基于移动供电技术的军用ISG混合动力车辆控制规则优化研究

曾繁琦，俞妍，卜建国，边浩然，杨磊，资新运

(1.陆军军事交通学院学员五大队，天津 300161；2.陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161；3.中国人民解放军91115部队，浙江 舟山 316000)

当前，我军的移动供电装备主要还停留在车载发电机组和取力发电系统的阶段。针对现有移动式供电系统存在维修保养困难、持续工作能力不足、发电效率偏低以及发电品质有待提高等问题，本研究提出了一种基于移动式供电技术的ISG混合动力系统的集成化方案，以满足未来战争对陆战平台提出的更高要求[1-2]。

以某装备移动式发电车为基础，充分发挥ISG电机的性能优势以实现混合动力功能。发电车所搭载的电机是以驻车发电性能指标作为匹配原则，主要考虑驻车供电能力，与同类型的民用混合动力车辆相比，其电机功率较低。同时军用车辆质量大，配备发动机功率高，而车辆性能依赖于动力源的协调控制，因此，在电机功率有限的情况下制定合适的控制策略以提升移动式发电车的性能，是军用ISG混合动力车辆研究的关键[3-6]。

在传统民用混合动力车辆控制策略研究中，受到系统优化目标和车辆使用环境条件的影响，控制方法灵活多样、日渐成熟。林歆悠等[7]将随机动态规划算法引入到动力源之间功率分配控制规则中，具有较好的控制效果，但算法对控制器参数和环境噪声比较敏感，不适合在军用车辆干扰严重的恶劣工作环境中使用。Z. Kou等[8]建立了基于逻辑的混合动力动态模型，采用预知驾驶循环工况的方法实现了系统能量管理的优化控制，但现有的市区循环、公路循环以及高速循环等驾驶循环工况仅适用于民用混合动力车辆，无法满足军用车辆面向战场的使用要求。吴剑等[9]采用的神经网络算法虽然降低了燃油消耗，但训练样本需求量大且无法在线运行，限制了其使用范围，无法在军用车辆上实现。

综上所述，目前混合动力车辆控制策略具有算法复杂、抗扰动能力弱等缺点，一部分基于优化的控制策略算法复杂，受限于控制器的运行能力难以实现实时控制[10]，对于运行特性复杂的军用ISG混合动力车辆并不适用且控制难度大[11]。因此，针对当前控制方法中存在的问题，结合一种以移动式供电技术为基础的ISG混合动力系统，综合考虑发动机的效率特性以及动力电池的充放电特性对控制规则进行了优化研究，根据优化规则提出了工作模式切换控制策略和转矩分配控制策略，并对控制规则进行了仿真验证，实现了工作模式之间的动态切换以及动力源输出转矩的合理分配，在保证整车动力性的前提下提高了燃油经济性。

1 系统方案设计

1.1 车载电力装备与用电需求分析

根据对某单位车辆装备情况的实地调查研究，初步掌握了车载电力装备和用电需求情况。现有移动式供电系统主要以东风EQ系列和陕汽SX系列等越野车辆进行改装，用于为维修保障、电子对抗、工程作业、后勤军需、侦察装备和指控装备等提供电力保障。该单位车载电力装备主要有40多种，包括电力需求5 kW以下的通信光端车、集群车和电台车等电子通讯车辆，10～15 kW的汽车修理方舱、装甲拆装工程车和装甲检测工程车等维修保障车辆，15～20 kW的综合机要车、主食加工车和保温冷藏车等后勤军需车辆，20～25 kW的工程保养车、工程侦查车和金木工作业车等工程作业车辆。其中，3～15 kW范围内的功率需求最大[12]。

1.2 ISG电机选型与数值建模

移动车载供电装置采用的电机主要有直流电机、感应电机、开关磁阻电机和永磁同步电机，每种电机的功率、转速范围以及可靠性等指标不尽相同(见表1)。

表1 4种电机指标对比

综合对比4种电机的各项指标可以看出，开关磁阻电机和永磁同步电机明显优于其他两种电机，而永磁同步电机相对于开关磁阻电机具有更高的功率密度和效率，因此，军事装备移动式发电系统选择永磁同步电机作为ISG电机。同时，为满足不同车载电力装备的功率需求，选择30 kW作为军事装备移动式发电系统的电机功率，电机参数见表2。

