装备ISBe150共轨柴油机的混合动力总成的开发

一线天

摘要：设计完成了驱动电机与电控共轨柴油机结合而成的混合动力电动汽车动力总成，该总成用于单轴并联式混合动力电动汽车。驱动电机既是电驱动装置，又是起动、发电一体化系统（ISG），发动机为康明斯ISBe150电控共轨柴油机。通过CAN总线实现了联合控制，用基于负荷平衡和逻辑门限的实时控制策略，实现了混合动力系统的转矩分配和不同工作模式以及模式间的切换．完成了台架实验，该总成能够在所要求工作模式下运转。
关键词：共轨柴油机，直流电机，并联混合动力总成；实时控制策略；台架实验
中图分类号  TK427  文献标识码：A
Development of Hybrid Electric Vehicles Power Unit Equipped ISBe150 Diesel With Common Rail Fuel Injection System
              Han Tongqun  She Jianqiang  Lv Ke
(Hubei Institute of Automobile Engineering, Hubei Shiyan 442002)
Abstract： A hybrid electric vehicles power unit combined driving motor and electrical control diesel engine equipped common rail fuel system is designed and developed. This power unit can be used single driveshaft                                                                                                                              parallel hybrid electric vehicles (PHEVs). The driving motor is not only driving unit but also a system being used starting engine and generating electricity (ISG). The engine’s model is ISBe150 made by Cummins Corp. and it is a full electrical control diesel engine equipped common rail fuel system. The driving motor and engine are correspond controlled via CAN bus, using the load leveling concept and logic threshold approach to control the torque distribution，various operation modes and the dynamical transitions between the modes for hybrid power train. Finally, broad test is completed approving that the power unit can operate  in various modes.
Key Words：Common rail diesel; DC motor; PHEVs power unit; Real time control strategy; Broad test.
1 引言
混合动力电动汽车（Hybrid E1ectric Vehic1e, HEV）是电力驱动技术和内燃机运用技术在车用动力领域的创新。选择驱动电机和车用发动机并实现联合控制是HEV的研发的关键，对各种驱动方案进行比较和深入研究之后发现[1]，串联式由于其固有的能量转换效率低的缺陷而不可取，对并联式和混联式系统，电机均可以直接驱动汽车且效率高，其区别在于后者引入了行星齿轮机构，它与发电机连在一起，使得混合动力的传动系产生了多个自由度，使混合动力汽车的能量控制和减少燃油消耗有了多种可能性，但控制规律复杂。
近年来，一种集起动、发电一体化的总成（ISG）用于HEV的开发，如果再将驱动装置与之集成在一起，HEV驱动系统将得到大大简化。车用内燃机的选择也非常关键，在HEV上，内燃机的负荷由整车控制器根据控制策略进行调节。如今汽油机已基本实现全电控，用电控节气门作执行器对进行负荷的调节十分方便；但对柴油机来说，装备传统机械式直列泵或转子泵的机型对负荷的调节将出现一定困难，即使将直列泵或转子泵实现电控，仍存在着控制自由度小、响应慢等缺点[2]。近年来装备共轨喷射系统的电控柴油机的商业化，给多能源动力总成联合控制提供了方便。
湖北省教育厅重大科技攻关资助项目(2004Z002)；教育部重点资助项目(01076).  
