ISAD柴油机控制策略的研究专用机床

ISAD柴油机控制策略的研究

ISAD柴油机控制策略的研究 2011年12月04日 来源： 摘要：分析了国内外混合动力汽车控制策略的特点，针对ISAD系统各部件的特性和车用柴油机运行工况，以SOC值、车速、功率、油门踏板位置为主要控制参数，按照整车的运行状况，从燃油经济性和动力源的合理配合角度制定了不同的控制策略，并对该控制策略在不同工况下的实施情况进行了详细阐述和分析。关键词：ISAD，柴油机，控制策略一、前言集起动助力发电一体化（integrated starter alternator damper，ISAD）的汽车助力系统适用于频繁起动的城市公交和大型长途载运汽车。ISAD柴油机的两种车载动力源相互协调工作，需要有良好的控制策略对柴油机和电动机的工作状况和功率输出进行控制。目前的控制策略主要有以下两种。（1）直接将优化目标表示为系统状态变量、控制变量的函数，如克莱斯勒的道奇无畏ESX等汽车；本田Insight和日产混合动力采用以成本和燃油经济性为主要参数的控制策略；文献[1]中提出了对柴油机、电动机（发电动机）分配的转矩和功率优化的控制策略；此外，德国的Continental AG公司提出按最小燃油量标定所需要电动机额定功率的优化技术；国内的高校也在研究以车轮功率为主要参数的控制策略等。（2）从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手，间接得到整个系统的能量（功率）损失，如文献[2]率先提出的车速控制策略；重庆大学研究的以油门位置为参数的控制策略；以及目前混合动力汽车上应用较广的以SOC值为主要参数的控制策略等。二、ISAD柴油机及控制系统ISAD系统由发动机、电动机、蓄电池组成。作为电动机时既可用来助力，也可作为发电机向蓄电池和其它辅助设备提供电能。ISAD柴油机起动时，电动机在很短时间内助力将柴油机拖动至怠速；加速（超车）或爬坡时，电动机与柴油机联合驱动，使车辆具有更好的动力性和燃油经济性；在低负荷运行时，柴油机工作在高性能区域以保证可靠性和经济性，同时驱动车辆和发电机；制动、滑行时，利用汽车的惯性驱动发电机给蓄电池充电，实现能量反馈。高效率的ISAD系统可以通过柴油机与电动机之间的控制技术，在满足汽车的动力性和其他技术性能的前提下，实现柴油机、ISAD之间能量的合理而有效分配，使整车系统效率达到最高，获得整车最佳的燃油经济性、最低的排放。针对CA6110增压柴油机与整车运行的要求，开发了控制系统和控制策略的软件，图1为控制系统原理示意图。控制系统的工作原理如下。