表2 ISG电机参数

图1 ISG电机试验台架

ISG电机建模采用试验建模法[13-15]，其数值模型根据台架试验数据建立。ISG电机试验台架见图1。根据在电动、发电模式下的测试数据进行插值拟合得到ISG电机全工况范围内的效率数值模型[16](见图2)。

图2 ISG电机数值模型

1.3 移动式供电系统总体布置方案

目前，我军通讯、指挥、工程作业、防化等军用车辆均采用24 V电源为部件供电，但随着ISG技术的发展，48 V电源系统正逐渐成为主流。因此，为了适应ISG技术的发展，并与未来标准电源相匹配，军事装备移动式发电系统采用48 V电源为部件供电，发电系统电源方案见图3。

军事装备移动式供电系统是基于传统军用车辆底盘系统开发而成，通过加装ISG电机实现移动式供电功能，为车载武器装备提供电力保障。移动式发电车采用ISG电机直接与发动机曲轴相连的方式作为底盘布置方案(见图4)，ISG电机布置于发动机离合器之间。该方案具有系统继承性好、驻车发电功能易实现、发电效率高以及能够实现减重等优点。

图3 供电系统电源方案

图4 军事装备移动式发电车总体布置方案

1.4 军用ISG混合动力系统方案设计

军事装备移动式发电车仅仅是利用ISG电机的发电模式实现移动式供电功能，但在行车过程中，发电车的驱动方式仍为传统的纯发动机驱动。为充分发挥ISG电机的优势，使车辆在行驶状态下实现纯电动行驶、行车发电、联合驱动等功能，本研究采用在发动机和ISG电机之间加装一个自动离合器的单轴并联式结构，将现有移动式发电车升级改造成军用ISG混合动力车辆，通过车辆行驶过程中自动离合器传递或中断发动机的动力实现所需工作模式。系统方案见图5。

图5 军用ISG混合动力系统方案

2 控制规则优化原则

作为对武器装备进行电力保障的能量平台，军用ISG混合动力车辆供电能力和整车性能的优劣直接影响着战时条件下的作战态势，因此ISG系统的控制规则必须具有良好的动态响应特性，即避免动力电池过度充放电以及发动机尽可能工作在高效区域，从而使军用ISG混合动力车辆在满足供电品质和整车动力性的前提下获得整车最佳燃油经济性[17-19]。

2.1 动力电池SOC管理模式

基于规则控制的动力电池SOC管理模式分为电能消耗(charge depleting，CD)运行模式和电能维持(charge sustaining，CS)运行模式[20-23]。CD运行模式是采用设置动力电池停止充放电SOC门限值的方法，当高于上限值SOChigh时，对电池组停止充电，当低于下限值SOClow时，对电池组进行充电，SOC范围的设定保证了电池不被过分充放电；CS运行模式是采用设置SOC目标值SOCtarget的方法，保证车辆在整个循环工况过程中SOC维持在设定目标值附近，SOC值仅仅在一个很小的范围内波动[24]。本研究采用CD运行模式，即

SOClow≤SOC≤SOChigh。

2.2 发动机优化工作区划分

在军用ISG混合动力系统中，发动机控制的原则是使其尽可能工作在经济性较高的区域，因此，划分发动机优化工作区是制定控制规则的关键。在原有供电系统中，由于工作模式单一、工况简单，且用电设备对运行电压或频率有一定特殊要求，因此发动机控制采用定转速功率跟随控制策略[25-27]。升级改造后的军用ISG混合动力车辆工作模式复杂多变，定转速功率跟随的发动机控制策略已不再适用。为了进一步改善整车动力性和经济性，发动机控制采用经济工作区转矩跟随控制策略，即在满足整车需求转矩的条件下，通过ISG电机的转矩补偿控制发动机工作在有限的区域内，这样可保证发动机尽可能工作在高效工作点或者高效率区域。