本文介绍的混合动力总成将驱动电机、发电机与电控共轨柴油机结合，用于单轴并联式混合动力电动汽车。电机为永磁无刷直流电机，发动机为康明斯ISBe150电控共轨柴油机。通过CAN总线实现了联合控制，用基于负荷平衡和逻辑门限的实时控制策略，实现了混合动力系统的转矩分配和不同工作模式以及模式间的切换，完成了台架实验，该总成能够在所要求工作模式下运转。
2 总成方案
根据发动机和电动机的布置方式不同，并联混合动力电动汽车的结构有单轴式和双轴式。其中单轴式并联混合动力汽车(PHEV)结构如图1所示[4]。         
在图1的结构中，传动系输入端的转矩计算公式为 ，当ρ取1时，两个动力源转速相等，而转矩各自独立，没有比例关系，传动系总的转矩是发动机转矩和电动机转矩的和。根据以上思想，所设计的混合动力总成在整车上的布置如图2所示。
   
图1  并联混合动力电动汽车单轴式结构        图2 混合动力总成及其在整车上的布置图
进行台架实验的混合动力总成只包括离合器以前及其控制部分，即不包括离合器、AMT及其控制。具体做法是：将发动机飞轮卸下，曲轴与ISG系统的电机转子对接，转子上再装原发动机飞轮（飞轮后是离合器），相应的电机（ISG）外壳装于发动机缸体，飞轮及离合器壳与电机壳相接。由于电机（ISG）系统轴向非常薄，只有140mm，径向尺寸与原发动机飞轮壳相同，因此整个总成结构十分紧凑，只相当于发动机飞轮壳轴向尺寸增加了140mm左右。总成及台架实验装置照片如图3所示。
3电机（ISG）与发动机电气集成
3.1 电动/发电机
本总成选用永磁无刷直流电动机，由于其转子与发动机曲轴同轴，因而不需齿轮传动装置，可以实现低速、高转矩、高效率、变速运行。另外，永磁无刷直流电动机与相同功率的其他类型的电动机相比，体积小，质量轻，在质量、效率、价格等方面有相当明显优势，永磁无刷电动机没有电刷和滑环等零件，结构更简单，性能更可靠，环境适应性好，更加适合作为电动汽车的驱动电动机。由于采用方波供电，在相同的峰值电压和峰值电流下，方波电流和方波磁场相互作用产生的转矩要大，所以永磁无刷电动机可以输出较大的电磁转矩。在本文方案下通过电气控制实现调速、直接驱动，省去了复杂的齿轮变速机构，汽车结构大为简化，质量大为减轻。   
该电动机同时又是发电机，当利用发电功能时，发出交流电，经过整流后向蓄电池充电。
图3 总成及台架实验装置照片
3.2柴油机
3.2.1主要参数
ISBe新型全电控共轨柴油机最初是康明斯公司为欧洲市场设计的新产品，2005年在国内投产。ISBe的含义为：I-information，S-system，B-B系列，e-electronic，表示该机型是基于数字信息化电子控制的柴油机。由于ISBe柴油机装备了BOSCH高压共轨系统，提高了动力性，降低了排放和噪声，满足欧Ⅲ排放标准。另外，还实现了许多人性化功能，例如，增添了起动互锁、保养监视和巡航控制等功能，ISBe系列柴油机有4缸和6缸两种机型，可用于客车、卡车及特种车辆。ISBe150四缸机的主要参数如表1所示。
表1  ISBe150柴油机主要技术参数
型      式        立式直列水冷四行程              
燃油系统    BOSCH高压共轨系统
燃烧室型式    直喷，缩口 型
进气方式    增压中冷
气缸数    4
气缸直径（mm）    102
活塞行程（mm）    120
压缩比    17.5：1
标定功率（KW）    110
标定转速（r/min）    2500
3.2.2 电控模块ECM
ECM是ISBe的电子系统控制中心，有3个连接器端口：36脚的端口A与发动机传感器相连，主要功能是接收发动机工况信息；16脚的端口C与喷油器相连，控制执行器——电控喷油器产生和结束喷射；89脚的端口B是原始设备制商（OEM）电气配线接口，即用于装备车辆时的信号的输入/输出。端口B主要包括：
1）    电子油门信号——反应驾驶员的意愿，包括巡航控制。
2) 车辆状态输入信号——反映车辆状态，如车速、制动状态以及各种温度与压力等，对柴油机的运行进行控制和保护。
3) 输出控制信号——反映满足发动机的运行要求的控制项目，如控制电子风扇离合器、燃料与进气加热器、故障显示等。
4)    J1939 数据线——运用控制局域网（CAN）技术进行信号输入/输出的双路复用数据线，包括1）、2）、3）项在内的发动机运行信息和控制信号均可以通过该接口进行传递。
