混合动力城市客车整车控制系统的开发

混合动力城市客车整车控制系统的开发
胡斐;赵治国;孙泽昌
【摘要】为某一混合动力城市客车开发了整车控制系统,包括能量管理策略和动力协调控制.能量管理策略根据对客车工作模式的划分和分析,确定各个模式相应的控制策略；动力协调控制则以主驱动电机转矩作为补偿,实现了AMT换挡的动力不中断.同时,基于自动代码生成技术开发了整车控制器(HCU)软件.实车试验表明,所开发的整车控制系统使混合动力城市客车经济性提高了约26％,动力性改善了约17％,排放也有所降低.%The vehicle control system (VCS) for a hybrid electric city bus is developed, including energy management strategy (EMS) and power coordination control (PCC). Based on the division and analysis of bus operation modes, the EMS determines the corresponding control strategy for each operation mode; while PCC uses the torque of the driving motor as compensation to realize AMT shifting without power interruption. In addition, the software of hybrid control unit ( HCU) is developed using automatic code generation technology. The results of real vehicle test show that with the VCS developed, the fuel economy and power performance of the hybrid electric city bus are enhanced by around 26% and 17% respectively with emissions also improved.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2012(036)004
【总页数】5页(P283-287)
【关键词】混合动力城市客车;整车控制系统;能量管理策略;动力协调控制
【作者】胡斐;赵治国;孙泽昌
【作者单位】同济大学汽车学院,新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学汽车学院,新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学汽车学院,新能源汽车工程中心,上海201804
【正文语种】中文
前言
混合动力城市客车整车控制系统包括能量管理策略和动力协调控制。

能量管理策略的任务是根据驾驶员的操作，在保证驾驶员需求和动力性的前提下，协调各动力源的输出，降低油耗、减少排放;动力协调控制的作用是针对本文的动力系统结构，通过协调控制主驱动电机的转矩输出，实现AMT换挡的动力不中断，提高整车的舒适性和动力性。

1 动力系统结构与整车控制器
图1 混合动力城市客车动力系统简图
混合动力城市客车动力系统简图见图1。

该动力系统包括发动机、集成起动发电机(ISG)、电控离合器、电控机械式自动变速器(AMT)、主驱动电机和由铅酸蓄电池与超级电容并联组成的储能系统。

整车控制器(hybrid control unit，HCU)一方面通过总线CAN_A［1］与发动机控制器(ECM)和AMT控制器(TCU)进行通信，另一方面通过总线CAN_B［2］与ISG 控制器(ISGC)、主驱动电机控制器(DMC)和电能管理单元(EEMU)进行通信。

同时，HCU输入钥匙、踏板和挡位等信号。

2 整车控制策略
2.1 能量管理策略
2.1.1 工作模式划分
根据驾驶员的操作，混合动力城市客车的工作模式如表1所示。

表1 混合动力城市客车的工作模式信号挡位模式D N R 加速踏板制动踏板√未踩
怠速(充电)踩下轰油门√√踩下未踩驱动√未踩未踩滑行/准备起步√未踩踩下制动√倒车
2.1.2 怠速充电模式
一方面，由于所开发的混合动力城市客车没有实现辅助系统的电动化，空调、助力转向和气泵等仍需发动机驱动，故不能实现发动机怠速停机;另一方面，根据中国
典型城市公交循环［3］，怠速时间在整个循环中的比例达29.0%，且实测［4－5］所配柴油机怠速油耗为1.8L/h，因此，怠速充电模式对燃油经济性的提高具有重
要意义。

怠速充电模式下，发动机带动ISG发电，机械能被转化成电能存储在储能系统中。

此时，系统能量流动方向为:发动机→ISG→储能系统。

因此，若要使整个系统的效率最高，应综合考虑发动机、ISG和储能系统的效率，且
式中:ηidcha为怠速充电模式下系统的总效率;ηeng、ηISG和ηescha分别为发动机效率、ISG发电效率和储能系统充电效率。

