基於Cruise的PHEV動力總成集成控制研究論文

0 引 言

隨着石油危機和傳統汽車尾氣排放給環境造成的污染日益嚴重，全球開始重點研發低排放、低消耗的HEV。由於追求低排放和低消耗，HEV動力總成電子控制單元和電子裝置也不斷增加，以控制某種局部功能爲目標的各部件ECU，如發動機ECU、電動機ECU、蓄電池 ECU、動力耦合器 ECU 等相繼得到研究。但動力總成系統作爲一個機電大系統，其性能優劣不能僅體現在局部功能上，需要儘可能使汽車在某一工況下各種性能達到一定程度上的最優。因此，研究動力總成系統各部件之間的集成控制成爲HEV電子控制系統的關鍵。

本研究以並聯式混合動力汽車動力總成系統爲主體，研究動力總成系統各部件ECU的集成控制，探索提高整車動力性和燃油經濟性的控制策略與方法。

1 動力總成集成控制原理

動力總成集成控制系統主要包括：系統ECU、發動機 ECU、電動機 ECU、蓄電池 ECU、動力耦合器ECU。不同部件ECU具有不同的目標、知識和資源，並且能單獨地對資訊進行處理、分析並做出決策。而系統ECU能對具有不同目標、知識和資源的部件ECU的任務進行合理安排，使整個系統協調工作，最大程度地完成各自的目標，實現單個ECU不能完成的任務。即從總體上控制動力總成各部件的性能，優化PHEV動力總成系統，使PHEV動力總成匹配策略具有整體性，解決動力總成系統根據具體工況的自適應匹配問題。這種集成控制不是把各動力部件單獨地相加，而是從整體上把握各動力部件的工作特性，做到各部件協調控制從而達到整體上的最優。

2 控制系統框架

如何將動力總成各部件ECU組織成一個羣體使它們能有效地協調合作，提高車輛的燃油經濟性和排放性能是筆者研究的關鍵。

集成控制系統包括多傳感器系統、系統ECU及動力總成各部件ECU。多傳感器系統負責採集車輛執行資訊及動力總成各部件工作狀況資訊，並將其傳遞給系統ECU。系統ECU負責集成控制的決策和資訊的處理和傳遞，具有最高的智能水平，其功能是根據多傳感器系統採集的資訊(如實時路況、駕駛員動作等)，對整個動力總成系統的執行狀況做出評估並形成決策，對任務進行合理分配，協調各部件ECU的競爭和合作，從而達到整體控制效果的最優。動力總成各部件ECU在接收系統ECU綜合調配的基礎上，自主決定相應的控制策略，儘量最優化控制子目標，並將控制的效果反饋給系統ECU，作爲其評估和調配的參考。動力總成各部件主要執行各部件ECU交代的任務，最終完成工作模式的判別和動力的合理分配。

3 仿真模型構建

利用Simulink建立的動力總成集成控制系統頂層模型如圖2所示。該模型由系統ECU模型、動力耦合器ECU模型、發動機ECU模型、電動機ECU模型和蓄電池ECU模型組成。

3.1 系統ECU模型

在整個動力總成集成控制系統中，系統ECU主要任務是判斷汽車行駛模式、分析數據並對任務進行合理分配。

本研究建立的系統ECU模型如圖3所示。在汽車行駛過程中系統ECU不斷檢測汽車的需求轉矩和電池的SOC(State of Charge)。根據系統知識庫的數據分析處理確定汽車處於哪種工作模式，並將資訊傳送給動力耦合器ECU，動力耦合器ECU根據汽車的工作模式資訊確定發動機和電機的工作狀態和動力輸出。

3.2 動力耦合器ECU模型

本研究動力耦合器ECU接收系統ECU給出的工作模式資訊，透過動力耦合器控制發動機和電機的'動力輸出，併爲各動力部件分配動力。

3.3 發動機ECU模型

發動機是汽車動力總成的關鍵部件，筆者根據發動機特性，建立的發動機ECU模型如圖5所示。發動機ECU以提高燃油經濟性和改善排放性能爲目標，使發動機儘量工作在最佳工作區，合理控制發動機的輸出轉矩和轉速。

4 仿真分析

4.1 Cruise建模

爲了驗證集成控制在PHEV動力總成系統中的控制效果，本研究基於AVL List公司的Cruise軟件對所設計的集成控制模型進行仿真校驗。某型傳統轎車的仿真參數如表1所示，以此爲基礎，在Cruise中建立的PHEV仿真模型如圖9所示，其中包括髮動機、ISG電機、電池、傳動系統、行駛系統和控制系統等模組。本研究建好整車框架後加載子模組數據，與Matlab進行聯合仿真。

4.2 結果分析

在Cruise環境的UDC循環工況下，本研究對軟件自帶的Hydrid1模型和集成控制模型進行了仿真模擬對比實驗，獲得的發動機工作點。

5 結束語

(1)本研究採用Matlab/Simulink與Cruise軟件對PHEV動力總成進行了集成控制仿真建模，對比分析了控制效果，集成控制策略下的 PHEV 動力總成在UDC工況下能獲得滿意的動力性和經濟性;

(2)仿真中，本研究從全局的角度考慮了多能源動力總成的匹配協調問題，將邏輯門限、狀態圖與執行模式有機結合，快速實現PHEV動力總成對不同狀態切換的匹配協調，爲HEV動力總成系統的集成控制研究提供了一種新的方法和途徑。