为了保证发动机的燃油经济性，发动机沿着最佳燃油消耗“曲线带”工作(见图6)，即发动机工作点尽量分布在经济工作区。该控制策略使得发动机能较好地跟随转矩需求，充分发挥了行车过程中ISG电机的性能优势，这样既可以兼顾整车的能量需求，又能获得较好的燃油经济性。

图6 发动机经济工作区

3 模式切换控制策略

3.1 工作模式分析

发动机和电机之间通过自动离合器耦合进行协同工作，车辆状态可分为驻车、驱动、制动3种，在不同车辆状态下通过控制发动机、ISG电机、动力电池、双离合器等部件的工作状态可以实现车辆的纯发动机行驶、纯电动行驶以及混合驱动等工作模式。不同车辆状态下混合动力系统部件的状态以及对应的工作模式见表3。停车模式下车辆起步时，动力电池放电，ISG电机处于电动模式驱动车辆起步，这样可以消除传统的发动机单独起步模式下发动机低负荷时高油耗、重污染的弊端；当车辆状态为驱动模式时，根据动力电池SOC值和整车需求转矩切换ISG电机工作状态，当ISG电机单独工作无法满足整车需求转矩时，离合器1结合以起动发动机参与驱动，通过ISG电机转矩补偿作用调节发动机工作状态，从而改善发动机工作效率；当车辆状态为制动模式时，根据车辆速度、加速度以及动力电池SOC值判断所采取的制动模式，制动原则为“再生制动先行，机械制动补充”，当制动能量回收效率较低时，车辆制动完全由机械制动完成。

表3 ISG混合动力系统工作模式

3.2 自动离合器状态控制

工作模式之间的转换本质上可以看作是纯电动驱动模式和发动机参与驱动模式之间的切换，模式切换控制需要对自动离合器(离合器1)的结合过程和分离过程进行控制，以减小离合器摩擦片的磨损，提高离合器状态改变过程中车辆的平顺性，降低冲击[6]。

1) 结合过程

从纯电动驱动模式转换到发动机参与驱动模式首先需要起动发动机，这就必须结合自动离合器。通过离合器缓缓结合，ISG电机将发动机拖转至点火转速，发动机喷油点火，随即转速迅速上升，当发动机转速和电机转速差值小于一定范围时，离合器完全结合，发动机转速和电机转速一致，二者达到同步状态，即

式中：mc_1为当前离合器状态，取值范围为[0,1]，0表示完全结合，1表示完全分离；mc_1′为前一时刻离合器状态；ne为发动机转速；nm为ISG电机转速；Δn为转速门限值。

2) 分离过程

从发动机参与驱动模式转换到纯电动驱动模式时，需要关闭发动机并分离自动离合器。为了避免由于传递到传动轴上的转矩突然减小引起的冲击，需要在发动机转矩下降到一定范围以后，断开自动离合器，即

式中：Te为发动机输出转矩；Te_low为发动机转矩下限。

3.3 工作模式切换规则

工作模式切换规则的核心内容是根据由整车需求转矩、部件工作状态等信息确定的模式判定条件判断下一时刻车辆的工作模式，如表4所示，其中Treq为整车需求转矩，Tm_max为ISG电机电动模式下最大输出转矩，ne_min为发动机最低稳定转速，Te_eco_low为发动机经济工作区转矩下限，Te_eco_high为发动机经济工作区转矩上限。

表4 基本工作模式及判定条件

随着运行工况的不断变化，不同工作模式间进行不断切换，切换规则见图7。

图7 工作模式切换规则示意图

4 转矩分配控制策略

军用ISG混合动力车辆在行驶过程中，整车需求转矩包括发动机输出转矩、ISG电机输出转矩以及制动转矩，其中发动机输出转矩大小由加速踏板位置决定，制动转矩大小由制动踏板位置决定，即