另外，在端口B还有与PC机的接口，PC机安装康明斯公司提供的insight软件后，可读取发动机各种运行信息。
3.3 利用CAN总线进行集成
    整车ECU也称多能源动力总成控制器，与发动机ECU、电机ECU通过CAN 总线实现通讯与控制[3]。整车ECU为自行设计。硬件采用MOTOROLA单片机,软件采用面向对象的程序设计方法,能够完成对发动机和电机的各项控制, 通过了试验标定和功能验证。
整车ECU具有如下功能：1)可处理23路输入信号；2)可输出9路控制信号，每路具有2A的驱动能力；3)中央处理器是16位高速CPU,集成了FlashROM、 RAM：4)具有两个CAN通讯总线控制器，已通过电磁兼容性测试。
4 控制策略
  控制策略的主要任务是控制混合动力系统在不同工作模式间平稳切换并使系统的总体能量转换效率达到最高。能量转换效率是指燃料所含化学能通过动力装置、储能装置和传动系，最终转变为驱动车轮的机械能的百分比．发动机直接驱动的能量转换效率为：
                                                (1)
  式中 为发动机效率， 为传动系机械效率。在没有外部辅助充电的情况下，电机驱动的能量除小部分来自制动时回收的能量外均来自燃料，因此电机驱动的能量转换效率为：
                        (2)
    式中 为电机效率， 为电池的充放电效率， 为因能量回收产生的额外的效率提高。
    根据分析得知[4]，在以发动机为主要动力源的混合动力系统中，控制发动机在高效区工作是提高系统能量转换效率的关键，这可通过负荷平衡来实现，即用电机来调整发动机负荷，使其尽可能工作于最佳效率区。满足车辆驱动需求的力矩 由发动机 和电机 共同提供：
                                    (3)
    当电机以电动机模式工作进行助力时，电机转矩 为正，当电机以发电机模式工作时 为负。
将基于负荷平衡的逻辑门限控制策略应用于混合动力总成的控制，如图4所示， 为发动机最佳效率转矩曲线， 为发动机最大转矩曲线， 为发动机最小工作转矩曲线。采用逻辑门限控制方法，当 时采用混合驱动，当 时，关闭发动机，当落于两者之间的区间时采用电机助力或电机发电使发动机工作点尽量向 靠拢。
各曲线的确定方法：通过纯发动机外特性和负荷特性实验绘制万有特性曲线，可确定 和 ，由图3可以看出，装备共轨燃油系统的柴油机的经济性得到优化，低油耗区几乎覆盖了全转速范围，有多个低油耗涡区。高效区最小转矩曲线可以人为设定，可定为 。发动机关闭扭矩 的确定方法如下：在发动机确定油门开度下，计算高效区最低发动机效率时的 。如果发动机工况发生变化，使直接驱动效率 ，则认为发动机在该工作点的效率过低，这时发动机该关闭，关闭扭矩为 。ISBe150柴油机应用全程调速模式，在输入确定的电子油门开度信号时（0～5V电压的某中间值），发动机按照图3中曲线1运行，对于曲线上任一工况点，都可以读取该油门开度下的负荷百分比（工况点扭矩/该油门开度最大扭矩）、燃油消耗率、发动机效率等参数。例如：曲线1 上A是最大扭矩，B是高效区最小转矩点，C是发动机关闭扭矩点，D是最高发动机效率点。
控制策略同时需要监控电池的荷电状态(SOC)值，图5为蓄电池的SOC工作范围和需要主动充电的SOC区间，45%～50%为需要主动充电区间，50%～55%为工作区间。图中内阻值为单个模块的内阻。电池SOC的工作区间为内阻相对较低的区域，以减少电池的充放电损失。发动机带动电机对电池进行充电称作主动充电，而减速或制动时由车辆惯性拖动电机对电池充电称作被动充电。
  
图4  发动机负荷控制                              图5电池的SOC工作范围
5 台架实验
5.1台架及测控设备
  进行台架实验的主要测控设备包括：MFS-IX发动机测试系统（上海内燃机研究所制）、电涡流测功机（洛阳南峰机电设备制造有限公司，型号：CW260 ）、UHE-5油耗变速器（质量法）。
5.2实现单项功能
  各单项功能的实现，使负荷平衡的控制策略暂不起作用，主要包括：
1）ISG起动发动机；
2）（纯）发动机总功率试验（测量扭矩、功率、油耗、比油耗）、调速特性、负荷特性试验；
3）ISG停车发电：测功机无负荷，发动机运转按电池组的负荷特性进行。
4）ISG行车电动和行车发电；
    a）发动机不运转，ISG带动测功机运转，调节测功机负载（发动机本身也成为负载），测定其各种电机油门开度下的转矩。（每一油门位置全转速范围）
