基于起动发电一体机的车用混合动力总成控制策略研究

肖磊，韩雪峰，陈锐，邢杰，黄冠富

（中国北方车辆研究所，北京100072）

基于起动发电一体机的车用混合动力总成控制策略研究

肖磊，韩雪峰，陈锐，邢杰，黄冠富

（中国北方车辆研究所，北京100072）

针对未来军用混合动力车辆的需求，设计了一种基于起动发电一体机（ISG）电机的高功率密度混合动力总成方案，制定了相应的基线式控制策略。在基于ADVISOR构建的后向仿真模型中，以某型轻型越野车辆参数以及混合动力总成的参数作为仿真输入条件，分析了动力总成对车辆动力性能和燃油经济性的影响。仿真结果表明：基于ISG电机的混合动力总成扭矩输出值与原车发动机相比获得较大提升；同时优化了发动机工作点，降低了发动机油耗，提升整车的燃油经济性。

兵器科学与技术；混合动力；起动发电一体机；仿真实验；控制策略

0 引言

为应对未来复杂多变的战场环境，世界各军事强国均加快了新型武器系统的研制工作，基于电能的武器系统（如电磁炮、电热化学炮、高功率激光武器等新概念武器系统）在突破了一部分核心技术后，都将研究工作的重点放在了工程化和小型化技术研究方面，有希望加快车载化应用的步伐；另外在未来战争中，电子对抗、探测、干扰、防护等新技术的应用，也需要在战场上有大能量的电力能源作为支撑。军用混合动力车辆作为上述武器系统的最佳承载平台和应用载体，近10年来得到世界各国的重视，在军用混合动力技术研究方面投入了巨额资金，也取得了相当大的进展。作为车载电源系统的关键部件，起动发电一体机（ISG）的研究同样受到强烈的关注，并成为研究的热点。本文就一种基于ISG的车用混合动力总成进行了研究，制定了相对应的控制策略，并开展了性能仿真研究。

1 动力总成方案

本文提出的基于ISG的车用混合动力总成方案设计方案，由发动机、ISG电机及其控制器以及动力电池组成，主要适用于军用车辆并联式混合动力系统，其组成架构见图1.ISG的输入端通过弹性联轴器与发动机曲轴输出端连接，ISG的机械输出端通过花键轴与传动装置（包括变速箱和离合器等）连接。ISG电机控制器根据混合动力系统的工况变化，决定ISG电机的工作状态。车辆发动机起动时，由动力电池向ISG提供电能；在车辆需要大扭矩驱动时（如急加速、爬坡等工况），动力电池持续为ISG提供电能，ISG与发动机能量混合共同驱动车辆；车辆匀速行驶时，发动机可以带动ISG发电将能量存储到动力电池中；车辆制动时，也可以通过传动系统拖动ISG发电，将电能储备到动力电池中。

图1 基于ISG的动力系统架构图Fig.1 Powertrain system based on ISG motor

本文选取某款柴油机，额定功率119 kW，最大扭矩400 N·m，柴油发动机扭矩特性以及油耗曲线见图2.图中油耗曲线单位为g/（kW·h）。

为了能够给特种车辆提供足够大的辅助动力，在重量和尺寸满足一定约束条件下，选择了一款较成熟的ISG电机与发动机相匹配。选用的ISG电机额定功率35 kW，峰值功率为70 kW，电机外特性见图3.同时，考虑作为车载电源系统的关键部件，ISG电机在停车状态下可以根据需要为其他车外电器设备供电（如宿营地照明、通讯设备用电等），因此尽可能将ISG电机的功率按较大标准选择。

图3 ISG电机电动工况外特性曲线Fig.3 External characteristic curves of ISG motor

2 混合动力总成控制策略

2.1 基于ISG的混合动力总成控制目标

混合动力总成设计目标与应用目的:一是提高车辆的燃油经济性、降低排放，二是改善与提高车辆的动力性能，因此基于ISG的混合动力总成的控制策略设计目标，可以简单概括成以下4点:

1）将发动机的常用工作点控制在低油耗区域，可以有效地降低车辆燃油消耗率和发动机的废气排放。

2）充分发挥电动机性能，提供助力和回收能量。

3）合理设定系统工作点，使动力电池荷电状态（SOC）保持在合理水平。

4）充分利用混合动力工况改善车辆的动力性能，但不能粗暴影响驾驶感觉。

2.2 控制策略体系结构

本文设计的基于ISG的车用动力总成的系统控制策略，采用基线式控制策略。采用基线式控制的优点在于，控制器具有较强的实时性，对处理器的处理能力要求不高。控制系统中的各个参数物理意义明确，便于进行匹配和标定［1］。基线式控制策略控制流程如图4所示，分为驾驶员意图识别、电机需求转矩计算、模式切换、故障诊断、功率限制和命令输出6个步骤。