Treq=Te+Tm+Tb。

式中：Tm为ISG电机输出转矩；Tb为机械制动转矩。

当整车需求转矩较小时，由ISG电机单独工作以满足驾驶员需求；当整车需求转矩较大时，由发动机和ISG电机共同工作以满足驾驶员需求。根据纯电动区间转矩上限、发动机经济工作区转矩上下限对整车需求转矩在发动机外特性曲线图上划分为纯电动行驶模式、行车发电模式、发动机单独驱动模式、ISG电机助力模式(见图8)。此外，还有起动发动机模式、制动模式、停车模式等辅助工作模式。不同工作模式根据整车需求转矩、部件工作状态等信息进行转换，结合双动力源的工作特性对它们的输出转矩进行合理分配。而ISG电机实际输出转矩会受到动力电池输出功率限制，因此引入电池组SOC修正因子，根据整车需求转矩和动力电池SOC调整电机转矩指令。

图8 转矩分配模式

1) 纯电动行驶模式

ISG电机单独驱动时，车辆处于纯电动行驶模式，整车需求转矩低于纯电动区间上限。整车全部需求转矩由ISG电机来提供，发动机不输出转矩。纯电动行驶模式下的转矩分配为

式中：km(SOC)为ISG电机电动模式下动力电池SOC修正因子。

2) 起动发动机模式

当整车需求转矩高于纯电动区间上限时，需要起动发动机以补充转矩需求。ISG电机利用自动离合器的结合在很短时间内将发动机拖转到点火转速，然后发动机喷油点火，使得发动机直接进入经济区运转，这样可以大幅度降低起动工况下的燃油消耗和污染物排放。起动发动机模式下的转矩分配为

式中：Te_eco为发动机最佳经济性转矩。

3) 行车发电模式

在行车发电工作模式下，整车需求转矩介于纯电动区间上限与发动机经济工作区下限之间且SOC较低，考虑动力电池SOC的影响分配发动机和ISG电机的输出转矩，这样既可以满足整车动力性又能够实现行车发电。此时，发动机工作在经济工作区，整车需求转矩由发动机提供，多余转矩用于带动ISG电机为动力电池充电，或为车载武器装备等用电设备提供电力保障。行车发电模式下的转矩分配为

式中：Tg_min为ISG电机发电模式下最小输出转矩；kg(SOC)为ISG电机发电模式下动力电池SOC修正因子。

4) 发动机单独驱动模式

车辆在发动机单独驱动时，整车需求转矩在发动机经济工作区范围内，发动机工作效率较高并满足整车全部转矩需求，ISG电机不输出转矩。发动机单独驱动模式下的转矩分配为

5) ISG电机助力模式

在ISG电机助力模式下，整车需求转矩高于发动机经济工作区转矩上限，发动机和ISG电机均无法单独提供整车全部需求转矩。电机助力模式以发动机时刻运转在高效区域为基本原则，电机补充额外转矩；当电机达到峰值转矩仍无法满足整车转矩需求时，增大发动机输出转矩以满足转矩需求。ISG电机助力模式下的转矩分配为

6) 制动模式

当整车需求转矩小于零时，车辆进入制动模式，采用“再生制动先行，机械制动补充”的制动原则，根据制动需求确定制动模式，发动机不输出转矩，ISG电机和制动踏板提供整车需求转矩。制动模式下的转矩分配为

ΔT=Treq_w-(-TmnmηT/nw)，

式中：k(v)为速度对制动转矩分配影响的修正因子；k(a)为加速度对制动转矩分配影响的修正因子；Treq_w为轮边需求转矩；ηT为传动系统效率；nw为轮速。

7) 停车模式

车辆由减速到停车，发动机和ISG电机均不输出转矩。停车模式下的转矩分配为

式中：Tb_max为最大制动转矩；p为制动踏板行程。

5 控制规则仿真验证

为确定所制定控制规则的有效性，以某ISG混合动力车辆为研究对象，建立Cruise-Simulink联合仿真模型(见图9)，进行整车控制规则仿真验证。

●recursion yes，是否允许进行递归解析，这里如果是no表示关闭递归解析功能，配置文件的默认值为yes，即允许递归解析。一般客户机和服务器之间属于递归查询，即当客户机向DNS服务器发出请求后，若DNS服务器本身不能解析，则会向另外的DNS服务器发出查询请求，得到结果后转交给客户机。由于此处仅需要配置一个缓存DNS服务器，这种DNS服务器的特征是仅仅将本地局域网内的所有查询转发到其他DNS服务器处理，而自身并不存储域名数据库。所以此处必须设置为recursion yes。

