基于AMT的ZK6112HEV混合动力客车整车控制
陈慧勇
郑州宇通客车股份有限公司
概述
随着全球汽车工业的发展，汽车业对石油资源的需求不断增高，对生态环境的影响也越来越大；因此开发节能环保的汽车是非常必要的。混合动力电动公交车(HEB)是混合动力电动汽车(HEV)技术与城市公交客车的结合体，是推动HEV商业化、产品化的主要举措。尤其是国家开始实施“十城千辆”计划后，HEB更是发展迅速。
目前，国内外HEB的动力传动系统大多采用AT和MT，采用机械式自动变速器(AMT 的混合动力车辆不多。这主要是由于AT技术比较成熟，MT结构简单，成本低的原因。因此，当前的控制策略研究也主要基于AT和MT。而AMT特别适合我国国情，将会成为我国HEB首选的变速器，但有关AMT混合动力系统综合控制的研究还不多。因此，开展混合动力特别是基于AMT的混合动力系统的研究，不仅能发挥混合动力系统节能、环保的特点，还能发挥AMT自动变速的优点，整个系统成本低，易于加工，对提高我国汽车节能与环保技术有着重要的理论意义和实用价值。
1 基于AMT的混合动力系统发展和控制研究现状
1.1 基于AMT的混合动力系统发展现状
Iveco将发电/电动一体化电机安放在发动机和AMT之间，在电机前后各安装一个离合器。这样可以实现纯电动工况并提高制动能量的回收。东风汽车公司开发的EQ61100HEV 混合动力客车，其混合动力系统采用开关磁阻电机、康明斯sIBe150四缸共轨电喷柴油机和全新设计的车身底盘系统、AMT及创新型并联机方案。一汽自主研发的混合动力客车的动力总成则采用双轴并联结构，装备一汽大柴全电控欧111发动机，自主开发的AMT，整车控制系统通过CANBUS(车载网络系统)协调各总成工作，实现了混合动力汽车的各种工作模式。而最成熟的HEV系统无疑是EATON所开发的混合动力系统，它主要由控制策略+自动离合器+永磁电机+AMT组成，已经广泛应用于国内外HEB上。
1.2 基于AMT的混合动力系统控制研究现状
国外基于AMT的HEB发展已进入智能化阶段(IAMT)，其换挡过程的控制技术也更加趋于完善。德国BENZ变速器采用自动换挡程序，根据加速踏板的踩下程度，控制变速器挡位的结合，精确地控制离合器的接合速度和发动机转速，提高了换挡品质；在配备AMT
混合动力系统研究方面，EATON研究了并联式AMT混合动力车辆换挡过程控制问题，将其与混合动力
控制结合起来，明显提高了车辆的动力和经济性能。美国Union学院的Wicks 等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型，研究了固定传动比下的再生制动系统的节能效果。
HEV动力总成的复杂性使得其换挡过程中的控制问题与传统车辆也有很大的区别。清华大学对装有AMT的混合动力传动系统进行了换挡过程仿真，提出了分离离合器和不分离离合器2种情况下协调换挡控制逻辑，但研究模型使用了2台电机，结构复杂；一汽提出了ISG电动机、发动机和离合器联合控制的换挡品质控制策略，在换挡过程中控制动力源转矩和转速，减小了混合动力AMT车辆换挡冲击和动力中断时间；国内其他各大学，如重庆大学、上海交通大学与北京理工大学等针对所开发的HEB都进行控制策略的研究，但与国外先进技术水平相比还有一定距离，特别是在基于AMT的混合动力系统综合控制的基础研究方面还不够深入，因此，所开发的样车在动力传动系统综合控制方面尚存在一些问题。
2 AMT应用于HEB需要解决的问题
传统客车的AMT控制即为整车控制，如图1所示。控制系统根据驾驶员对车辆的操纵和车辆状态选择当前行车需要的最佳档位。如果需要换挡或离合器操作，则只需要借助相应的自动操纵机构对车辆的动力和传动系统进行控制。因此，传统汽车AMT控制主要指换挡策略和动力、传动系统控制两个方面。
图1 传统客车的AMT控制基本原理
区别于传统客车，由于HEB电驱动系统的存在，AMT的控制在这两个方面与传动客车存在较大不同。HEB的整车控制包括能量分配策略、AMT换挡策略和动力总成的协调控制。