图4 基线式控制策略控制流程Fig.4 Control flow of baseline control strategy

2.2.1 驾驶员意图识别

驾驶员意图识别主要是对驾驶员希望车辆动力系统能够输出的扭矩进行解析，解析过程的输入量包括驾驶员操作（加速踏板位置、制动踏板位置）与车辆状态（车速、发动机/电机转速、动力电池SOC）.通过采集加速踏板位置和当前车速等信息，采用“9点定义法”得到驾驶员需求转矩［2］，如图5所示。确定9个关键点的需求转矩，代表车辆的起步、蠕行、加速和最高车速等，可根据驾驶员的操作进行调节。

图5 驾驶员力矩需求Fig.5 Driver's torque requirement

2.2.2 发动机、ISG电机需求转矩计算

为了提升车辆的动力性能以及燃油经济性，并联式混合动力系统通常采用发动机提供车辆平均行驶功率，由电机提供峰值功率的控制策略［3-4］。为了保证发动机更多地工作在高效区域，引入基于动力电池SOC的修正因数λ调整发动机扭矩指令。发动机扭矩计算公式如下:

式中:Pe是发动机功率；Pr是当前车辆总需求功率；ne是发动机转速；bn是发动机当前转速下的最佳油耗点；发动机功率输出需要在满足当前车辆需求的前提下，尽可能地工作在高效率区域；Te是发动机扭矩；λ是与当前动力电池SOC值相关的修正因数。当动力电池电量较高时则降低发动机扭矩输出值；当动力电池电量较低时则调高发动机输出扭矩，为动力电池充电。

在控制策略设计时，可以按工作模式划分成若干子模块，根据控制系统的各输入量计算对应模式下的电机需求转矩。在本文制定的混合动力系统方案中，ISG电机的基本功能有3个:实现发动机的快速起动；爬坡或急加速等工况下为发动机提供助力；为动力电池等储能单元充电，并实现制动能量回收。考虑到ISG电机的实际输出扭矩受到动力电池输出功率限制，ISG电机的输出扭矩按以下公式计算:

式中:TISGr是ISG电机需求扭矩；Tr是驾驶员需求扭矩；TISG是ISG电机扭矩；Tω是ISG电机实际能输出的最大扭矩；nISG为电机当前转速；TBat是动力电池所能提供极限功率下ISG电机输出的最大扭矩；IBat为动力电池电流；Je是发动机转动惯量；JISG是ISG电机的转动惯量。

2.2.3 工作模式的切换

充分考虑发动机以及ISG电机的工作特性，如何根据车辆当前状态精确判断下一时刻车辆所处的工作模式，是混合动力系统控制策略的核心研究内容。本文控制策略研究中采用了基于Stateflow的模式切换程序（见图6）。

图6 基于Stateflow的模式切换程序Fig.6 Driving mode switch program based on Stateflow

由于设计的动力总成系统中拥有发动机和电池两个动力源，其工作模式可以划分为3种:停车模式、驱动模式、制动模式。不同工作模式下主要部件的工作状态，见表1.

表1 ISG混合动力系统工作模式Tab.1 Driving modes of hybrid system with ISG motor

根据车辆的不同工作模式，以及核心部件的工作特性，对发动机和ISG电机这两个功率输出部件的输出力矩进行了分配，如图7所示。3种工作模式的切换主要由车速、油门和制动踏板等信号决定。

图7 不同工作模式下的力矩划分Fig.7 Torque curves of diesel and ISG motor in different driving modes

停车模式下发动机起动时，ISG电机由动力电池供电，拖动发动机起动。SOC值低于设定最低值则进入强制充电模式。

在驱动模式下，动力系统要维持电平衡，需要根据SOC值和需求转矩确定切换ISG电机的工作状态。发动机在800～1 500 r/min低速区间内的输出扭矩较低，在车辆起步、爬坡或急加速等工况时，可以由ISG电机来提供额外的动力。为了改善发动机的工作效率，在满足当前扭矩需求的同时，可以驱动ISG电机为动力电池充电，使发动机更多的工作在高效区域。此外，当动力电池SOC值较高时，调节发动机输出扭矩，适当增加ISG电机的输出功率。

制动模式下，当SOC值低于设定值时则ISG电机进入回馈制动工况，为动力电池充电；当SOC值高于设定值，则ISG电机停止回馈制动，车辆制动由机械制动器完成。

2.2.4 命令输出

将实时解算出的控制命令，如发动机转速和扭矩、ISG电机转矩等，由控制器输出端口通过CAN总线传输给相应的执行部件。

3 仿真研究

为了验证控制策略的有效性，以某款轻型越野车辆为应用研究的对象，考虑到仿真结果的有效性以及仿真的速度与精度，采用ADVISOR软件构建了基于ISG的车用混合动力系统的整车后向仿真模型，如图8所示。