    b）发动机运转，测功机和电池组同时成为负载，调节测功机负载，测定各种发动机油门开度下的转矩（每一油门位置全转速范围）。
5）混合动力总成外特性试验；
  发动机、ISG油门调至最大，在全转速范围内测定其峰值扭矩等参数。
5.3实现综合控制功能
  综合控制功能的实现，使负荷平衡的控制策略起作用。输入综合油门信号（分别选取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%开度，即图2中整车ECU的油门信号，而非发动机油门）。每条曲线从电池的荷电状态(SOC)值等于目标值SOC0开始给测功机加减载荷并记录测试结果，每工况稳定运行1分钟，记录转速、功率、扭矩、油耗等参数，同时可以从PC机上读取发动机油门、电机油门（或负载）、负荷百分比、SOC值等，类似于发动机部分油门速度特性。限于篇幅，只将50%合成油门的测式结果列于表2。
表2  50%综合油门开度的控制测试结果
转速
(rpm)    扭矩
(N.m)    功率
(kW)    每小时
油耗(kg/h)    比油耗
(g/kw.h)    发动机负
荷百分比(%)    发动机
油门(%)    电机油门
（负载）(%)    SOC(%)
    历时
(min)
2467    0    0    0    0    0    0    36.0    54.4    10
2200    47.3    10.9    0    0    0    0    75.2    50.6    12
2000    115.4    24.2    7.09    292.97    65.6    50    —    45.0    3
1800    203.1    38.3    8.75    228.45    70.7    50    —    49.0    5.5
1600    296.3    49.6    8.95    180.44    75.5    50    35.6    55.6    5
1400    410.6    60.2    9.14    151.82    76.0    50    60.0    54.5    3
1200    521.7    65.6    10.31    157.16    75.5    50    70.0    54.0    1
1000    609.5    63.8    11.11    174.14    75.5    50    80.0    53.5    0.5
800    656.6    55.0    11.52    209.45    85    50    99.0    53.0    0.5
表中“—”表示电机为负载。
  由表2可以看出，在基于负荷平衡的控制策略作用下，电机的驱动/充电功能得以实现，柴油机基本上可以控制在65%～85%的负荷率下工作，即工作在高效率区。表中的比油耗与纯发动机运转不同，它是考虑了电机是作为负载还是助力的结果。
6 结论和下一步工作
基于发动机稳态试验台建成了针对内燃机和电机的混合动力总成的实验平台，开发完成了试验台用数据采集和监控系统，进行了稳态下的测试。开发的混合动力总成实现了纯内燃机驱动、纯电机驱动、内燃机与电机混合驱动、内燃机带电机发电、电机制动、主电机反拖内燃机等工作状态；在整车ECU控制下分别实现了内燃机与电机共同工作时工作状态的切换。
混合动力总成的开发是HEV整车开发的重要组成部分，本总成只完成了对发动机和电机的综合控制，考虑到HEV整车时，还包括AMT、电池、ABS等对象的联合控制，目前，整车控制策略及其仿真已经完成，有待于在实际样车上实现。

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关于装备ISBe150共轨柴油机的混合动力总成的开发，这是一个复杂且专业的项目。针对此项目，我们需要进行详尽的设计和规划。首先，我们将对ISBe150共轨柴油机进行深入分析和研究，确保其基本性能和运行特点得以充分了解。随后，我们会着手整合现有的发动机与混合动力技术，力求二者之间完美融合，以提升燃油效率和减少排放污染。通过系统性的设计和优化过程，确保该混合动力总成能在各种条件下高效稳定运行。在此过程中，我们团队将发挥专业知识和技能，确保项目的顺利进行。