低于純電動區(qū)間上限。整車全部需求轉(zhuǎn)矩由電機來提供，發(fā)動機不輸出轉(zhuǎn)矩。純電動行駛模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(5)

式(5)中：Le為發(fā)動機需求負荷率；Lm為ISG電機需求負荷率；Tm_max為ISG電機電動模式下輸出最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Tbrake為機械制動轉(zhuǎn)矩，N·m。

4.2 行車發(fā)電驅(qū)動模式

在行車發(fā)電工作模式下，整車需求轉(zhuǎn)矩介于純電動區(qū)間上限與發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)下限之間且SOC值較低，考慮加速踏板負荷率以及動力電池SOC值的影響分配發(fā)動機和ISG電機的輸出轉(zhuǎn)矩，這樣既可以滿足整車動力性又能夠?qū)崿F(xiàn)行車發(fā)電。此時，發(fā)動機工作在經(jīng)濟工作區(qū)下限以上，根據(jù)加速踏板負荷率和SOC值調(diào)整發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，整車需求轉(zhuǎn)矩由發(fā)動機提供，多余轉(zhuǎn)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(shè)備提供電力保障。行車發(fā)電模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(6)

式(6)中：Te_eco_up為發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)轉(zhuǎn)矩上限，N·m；Te_eco_low為發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)轉(zhuǎn)矩下限，N·m；Te_max為發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；βd為加速踏板負荷率放大系數(shù)；βSOC為SOC放大系數(shù)。

4.3 發(fā)動機單獨驅(qū)動模式

車輛在發(fā)動機單獨驅(qū)動時，整車需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)范圍內(nèi)，發(fā)動機工作效率較高并滿足整車全部轉(zhuǎn)矩需求，ISG電機不輸出轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(7)

4.4 ISG電機助力驅(qū)動模式

在電機助力模式下，整車需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)轉(zhuǎn)矩上限，發(fā)動機和ISG電機協(xié)同工作以滿足整車全部需求轉(zhuǎn)矩，電機助力模式以發(fā)動機時刻運轉(zhuǎn)在高效區(qū)域為基本原則，電機補充額外轉(zhuǎn)矩。ISG電機助力模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(8)

4.5 駐車發(fā)電模式

當車輛處于低SOC或者需要為車載武器裝備等用電設(shè)備供電時，車輛進入駐車發(fā)電模式，發(fā)動機定轉(zhuǎn)速運行，ISG電機處于發(fā)電模式。駐車發(fā)電模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(9)

式(9)中：ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；ne_target為發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，r/min；Tm_target為ISG電機發(fā)電目標轉(zhuǎn)矩，N·m；Treq_brake為制動需求轉(zhuǎn)矩，N·m。

4.6 換擋模式

換擋過程中，發(fā)動機和ISG電機均不輸出轉(zhuǎn)矩。換擋模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(10)

4.7 制動模式

當車輛制動壓力大于零時，根據(jù)制動需求確定制動模式，發(fā)動機不輸出轉(zhuǎn)矩，ISG電機提供制動再生轉(zhuǎn)矩，機械制動器提供機械制動轉(zhuǎn)矩。制動模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(11)

(12)

式中：Treg_brake為制動再生轉(zhuǎn)矩，N·m；it為傳動系統(tǒng)總傳動比；ηt為傳動系統(tǒng)總效率;ΔT為轉(zhuǎn)矩差，N·m。

4.8 起動發(fā)動機模式

當整車需求轉(zhuǎn)矩高于純電動區(qū)間上限時，需要起動發(fā)動機以補充轉(zhuǎn)矩需求。ISG電機利用自動離合器的結(jié)合在很短時間內(nèi)將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到點火轉(zhuǎn)速，然后發(fā)動機噴油點火，從而起動發(fā)動機。起動發(fā)動機模式下動力源需求負荷率和機械制動轉(zhuǎn)矩分別為

(13)

5 ISG混合動力系統(tǒng)仿真研究

為了驗證能量管理策略的有效性，以某型軍用車輛為研究對象，采用Cruise軟件構(gòu)建軍用ISG混合動力系統(tǒng)的整車前向仿真模型，如圖6所示，以既定的車輛參數(shù)以及動力源參數(shù)為仿真輸入?yún)?shù)，開展整車動力性和燃油經(jīng)濟性仿真研究[24-25]。

圖6 整車前向仿真模型Fig.6 Vehicle facing-forward simulation model

5.1 動力性仿真

在整車前向仿真模型基礎(chǔ)上，建立穩(wěn)態(tài)性能分析、全負荷加速性能計算、爬坡性能三個仿真計算任務(wù)對整車動力性進行仿真計算，得到整車的最高車速、0～80 km/h加速時間、40～80 km/h直接擋加速時間和最大爬坡度。表4為發(fā)動機直驅(qū)原型車與軍用ISG混合動力車輛的動力性仿真結(jié)果對比。表4結(jié)果表明，保持最高車速不變的情況下，車輛的加速性能和爬坡性能均顯著提升，ISG混合動力總成達到了提高整車動力性的目的。

表4 整車動力性仿真結(jié)果對比Table 4 Simulation results’ comparison of vehicle power performance

5.2 經(jīng)濟性仿真

將FSM模型和整車前向仿真模型結(jié)合，建立Cruise/Simulink聯(lián)合仿真模型，對邏輯規(guī)則能量管理策略進行仿真驗證，聯(lián)合仿真模型如圖7所示，輸入信號中主要參數(shù)的門限值如表5所示。選取《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》(GBT 19754—2015)中規(guī)定的中國典型城市公交循環(huán)工況作為經(jīng)濟性仿真工況，該標準適用于3.5 t以上的重型混合動力車輛。

