新型混合动力客车整车控制与仿真研究

陈 亮， 朱 浩， 杨 林， 闫 斌， 胡艳青

(1.湖南大学，湖南长沙410082；2.上海交通大学汽车电子技术研究所，上海200240)

新型混合动力客车整车控制与仿真研究

陈 亮1， 朱 浩1， 杨 林2， 闫 斌2， 胡艳青2

(1.湖南大学，湖南长沙410082；2.上海交通大学汽车电子技术研究所，上海200240)

以新型混合动力客车为对象，通过对各个部件的特性以及工作中相互影响进行分析，确立了单电机纯电模式、串联模式、双电机纯电模式、混联模式下的整车控制策略，并在相关参数确定的基础上，在中国典型城市公交循环下对该混合动力整车控制器进行了硬件在环仿真测试，结果表明各模式下的整车控制策略是有效、可靠的，同时也证明了相比传统客车，新型混合动力客车在该控制策略下有较好的燃油经济性。

混合动力；客车；控制策略；硬件在环

随着温室效应和环境污染的加剧，一些排放法规的制定需要车辆在排放方面有技术上的革新。但是，常规内燃机固有的特性限制了其进一步发展。近年来，混合动力车辆的迅速发展已经在燃油经济性和减排方面证明了自己的优势，已经被认为是公路交通主要的替代车辆之一。

多个元件的协调工作一方面提高了燃油经济性，一方面也增加了控制难度，如果要对动力系统进行稳定的协调控制，需要一个可靠的整车控制器(HCU)进行规划。一般车辆的实时控制基于规则控制，基线控制和最小值原理[1]的能量管理方法在并联式混合动力结构中取得了良好的控制效果，而等熵控制在串联式混合动力具有良好的鲁棒性。

本文通过分析新型混合动力客车整车架构及其部件特性，使得新型混合动力客车在控制方面有更多的自由度，且在运行中具有并联、串联等四种不同的驱动模式，制定了不同驱动模式之间的切换条件及各个模式下的能量管理策略，并通过整车控制器的硬件在环仿真测试验证了整车控制策略的可靠性以及该控制策略下整车良好的燃油经济性。

混合动力客车系统结构

本文研究的混合动力客车系统的结构如图1所示，其中发动机ICE、电动/发电机ISG、驱动电机TM组成了整车的动力系统，动力源燃油和电源存储系统—电池组、电控离合器、行星齿轮系、AMT自动换挡耦合器、传动轴、驱动轮等构成了车辆的多元传动系统。

图1 四模混合动力总成及控制系统结构图

发动机由发动机控制器ECU来协调和控制，控制器DMCM1和DMCM2分别控制电动/发电机ISG和驱动电机TM。电池管理系统BMS主要负责检测电池实时状态，包括电池的SOC、电压、电流、温度以及充放电效率等。电控离合器决定着发动机是否参与车辆的驱动，AMT换挡机构决定着系统的驱动链的选择。整个系统的控制器HCU负责接收各控制器的反馈信号，并通过整车控制策略对各个控制器发出控制指令，协调整车各部件的工作。它们之间通过CAN总线的形式或AD/DA数据传递形式进行通讯，以达到控制整车的目的。

1.1 行星齿轮系

行星齿轮系是作为一个功率分流装置存在的机械结构，基本结构如图2所示。

图2 行星齿轮系

整个行星齿轮系由齿圈、太阳轮、行星架以及几个行星轮组成，由图1可知，行星齿轮系的齿圈、太阳轮、行星架分别连着ISG、TM以及尾轴，它们之间通过齿轮齿连接，齿圈的转速、太阳轮的转速与行星架的转速的关系为：

1.2 电控离合器

新型整车动力结构中电控离合器处于发动机与ISG电机中间，其结合与断开直接决定着发动机是否参与动力输出，当电控离合器断开时，发动机可处于空转或停机状态，而不能参与整车的动力输出。电控离合器的结合与断开状态主要受整车控制器HCU控制，HCU通过判断电控离合器泵行程传感器的AD采样值的范围，从而识别电控离合器实际的结合与断开状态。

1.3 AMT换挡器

AMT换挡器由步进电机作为执行器来对档位进行切换，目标档位由HCU根据整车速度与需求转矩进行自动判断，本文中AMT包含一挡、二挡两个驱动挡位以及空挡，AMT的挡位切换状态如图3所示，0、1、2分别代表整车空挡、一挡、二挡的挡位状态，整车挡位从一挡到二挡或从二挡到一挡的切换过程必须经过空挡的过渡，这是由AMT本身的结构决定的，而这一结构特点就是当挡位处于空挡时整车各动力部件如发动机，ISG或TM之间可进行短暂的转速与转矩的调节，从而避免挡位直接切换带来的机械结构间的冲击。