选取既定的车辆参数以及柴油机和ISG的参数为仿真输入（主要参数见表2），开展了整车动力性能和燃油经济性仿真研究。

图8 系统仿真模型Fig.8 Simulation model of hybrid system

表2 车辆主要参数Tab.2 Main parameters of vehicle

3.1 动力性能仿真

图9是混合动力系统的输出特性。通过仿真数据可以得知，在增加了ISG电机助力的情况下，整个动力系统低速区扭矩特性得到明显的改善，系统动力性和发动机带载能力明显有所提高。表3是动力系统扭矩改善情况的具体数值。

图9 并联式混合动力系统输出特性曲线Fig.9 Torque and power curves of powertrain system output

表3 动力系统扭矩改善情况Tab.3 Torque improvment of hybrid powertrain system

3.2 经济性仿真

本文选取GB/T 19754—2005中规定的中国典型城市公交工况作为经济性仿真工况，该标准适用于3.5 t以上的重型混合动力车辆。图10是车辆工况跟随曲线，横坐标是时间、纵坐标是车辆速度。

图10 经济性工况曲线图Fig.10 Typical Chinese city bus driving cycles

采用本文研究的基于ISG的车用混合动力总成以及经过优化的控制策略，按照图10的运行工况，则发动机的工作点分布如图11所示。

仿真结果显示，本文研究的混合动力系统能够使发动机更多地工作在高效率区域，其结果可以改善整车的燃油经济性。

4 结论

基于ISG电机的混合动力总成相对于只采用发动机的传统车辆动力系统来说，具有更高功率密度和响应速度，在显著改善车辆动力性能的同时，可以将发动机的工作点优化到高效区域，从而提高整车的燃油经济性，这对于降低战场后勤保障压力，有着重要意义。

图11 应用混合动力系统后发动机工作点分布Fig.11 Working points map of diesel engine based on ISG bybrid powertrain system

同时，ISG电机还能够提供一定的持续电功率输出，可以满足未来军用车辆执行不同作战任务、适应各种作战环境的需求，基于ISG电机的车用混合动力系统总成，在未来有着广阔的应用前景。

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［1］ 罗禹贡，陈涛，周磊，等.奔腾智能混合动力电动轿车自适应巡航控制系统［J］.机械工程学报，2010，46（6）:2-7. LUO Yu-gong，CHEN Tao，ZHOU Lei，et al.Adaptive cruies control system of besturn intelligent hybrid electric vehicle［J］. Journal of Mechanical Engineering，2010，46（6）:2-7.（in Chinese）

［2］ 周磊，罗禹贡，杨殿阁，等.混联式混合动力车多能源动力控制系统的开发［J］.机械工程学报，2007，43（4）:125-131. ZHOU Lei，LUO Yu-gong，YANG Dian-ge，et al.Development of hybrid powertrain control system for parraller series hybrid electric vehide［J］.Journal of Mechanical Engineering，2007，43（4）: 125-131.（in Chinese）

［3］ 余志生.汽车理论［M］.第3版.北京:机械工业出版社，2001. YU Zhi-sheng.Theery of vehicle［M］.3rd ed.Beijing:China Machine Press，2001.（in Chiense）

［4］ 阿尔弗雷德·克拉普尔.起动机-发电机一体化技术（ISG）:未来汽车设计的基础［M］.北京:北京理工大学出版社，2008. Alfred Krappel.Integrated starter-generator:base of future automotive design［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2008.（in Chinese）

Study of Control Strategy for Power Train Based on ISG Hybrid System

XIAO Lei，HAN Xue-feng，CHEN Rui，XING Jie，HUANG Guan-fu
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

A high density power-train system based on ISG motor is designed for the future military hybrid vehicles，and the structure of the system is designed.The line-based control strategy of the power-train system is established，and also the control objectives and working mode are divided.A backward-simulation model of ISG hybrid system based on ADVISOR is established.The performance of ISG hybrid system based on the parameters of a subsection ISG motor and diesel engine is simulated.The result shows that the power-train system can improve the torque characteristic greatly，and enhance the torque ratio-t ranges.The power-train system can also optimize the working points of engine to reduce the average fuel consumption rate of diesel engine.

ordnance science and technology；hybrid power；ISG；simulation experiment；control strategy

TJ381+0.323

A

1000-1093（2015）09-1799-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.027

2015-01-19

肖磊（1964—），男，研究员，硕士生导师。E-mail:leixiao201@sina.com；韩雪峰（1985—），男，工程师。E-mail:hag812@163.com