圖7 聯(lián)合仿真模型Fig.7 Co-simulation model

表5 聯(lián)合仿真系統(tǒng)主要參數(shù)Table 5 Main parameters of co-simulation system

將表5的參數(shù)取值和循環(huán)工況引入聯(lián)合仿真模型，得到經(jīng)濟性工況車速跟隨曲線如圖8所示，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(jié)果表明聯(lián)合仿真模型對實際車速的控制滿足了設(shè)計要求，保證車輛具有較好的平順性和穩(wěn)定性。根據(jù)模式判別參數(shù)制定FSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，從而獲得整個循環(huán)工況下車輛的實時工作模式，如圖9所示。

圖8 經(jīng)濟性工況車速跟隨曲線圖Fig.8 Speed following curve under economic condition

圖9 實時工作模式Fig.9 Real-time working modes

為了更直觀地表示車輛行駛過程中工作模式轉(zhuǎn)換，選取550～635 s工況段仿真結(jié)果進行分析，如圖10所示。從仿真結(jié)果(圖10)可以看出，車輛在該工況段行駛過程中的工作模式包括制動模式、純電動驅(qū)動模式、起動發(fā)動機模式、行車發(fā)電驅(qū)動模式、ISG電機加速助力模式，由此可見電機在該段工況下得到了充分利用，分擔了發(fā)動機的一部分能量以調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點，動力電池SOC、加速踏板負荷率、換擋信號、駕駛員制動壓力以及需求轉(zhuǎn)矩等模式判別參數(shù)均滿足表3中相應(yīng)工作模式之間的轉(zhuǎn)換條件。

由于起動發(fā)動機或擋位變換時AMT離合器短時間分離導致動力中斷，會出現(xiàn)車速無法跟隨的情況，即“掉速”現(xiàn)象，此時動力源會根據(jù)車速變化對輸出轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整，從而保證車輛在行駛過程中實時跟隨目標車速，避免出現(xiàn)長時間“掉速”的現(xiàn)象[圖10(a)]；車輛在行駛過程中，由于擋位變換和駕駛員操作[圖10(b)、圖10(c)]導致模式判別參數(shù)產(chǎn)生瞬間改變，所以產(chǎn)生了工作模式突變的現(xiàn)象[圖10(a)]，但突變時間均較短，說明系統(tǒng)可以根據(jù)能量管理策略對工作模型進行較快地調(diào)整；車輛起步加速過程從純電動驅(qū)動模式、起動發(fā)動機模式轉(zhuǎn)換到行車發(fā)電驅(qū)動模式，在加速工況段的大部分時間內(nèi)均工作在行車發(fā)電模式，ISG電機從電動模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電模式，因此，動力電池SOC先短時間減小后逐漸增大[圖10(b)、圖10(c)]。綜上所述，針對軍用ISG混合動力車輛所設(shè)計的能量管理策略可以快速跟蹤整車實際功率需要，具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。

圖10 選取工況段仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of the selected condition section

在經(jīng)濟性工況下，原型車和軍用ISG混合動力車輛發(fā)動機工作點分布情況如圖11所示，綜合油耗如表6所示。圖10、表6結(jié)果表明，所設(shè)計的能量管理策略優(yōu)化了發(fā)動機運行工況，使得發(fā)動機大部分工作點均分布在經(jīng)濟工作區(qū)內(nèi)，油耗降低了40.36%，ISG混合動力總成達到了改善整車燃油經(jīng)濟性的目的。

圖11 發(fā)動機工作點分布Fig.11 Distribution of engine working points

表6 整車經(jīng)濟性仿真結(jié)果對比Table 6 Simulation results’ comparison of vehicle economy

6 結(jié)論

(1)提出的能量管理策略是根據(jù)駕駛員指令得到系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩，整車控制器通過控制總線對動力總成各部件進行協(xié)調(diào)控制，從而決定整個系統(tǒng)的能量流，再由車速、載荷、動力電池SOC確定動力源的工作狀態(tài)，能夠滿足行駛工況要求和駕駛員意圖。

(2)基于FSM理論構(gòu)建的工作模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，可將車輛復(fù)雜的行駛過程分解為有限個工作模式，并根據(jù)模式判別參數(shù)和條件進行工作模式識別和轉(zhuǎn)換，同時，動力源負荷率的合理分配實現(xiàn)了對發(fā)動機運行工況的優(yōu)化，在循環(huán)工況內(nèi)保證了發(fā)動機工作在高效區(qū)域，并且系統(tǒng)可以快速跟蹤整車實際功率需要，具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，從而驗證了本文提出的能量管理方法的正確性和有效性。

(3)與原型車相比，軍用ISG混合動力車輛的整車動力性明顯提升，節(jié)油率達到40%以上，改善了整車的燃油經(jīng)濟性，同時，純電動模式可以實現(xiàn)車輛的靜默行駛，駐車發(fā)電模式和行車發(fā)電模式能夠為武器裝備提供一定的持續(xù)電功率輸出，可以滿足未來軍用車輛遂行不同作戰(zhàn)任務(wù)、適應(yīng)各種戰(zhàn)場環(huán)境的需求，這對提高戰(zhàn)場機動能力和減輕戰(zhàn)場后勤保障壓力具有重要的軍事意義。