根据台架试验得到的发动机万有特性和ISG效率图，综合储能系统的效率，绘制
怠速充电模式下系统的总效率曲面如图2所示，效率最高点即为最优怠速点。

图2 怠速充电模式下系统总效率图
2.1.3 驱动模式
定义需求转矩Tr为AMT输入轴转矩，且
式中:α为加速踏板行程(0～100%);Temax为发动机最大转矩;Tmmax为主驱动电机最大驱动转矩;ig为AMT速比;K为调整系数，且
式中:v为车速;SOC为荷电状态。

根据台架试验得到的发动机万有特性图，将发动机工作区划分为3个部分，如图3所示。

(1)Te，low以下区域为发动机低负荷区，燃油经济性差。

当需求转矩在此区域时，ISG发电对发动机进行转矩提升，以避免发动机工作在此区域。

(2)Te，high与 Te，low之间区域为发动机经济区。

当需求转矩在此区域时，车
辆由发动机单独驱动。

(3)Te，high以上区域为助力区。

当需求转矩在此区域时，发动机和主驱动电机同时参与驱动。

图3 发动机工作区划分
驱动工作模式划分如表2所示。

表中，v0为临界车速，当车速低于v0时，车辆
为纯电动起步或者串联混合动力模式，发动机不直接参与驱动;SOClow和SOChigh分别为SOC的下限值和上限值。

当SOC低于SOClow时，ISG发电;当SOC高于 SOChigh时，主驱动电机参与驱动。

表2 驱动工作模式划分信号车速SOC ISG≤v0 ＞SOClow ——需求转矩驱动模
式部件状态发动机离合器主驱动电机纯电动怠速断开驱动不工作≤v0
≤SOClow ——串联混合动力工作断开驱动发电＞ v0 ＞ SOClow Tr ＜ Te，low 发动机驱动发电工作闭合不工作发电＞ v0 ＞ SOClow Te，low≤Tr≤Te，high 发动机工作闭合不工作不工作＞ v0 ＞ SOClow Tr ＞ Te，high 并联混合动力工作闭合驱动不工作＞v0 ≤SOClow ——发动机驱动发电工作闭合不工
作发电＞v0 ≥SOChigh ——并联混合动力工作闭合驱动不工作
2.1.4 制动模式
制动模式下，控制策略应在保证安全性的前提下尽可能多地回收制动能量。

车辆制动时，最大地面制动力Fxbmax为
式中:φ为附着系数;Fz为各车轮法向载荷之和，且对于后轮［6］有
式中:G为车重;L为轴距;a为质心至前轴中心线的距离;z为制动强度;hg为质心高度。

故由地面附着条件决定的电机最大制动力矩为
式中:r为车轮半径;i0为主减速器速比。

由于所开发的混合动力城市客车制动系统为并联复合制动系统，且制动踏板信号为数字量，故制动模式下电机制动力矩为
式中:Tmmax为主驱动电机当前最大制动转矩;C1为驾驶感和舒适性决定的系数，范围为0～1;考虑到低转速下电机铜损和铁损等功率损耗可能超过其回收的能量，定义调整因子C2如图4所示，图中，ω为电机转速，ω1为制动能量回收截止点转速，ω2为制动能量回收下降点转速。

2.2 动力协调控制
图4 C2曲线
在所开发的混合动力城市客车动力系统中，主驱动电机位于AMT之后，故可在换挡过程中协调控制主驱动电机的输出转矩，使驱动轴的动力不中断，从而提高舒适性和动力性。

控制目标是保证驱动轴转矩Tdrive在换挡过程中保持不变，且
式中:Te为发动机转矩;Ti为ISG转矩;Kc为离合器状态，1为接合，0为分离;Tm
为主驱动电机转矩。