图1 控制系统原理示意图

（1）ISAD控制器通过高精度热敏电阻传感器获得柴油机水温，霍尔式传感器获取柴油机转速以及车速等信号来判别柴油机和汽车的工作状态，通过油门踏板位置传感器等信号来判别驾驶员的主观愿望。（2）ECU接收蓄电池和电机信息，获取各模块当前的运行点，据此估算当前转速下电动机的最大输出功率和柴油机的最大输出功率。（3）ECU通过接收驾驶员提供的信息，确定整车的运行状态，并估算驾驶需求功率。（4）ECU通过控制策略的决策和运算，确定电动机的助力功率。根据柴油机的试验数据，获得柴油机油门位置、转速和输出功率的三维MAP数据图表，再根据柴油机转速和柴油机的功率，确定电动机的运行状态。（5）ECU根据电动机助力功率执行电动机的运行。柴油机与电动机的输出转矩通过转矩耦合后，由传动系统驱动车轮，从而控制整车的正常运行。（6）控制参数以油门齿杆位置、柴油机转速、车速以及排气温度、油门踏板位置等参数为主。ISAD控制器能够满足整车的行驶要求，控制器可以在-40°C～70°C温度范围内工作，并能提供与车辆其他系统的CAN总线通信。三、整车要求与控制策略（一）整车要求与电机参数整车要求当柴油机转速小于1500r/min时，通过ISAD增加整车的输出转矩，弥补增压柴油机低速转矩的不足，起到助力作用，同时降低增压柴油机的烟度，提高整车的加速性能。采用ISAD后，当转速小于1500r/min时，柴油机的最大输出功率补偿值为10kW，最大转矩补偿值为100N·m。电机为16级永磁同步电机，采用弱磁控制技术，电机的工作电压为36V，额定电流为300A，额定转速为800r/min；电机的输出功率为10kW，最大输出转矩为100N·m，作为发电机时，输出功率为3kW，额定电压为42V，充电电流为10～20A。（二）控制策略针对发动机的工作特性及汽车的运行工况，提出柴油机、电动机、蓄电池兼顾上述各方面要求的控制策略，充分利用柴油机和电池的高效率区，使其达到整体效率最高，实现能量在柴油机、电动机之间的合理而有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最佳的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。1．平稳工况下的控制策略当电池的SOC处于正常工作区（SOC>80％）时，ISAD系统处于平稳工况，控制策略的出发点是尽最大可能使柴油机在其经济模式下工作。ISAD的工作状况主要由驾驶员的主观愿望、油门踏板位置、汽车车速、发动机转速等参数来综合判断，采用以燃油经济性为目标的控制策略。汽车低速行驶时，电机作为电动机工作，在油门踏板开度25％～33％区间附近，ISAD控制器根据油门踏板的变化率判断驾驶员的主观愿望，如果变化率大于一定数值时，说明驾驶员要提高车速，此时，ISAD作为电动机工作，起到助力作用。随着油门踏板角度的增加，在达到较大位置前，柴油机的转速达到某一设定值时，在此区域的变化过程中，如果柴油机的输出转矩达到一定数值，汽车的车速也达到驾驶员的期望值时，例如：柴油机的转速达到1500r/min，汽车车速到达45km/h时，ECU向电机发出控制指令，电机完成从最大功率输出到最大功率发电的转变。在油门踏板开度大于60％，柴油机转速大于1600r/min，油门踏板的变化率不大时，说明柴油机输出的转矩可以满足汽车运行的要求，此时，柴油机的部分富裕功率输送给ISAD，ISAD处于发电机工作模式给蓄电池充电。当油门踏板开度位于60％～80％区间，柴油机转速大于1800r/min，车速大于60km/h，油门踏板的变化率不大时，柴油机继续为汽车提供驱动动力。电机不参与助力，继续作为发电机工作。若油门踏板开度大于80％，柴油机转速大于1800r/min，车速大于70km/h，油门踏板的变化率较大时，说明驾驶人员的主观愿望还是要提高车速，此时，ISAD作为电动机工作，参与驱动能量的供给，电动机与柴油机共同提供汽车驱动动力。在行驶过程中，对于小幅度的制动踏板开度（30％），采用机械方式制动为主、电动机制动为辅，以达到安全有效快速制动的目的。2．非平稳工况下的控制策略平稳工况下的多能源控制主要考虑了合理组织汽车驱动能源，但没有考虑电池SOC超出其工作区域的问题。非平稳工况下的控制策略充分考虑了在不同车况（车速和路况）下，电池SOC的变化对多能源管理带来的影响，结合平稳工况下的各种工况处理，ECU对传送来的电池性能参数给予及时的、合理的响应，发出控制指令，采用以SOC为主要参数的控制策略。当电池SOC<40％时，ECU控制动力系统进入强制充电工况此时，柴油机功率的一部分要用于发电，踏板位置与动力系统总输出功率的关系需要改变。在整个油门踏板的行程中，柴油机提供全部的驱动动力，同时驱动电机发电。3．特殊工况的处理（1）起动助力以柴油机的动力性为控制参数，在电池SOC允许电动机助力的情况下，由电动机助力柴油机起动。（2）急加速 以油门位置为主要参数的控制策略或以功率为主要参数的控制策略。当油门开度增加的变化率比较大，或者油门开度接近最大值时，在电池SOC允许电动机助力的情况下，电动机助力策略具体有如下两种方式实施，当电池电量允许时采用第①种方式，而油门开度较大时采用第②种方式。①电动机助力大小与油门开度成正比。一般来讲，油门开度越大，电动机助力也越大；电池SOC越高，允许助力的范围也越大，电动机在当前转速下，允许的最大电动功率越大，电动机助力也越大。这种助力方式能够使整车的动力性能达到最大、加速时间最短。②电动机的助力大小与柴油机输出功率成比例，油门开度反映了整车行驶的功率需求。柴油机是汽车的主动力源的，在柴油机正常工作时，ISAD也可以助力加速。在加速或接近油门全开行驶的时候，电动机的加速反应时间要比柴油机短。这样，汽车加速过程缩短。在加速过程中，车速、柴油机转速、功率均在增加，电动机输出转矩随电动机的转速增加也相应增加，能保证汽车和柴油机以一定的速度加速，迅速达到柴油机的经济和功率运行点，满足急加速的要求，此时的电机处于半助力的方式。（3）滑行 采用以电动机转速为主的控制策略。当车速接近该挡最高车速的时候，作为发电机运行。发电效率根据电动机当前转速下最大可发电功率以及电池SOC确定。（4）充电 当电池的电压低于某一设定值时，通过控制系统的判断，电机仅作为发电机运行向蓄电池充电，以保证车辆的正常行驶。四、结论（1）该控制策略根据汽车的行驶状态，以不同工作参数为控制目标，兼顾了柴油机动力性、经济性、电池寿命、整车行驶性能等方面的要求。（2）ISAD的助力功能，在起步、加速超车、爬坡等工况下电动机与柴油机联合驱动，使柴油机的动力性能提升。（3）在低负荷运行时，柴油机工作在高性能区域，同时驱动车辆运行，并使ISAD作为发电机运行给蓄电池充电，以保证蓄电池工作的可靠性，提高整车的经济性。（4）将制动、滑行、怠速等工况下柴油机的消耗能回收再利用，提高整车经济性，节约能源。(end)

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