２０１２年（第３４卷）第４期　汽车工程　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１２（Ｖｏ１．３４）Ｎｏ．４　

混合动力城市客车整车控制系统的开发　

胡　斐，赵治国，别、泽昌　（同济大学汽车学院，新能源汽车工程中心，上海２０１８０４）　２０１２０５６　

［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。　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　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｉｔｙ　Ｂｕｓ　

Ｈｕ　Ｆｅｉ．Ｚｈａｏ　Ｚｈｉｇｕｏ＆Ｓｕｎ　Ｚｅｃｈａｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ￣Ｃｌｅａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔｏｎｇｉｉ　Ｕｎｉｖｅｎｉ￣，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］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　ｏｐ—　

ｅｒａｔｉｏｎ　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　ｓｏｆｔ—　

ｗａｒｅ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ（ＨＣＵ）ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｄｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｖｅ－　

ｈｉｃｌｅ　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．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｉｔｙ　ｂｕｓ；ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｅｒｇｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｏｒ－　

ｄｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

刚吾　

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　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　

ＨＣＵ　＿ｒ　ｆｌ　｛『　ｌ　Ｉ　ｊＬ　Ｉｆ　ｌ】　ｆ　ＥＣＭｌ　ＩＳＧＣ　ＴＣＵ　

主驱动　发动机　ＩＳＧ　ＡＭＴ　电机　

一机械连接…　…动力线连接　——信号线连接　・ｌ　电池模块ｌ洲　

…｛超级电容模块　

图１　混合动力城市客车动力系统简图　

国家高技术研究发展计划（８６３计划）项目（２００８ＡＡ１１Ａ１３７）资助。　原稿收到日期为２０１１年４月２０日，修改稿收到日期为２０１１年５月２７日。　ＣＡＮ　Ａ　

ＣＡＮ　Ｂ　汽车工程　２０１２年（第３４卷）第４期　

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—Ａｌ】　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，｝昆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　加速踏板　制动踏板　Ｄ　Ｎ　Ｒ　、／　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　Ｊ，怠速时间在整个　

循环中的比例达２９．０％，且实测　所配柴油机怠　

速油耗为１．８ｌＭｈ，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：发动机一ＩＳＧ一储能系统。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　

叼。ｄ。ｈ　＝叼。　ｇ　ＩｓＧ　７７　。ｈ　（１）　式中：７７ｉ　为怠速充电模式下系统的总效率；叼　、　

叼　。和叼　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。　

褂　较　

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　为ＡＭＴ输入轴转矩，且　

Ｔｒ＝　（Ｔｏ…＋Ｋ　／ｉ　）　（２）　式中：　为加速踏板行程（０～１００％）；Ｔｏ…为发动机　最大转矩；Ｔｍ　为主驱动电机最大驱动转矩；ｉ　为　

ＡＭＴ速比；　为调整系数，且　

Ｋ＝－厂（　，ＳＯＣ）　（３）　式中：　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．　。　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）　．　ｉ曲与　．。。　之问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）Ｔｏ．ｈｉ　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。　

言　

辩　较　杷　窭　需　

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，％为临　

界车速，当车速低于　时，车辆为纯电动起步或者　胡斐，等：混合动力城市客车整车控制系统的开发　

表２驱动工作模式划分　

信号　驱动模式　部件状态　车速　Ｓ０Ｃ　需求转矩　发动机　离合器　主驱动电机　Ｇ　≤Ｖ０　＞Ｓ０Ｃ　纯电动　怠速　断开　驱动　不工作　≤　０　≤ＳＯＣ　串联混合动力　工作　断开　驱动　发电　＞Ｖ０　＞ＳＯＣｕ￣　Ｔ，＜Ｔ　．１　发动机驱动发电　工作　闭合　不工作　发电　＞ｖ０　＞ＳＯＣ　．　≤Ｔ，≤Ｔ　．ｈｉｇｈ　发动机　工作　闭合　不工作　不工作　＞Ｖ０　＞Ｓ０Ｃ　Ｔ，＞Ｔｅ．ｈｉｇｈ　并联混合动力　工作　闭合　驱动　不工作　＞ｖ０　≤Ｓ０Ｃ　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　

串联混合动力模式，发动机不直接参与驱动；ＳＯＣ　

和ＳＯＣｈｉｇｈ分别为ＳＯＣ的下限值和上限值。当ＳＯＣ　低于ＳＯＣ　。　时，ＩＳＧ发电；当ＳＯＣ高于ＳＯＣ　时，主　

驱动电机参与驱动。　

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Ｆ　为　

Ｆｘ６　＝　（４）　式中：　为附着系数；　为各车轮法向载荷之和，且　

对于后轮　有　

＝Ｇ（０一ｚｈ　）／Ｌ　（５）　式中：Ｇ为车重；Ｌ为轴距；口为质心至前轴中心线的　

距离；ｚ为制动强度；　为质心高度。　故由地面附着条件决定的电机最大制动力矩　

ｚ　为　ｚ’Ｍ　＝　ｒ／ｉ０　（６）　

式中：ｒ为车轮半径；ｉ。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　

Ｔｍｇｅ　＝Ｃ１Ｃ２ｍｉｎ（Ｔｍ　，Ｔｍ　）　（７）　式中：　为主驱动电机　当前最大制动转矩；Ｃ　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　１　

Ｏ　

图４　Ｃ　曲线　

整因子Ｃ２如图４所示，图中，∞为电机转速，∞　为制　

动能量回收截止点转速，　：为制动能量回收下降点　

转速。　

２．２动力协调控制　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　在换挡过程中　保持不变，且　

＝［（　＋　）Ｋｃ　＋　］ｉ。　（８）　式中：Ｔｅ为发动机转矩；Ｔｉ为ＩＳＧ转矩；Ｋ　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　、　、Ｋ　、ｉ　和换挡开始　

时刻的驱动轴转矩　印，控制主驱动电机输出力矩　

ｒｍ为　

Ｔ　。　＝Ｔａ　ｅ０／ｉ０一（　＋　ｉ）Ｋ　ｉ　（９）　

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　］，建立ｍｄｌ文件，并嵌入到整车模型中进行仿真　

和验证；　

（２）基于Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｔａｒｇｅｔ　ｆｏｒ　Ｍｏｔｏｒｏｌａ　ＭＰＣ５５５　－９　３，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ＲＴＷｎ。。，编译生成ｓ１９文件和ａ２１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ａ２１文件完成信号测量　

和参数标定　。　

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。