换挡过程中，HCU 根据 Te、Ti、Kc、ig和换挡开始时刻的驱动轴转矩Tdrive0，控制主驱动电机输出力矩为
3 软件实现与实车试验
3.1 软件实现
整车控制器HCU软件开发的主要步骤如下:
(1)基于Simulink和Stateflow开发整车控制策略［7］，建立mdl文件，并嵌入到整车模型中进行仿真和验证;
(2)基于 EmbeddedTargetforMotorola MPC555［8－9］，在以上 mdl文件中
添加 MPC555 配置模块、CCP模块、I/O模块和CAN模块等;
(3)基于Real-Time Workshop Embedded Coder，配置Solver和RTW［10］，编译生成 s19文件和 a2l文件，完成图形模块到控制器代码的自动转化;
(4)基于CANape，将s19文件通过CAN总线下载至整车控制器，同时使用a2l
文件完成信号测量和参数标定［11］。

所开发的整车控制系统包括输入模块、输出模块、整车控制模块、故障诊断模块、控制器配置模块、CCP模块和看门狗模块等。

3.2 实车试验
实车试验如图5所示，图5(a)为试验现场，图5(b)为整车控制器与CANape连接实物图;信号测量、参数标定与车速跟踪界面如图6所示。

图5 实车试验图
图6 信号测量、参数标定与车速跟踪界面
图7为能量消耗量试验结果(清晰起见，这里只给出单个循环)，动力协调控制结果如图8所示，发动机工作点分布如图9所示。

由图7可见，在HCU的协调控制下整个循环工况的运行过程中:(1)实际车速很好地跟踪了循环车速;(2)主驱动电机实现了起步、助力、制动能量回收和动力协调等功能;(3)超级电容与蓄电池的并联使用，有效克服了蓄电池不支持大充放电电流、低比功率等不足，提高了整车加速性能和制动能量回收效果;(4)储能系统能量维持情况良好，起步和助力等工况所消耗的电量在怠速发电、制动能量回收和小需求转矩等工况下得到了有效补充。

图7 能量消耗量实车试验结果
从图8可见，在HCU的控制下，AMT换挡时动力未中断。

动力协调控制过程如下:(1)换挡开始，发动机转矩降为零，主驱动电机输出转矩进行补偿，使驱动轴转矩不变;(2)TCU对发动机进行转矩控制，发动机转矩波动，主驱动电机输出转矩随之变化，使驱动轴转矩不变;(3)离合器分离，主驱动电机输出转矩进行补偿，且转矩值恒定，使动力不中断;(4)摘挡后升挡;(5)离合器结合，发动机转矩逐步介入，主驱动电机转矩随之减小，使驱动轴转矩不变。

图8 动力协调控制效果
图9 能量消耗量试验发动机工作点分布图
从图9可见，在HCU的协调控制下，发动机工作点分布良好:(1)大部分发动机工作点集中在Te，high与 Te，low之间的经济工作区;(2)当需求转矩较小时，ISG 发电对发动机进行转矩提升，避免了发动机工作在低负荷区，同时对储能系统进行充电。

根据相关国标，对实车进行了经济性［3－5，12］、动力性［13］和排放测试［14］，结果如表 3 所示。

在整车控制系统的控制下，相比于原型车，混合动力城市客车经济性提高了25.65%，动力性提高了16.96%，排放也得到了改善。

表3 实车测试结果测试项目原型车混合动力车经济性中国典型城市公交循环100km等效油耗/L 40 29.74［15］动力性 0－50km/h加速时间/s ≥23 19.1［15］排放性欧Ⅲ 好于欧Ⅲ
4 结论
(1)混合动力城市客车的整车控制系统实现了对车辆的良好控制。

(2)分析了混合动力城市客车的怠速充电模式、驱动模式(包括纯电动模式、串联混合动力与并联混合动力模式)和制动模式，给出了各模式下的控制策略，并开发了HCU软件。

(3)通过调节主驱动电机的输出转矩，实现了AMT换挡时的动力不中断。

(4)实车试验表明，相比于原型车，所开发的HCU使混合动力城市客车经济性提高了25.65%，动力性提高了16.96%，排放也有所改善。

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