图9 联合仿真模型

本研究的ISG混合动力车辆是在某军用越野车辆结构的基础上对车辆进行改造升级而成的，因此，需要对原传统车辆模型进行模型精度验证。通过试验所测原传统车辆性能参数对车辆模型进行标定验证，原传统车辆的试验数据和仿真结果对比见表5。从表5可以看出，原传统车辆性能参数试验值与仿真值的偏差率均不超过3.00%，在可接受范围内，表明原传统车辆模型与实车契合度较高，模型精度满足要求，进一步验证了仿真平台准确可靠，可保证改造升级后的军用ISG混合动力车辆模型建立、性能研究与控制策略研究的准确性。

原传统车辆与ISG混合动力车辆的整车性能仿真结果对比见表6。从表6可以看出，与原传统车辆相比，军用ISG混合动力车辆的加速性和爬坡性均有很大提升，说明ISG电机对整车起到了加速助力作用，明显体现出其性能优势，同时，节油率达30%以上，即整车动力性和经济性明显提升。

表5 原传统车辆模型仿真与试验结果对比

表6 整车性能仿真结果对比

军用ISG混合动力车辆性能指标应满足未来战场需求，但是缺少战时行驶工况的相关性资料，因此，采用FTP75循环工况模拟城市工况，Highway循环工况模拟高速工况，Artemis_Road All_other_cases循环工况来模拟作战地域行驶工况，最终构建的组合循环工况为FTP75+Highway+Artemis_Road All_other_cases(FHA)(见图10)。以该工况模拟军用车辆在接到命令之后从城市出发，途径高速公路，最终到达指定地域遂行作战任务，全程50.56 km。

图10 循环工况

按照构建的FHA循环工况进行整车控制规则验证，控制规则仿真结果见图11至图14。

在构建的FHA循环工况下，车速跟随情况见图11。从图11可以看出，期望车速曲线与实际车速曲线基本重合，说明在当前工况下车辆具有较好的车速跟随性，车速波动较小。结果表明联合仿真模型对实际车速的控制满足设计要求，保证车辆具有较好的平顺性和稳定性，即提出的控制规则是可行的。

图11 循环工况下车速跟随曲线

图12 转矩分配控制策略仿真结果

整个循环工况中动力电池SOC的变化情况见图13。由于初始SOC较低，ISG电机多工作在发电模式为动力电池充电，SOC值逐渐增大，并保持在充放电门限值范围内，充电过程稳定，这样既利于延长动力电池的使用寿命，又可以满足车辆纯电动、起动发动机以及ISG电机助力等电动工作模式需求。

图13 动力电池SOC变化曲线

发动机工作点分布情况见图14。结果表明，本研究所设计的控制规则优化了发动机运行工况，使得发动机大部分工作点均分布在经济工作区内，具有较好的控制效果。

图14 发动机工作点分布

6 结束语

针对当前移动式供电技术存在的不足，并且为了满足未来战争对武器装备平台提出的新要求，提出了一种基于移动式供电技术的ISG混合动力系统的集成化方案，该方案继承了原有移动式发电车的优势外，还充分发挥了ISG系统的潜力，实现了混合动力功能。

动力电池CD运行模式保证了动力电池SOC保持在合理范围内，且ISG电机的转矩根据SOC值的变化进行实时调整，改善了SOC值；发动机经济工作区转矩跟随控制策略保证了发动机工作在高效区域，实现了对发动机运行工况的优化。

提出的模式切换控制策略涵盖了混合动力车辆的所有工作模式，通过自动离合器的控制实现了纯电动工作模式和发动机参与工作模式之间的切换；转矩分配控制策略根据驾驶员的转矩需求较好地协调了发动机和ISG电机之间的转矩分配，达到了预期的控制效果，表明控制规则切实有效。

在整车性能方面，与原传统车辆相比，军用ISG混合动力车辆加速性和爬坡性均有较大提升，节油率达30%以上。结果表明，在电机功率有限的情况下，本研究提出的控制规则提高了整车的动力性和燃油经济性。