3 基于AMT的宇通ZK6112HEV 混合动力整车控制中原汽车网
宇通ZK6112HEV混合动力系统的结构如图2所示。该系统有两个动力源：柴油机和永磁同步电机，使用AMT作为动力耦合装置和变速传动系统，电机与变速箱输入轴直接相连，发动机通过AMT系统中的离合器与主电机连接。
图2 ZK6112HEV混合动力系统结构
3.1 整车控制系统方案
在ZK6112HEV混合动力系统中，AMT不仅需要将发动机和电机的动力变速变矩地传递至驱动轮（或将车辆的制动能量反向传递给电机进行能量回收），还要完成混合动力系统的动力分配和转矩耦合，AMT是实现能量管理策略的关键。为此设计图3所示的分层控制系统，主要由管理层和动力协调层组成。管理层主要包括发动机、电机的转矩分配策略和AMT的换挡策略两个方面的内容。动力协调层主要是通过对发动机、电机、离合器和变速箱的协调控制来实现管理层所发出的任务。换挡和离合器动作由控制系统直接控制，对发动机和电机的控制是通过将控制指令发送至发动机控制器和电机控制器，再由二者分别实现对发动机和电机的直接控制来实现的。
图3 ZK6112HEV混合动力控制系统
3.2整车控制单元(HCU)开发
HCU系统复杂，开发周期较短，因此必须建立一个规范的软件开发平台，以使各个开发阶段间有效地衔接。ZK6112HEV的HCU开发流程如图4所示，它遵循国际上先进的V 型开发流程。实践证明，应用该开发模式，开发人员得以在开发初期能通过快速原型及时对所设计算法进行功能验证、调整控制参数以获得最佳性能。控制系统的算法是基于MATLAB/stateflow平台建立，快速原型验证通过DSPACE进行。
图4 HCU开发流程
HCU微处理器MCU采用飞思卡尔的32位MPC5554，以确保实时数据采取速度。控制系统硬件的功能是提供实现控制策略和算法的硬件平台，同时控制系统还要完成传感器数据采集、滤波、CAN数据收发的功能，硬件系统的另外一个主要功能就是为离合器和选、换挡执行机构提供驱动单元，执行机构使用车载辅助电池驱动，控制策略通过PWM信号控制作用在执行机构电机上的电信号，本系统采用的是H型桥式电路作为执行机构的驱动单元。
为实现如图3所示的控制系统功能，HCU系统软件的功能包括数据采集、预处理、故障诊断及处理、整车能量分配和传动系统的协调控制等。在控制系统开发时，需要将控制算法下载到控制器的芯片中运行，这里选用CodeWarrior集成开发环境进行软件开发，开发环境可以使用标准C作为开发语言，通过CodeWarrior编译的可执行代码通过BDM-MULTILINK下载到目标芯片。
3.3 关键创新技术
在ZK6112HEV的HCU开发过程中，归纳起来主要在以下技术上获得了突破：
(1) 实现了混合动力客车能量管理策略与AMT控制策略的集成化，真正体现了系统概念，提高了HEB的动力性和经济性，而以往的HEB往往单独考虑转矩分配和AMT换挡控制策略；
(2) 以ZK6112HEV转矩分配策略为基础，综合考虑发动机、电机和电池SOC，优化了混合动力客车AMT车辆动力性换挡规律和经济性换挡规律，而以往的HEB的AMT换挡规律则只考虑了发动机特性；
(3) 优化了AMT传动比，增大第一、二档的传动比，缩小三挡到六档的传动比，实现了蠕动功能，可以舒适的二档起步，较快的实现升挡。
4 结论
混合动力汽车作为新能源汽车的一种，有广阔的研究和应用前景，尤其是发动机+电机+AMT的并联式HEB以其相对简单的结构、较低的成本将会是未来混合动力客车的发展方向。整车控制是整车企业所必须掌握的混合动力系统的关键技术之一，它不仅影响车辆的燃油消耗和排放性能指标，还会影响车辆的行驶平顺性和整车寿命。在制定基于AMT的HEB 控制策略时，必须将转矩分配策略与动力协调策略综合考虑起来，才能实现混合动力系统的性能最优。
随着社会的发展、人民生活水平的不断提高、技术资源的不断积累，混合动力技术必将越来越完善，并最终赶上发达国家水平。整车开发也必将随着自动变速技术、电池技术的突破，更新换代、推存出新，通过混合动力汽车的过渡，最终走向零排放、无污染整车的产业化。