图3 整车挡位切换状态

2 HCU控制器的软件设计

混合动力控制策略应该具有一定的广泛性，鲁棒性和可扩展性。一般控制器的执行函数主要包括两种：基于规则的协调控制函数；开环和闭环的计时器控制。依靠这两种执行函数协调各个元件的运行来最小化燃油消耗和维持SOC在一定的范围波动。本文研究的混合动力客车的整车有纯电状态和发动机混合驱动两种状态，由于驱动链分为两个档位，所以车辆的驱动模式总结为四种：单电机纯电模式、双电机纯电模式、串联模式以及混联模式，不同模式下对应的动力源和各动力部件状态如表1所示，各模式之间的切换关系如图4所示。

表1 不同模式下整车各动力部件的匹配关系

图4 不同驱动模式的切换状态

在已经给定的四个模式，每个元件的转速可以根据尾轴的转速和需求转矩进行控制，在一定的转速和转矩可能都适合两个以上的控制模式，这样每个模式就是需要控制的一个额外自由度。发动机的起停主要由当前的SOC状态决定，发动机停机可以节省不必要的怠速油耗。尤其是相对于插电式车辆，更多的纯电驱动时间意味着更大的燃油经济性。两个档位的选择是由当前档位驱动的动力性，驱动效率和驱动能力决定的。在模式的选择中，需要有一定的标准使控制器可以自动决定选择合适的模式，一般都是通过每个模式下的目标代价函数决定：

当前可以计算每个运行模式下的目标函数，在当前的尾轴转矩和转速情况下，可替换的档位的目标值如果低于当前的目标值，就可以通过改变运行模式来提高系统的经济性。为了避免车辆行进中模式频繁的切换，在各个模式经济性的比较中，切换的目标模式经济性远大于当前的经济性；对当前转矩需求有一定的预测性；通过计时器保证模式的运行时间。

2.1 单电机纯电策略

单电机纯电模式主要消耗电能，在这种模式下，电机可以对轮边提供较高的扭矩。因此，单电机纯电模式一般选择在电池SOC较高且整车处于低速或起步状态时，此时电机的控制方式相当于常规车的发动机，整车尾轴与TM电机之间满足关系：

2.2 串联模式策略

该串联模式下，整车需求转矩仍由TM电机提供，所以TM电机的控制方式仍为转矩控制，且TM的转矩与整车需求转矩的关系同单电机纯电情况。当整车电池SOC低于设定的门限值，但不需要行车充电时，为了保护电池防止电池过放导致电池的损坏，需要启动发动机使SOC保持在一定的范围，所以需要电控离合器结合，发动机采用转速控制方式，ISG电机在发动机的带动下给电池组充电，同时电池组给TM电机供电，此时电池组的充电功率等于电池组的放电功率，即发动机提供的能量全部用于TM电机驱动车辆，发动机并未输出额外的功率用于提高电池SOC，发动机与TM电机的功率关系为：

2.3 双电机纯电模式策略

在双电机纯电模式下，发动机维持停机状态，电控离合器断开，避免ISG电机倒拖发动机造成额外的能量损失，同时ISG电机和TM电机联合驱动尾轴，其中TM电机为转速控制模式，使TM电机维持在高效率运转区域，ISG电机则采用转矩控制模式补充TM电机产生的转矩外的整车需求转矩。ISG电机转矩、TM电机转矩以及整车尾轴需求转矩之间满足关系为：

与之对应的转速关系为：

2.4 混联模式策略

当电池SOC较高，双电机纯电模式已经无法满足整车驱动时，或者SOC低于门限值时，必须由发动机来补充剩余功率输出，这时整车控制系统指令电控离合器结合，发动机开始参与整车驱动。在实际策略中，为了使整车燃油经济性和车辆的排放效果达到最佳状态，混联模式中优先分配发动机的功率，让发动机运行在高效率区域，整车剩余所需功率则由ISG电机和TM电机补充输出：

与之对应的转速关系为：

3 仿真结果与分析

3.1 循环工况下的仿真

仿真测试是对系统控制策略进行验证的优良途径，为了验证整车控制策略，针对整车控制器原型进行了基于dSPACE的硬件在环仿真测试，建立的硬件在环测试系统如图5所示。

图5 硬件在环测试系统架构

测试过程中，上位机通过BDM烧写器将控制代码写入整车控制器中，下位机则通过dSPACE数据线将整车各部件虚拟模型(包括发动机模型、动力链模型、电机电池模型以及驾驶员模型等)下载到dSPACE工具箱中，控制器与dSPACE工具箱之间则通过I/O、CAN线束进行数据传输和通信。测试过程中涉及到的整车基本参数如表2所示。

表2 整车基本参数

本文采用的硬件在环测试方法是在中国典型城市公交工况下对整车控制策略进行测试，并对测试过程中产生的数据和曲线进行分析，图6～图8是在循环工况下得到的仿真结果。

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

国家自然科学基金(51275291)

陈亮(1988—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为混合动力汽车。