混合动力汽车（HEV）近年来已在世界范围内成为新型车辆开发的热点。对HEV的各种驱动方案进行比较和深入研究之后发现，串联式系统能量转换效率低，并联式系统和混联式系统效率高，电机均可直接驱动汽车，区别在于后者引入了行星齿轮机构，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，混合动力汽车的能量控制和燃油消耗的降低有了多种可能，但控制规律较复杂。

为了使整车结构更紧凑，性能更优越，便于控制并有效降低成本，目前，集电动机和发电机于一体的ISG电机已用于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。

本研究将ISG与电控共轨柴油机结合，用于单轴并联式混合动力汽车。电机为永磁无刷直流盘式电动机，发动机为康明斯ISBe150电控共轨柴油机。

将摩托罗拉MC68H9S12DP256B单片机用于总成的控制系统，通过CAN总线实现了联合控制，基于电池充放电平衡和发动机燃油经济性模糊控制策略，实现了混合动力系统的扭矩分配和不同工作模式以及模式间的切换。

一、总成设计

（一）布置方案

两个动力源转速相等，而扭矩各自独立，无比例关系，传动系总扭矩是发动机扭矩和电动机扭矩之和。根据以上思路，所设计的混合动力总成在整车上的布置。

混合动力总成的装配顺序是，将发动机飞轮卸下，曲轴与ISG电机转子对接，在转子上再装发动机飞轮（飞轮后是离合器），电机外壳装于发动机气缸体上，飞轮壳及离合器壳与电机壳相接。由于盘式电机很薄，只有110mm，径向尺寸与发动机飞轮壳尺寸相同，因此，整个总成结构十分紧凑。

在进行整车匹配之前，可以进行台架试验的总成只包括离合器之前的部分，不包括离合器、AMT及其控制。

（二）关键件的选用

1．ISG

本总成选用永磁无刷直流盘式电动机，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、高扭矩、高效率及变速运行。采用方波供电，在相同的峰值电压和峰值电流下，可产生更大的扭矩。在本方案下通过电气控制实现调速和直接驱动，省去了复杂的齿轮变速机构，结构大为简化，质量大为减轻。同时，该电动机又是发电机，当使用发电功能时，发出的交流电经整流后向蓄电池充电。

2．柴油机

柴油机是基于数字电子控制的柴油机，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。

（三）控制模块设计

整车ECU也称多能源动力总成控制器，与发动机ECU、电机ECU等控制模块通过CAN总线实现通信与控制。整车ECU为自行设计，硬件基于摩托罗拉MC68H9S12DP256B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控制，通过了试验标定和功能验证。

整车ECU根据各种输入量判断汽车的行驶工况并进行计算，通过CAN总线对发动机和电机进行控制。

本总成按照台架试验的要求进行设计与控制，因此，只对发动机和电机进行控制，其他输入/输出控制暂不应用。摩托罗拉MC68H9S12DP256B单片机有5个独立的CAN控制器，编程时须考虑CAN协议、速率及中断等。

发动机ECU是ISBe柴油机原机配置，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是原始设备制造商（OEM）电气配线接口，用于装备车辆时的信号输入/输出。

端口B设有J1939数据线，即运用CAN技术进行信号输入/输出的双路复用数据线。电机ECU由其供应商按要求提供电气功能接口，也能与整车ECU通过CAN控制器实现通信。

二、控制策略

（一）模糊控制策略

控制策略就是在燃油消耗最小的目标下实现电池的充放电平衡。由于道路工况和驱动条件的非线性，对电动机何时产生辅助扭矩或对电池充电的控制变得较复杂。另外，由于不同驾驶员的操作方法不尽相同，所以，较难实现电池充放电平衡。

模糊逻辑控制策略能解决非线性复杂问题，适用于并联混合动力汽车的控制。模糊逻辑可以由多个输入参数按照一定的法则生成多种模糊规则。本研究模糊控制器的输入参数为台架请求扭矩（Ttqreq）与发动机优化扭矩（Ttqopt）的差值ΔT和电池的荷电态（Soc），输出参数为一系数k。

其中，发动机优化扭矩Ttqopt是从静态条件下发动机万有特性曲线出发，以燃油消耗率最小为目标函数，通过编程实现。在不同转速下发动机的扭矩范围不一样，因此，用总扭矩和优化扭矩的差值ΔT作为输入参数，也起到了控制发动机工作范围的作用。通过模糊控制器控制后，得到发动机应承担的实际扭矩Ttqe=k·Ttqopt，电动机的扭矩通过计算总扭矩与发动机所需扭矩的差值获得。

MC68H9S12DP256B单片机具备Fuzzy功能。设计时，输入变量为ΔT和电池的Soc，输出变量为系数k，输入变量的隶属度函数。输出变量系数k值分别取0，0.75，0.80，0.85，0.90，0.95，1.00，1.05，1.10，1.15和1.20，由于输出用单值函数表示，因此，推理方法采用Sugeno2Type类型。

模糊推理的关键是规则的建立，建立原则是在保证电池充放电平衡的条件下，尽量使发动机工作在最佳燃油消耗线附近。

（二）控制任务与流程

混合动力汽车综合管理系统（整车ECU）要实现的控制功能很多，整车运行工况可分为，发动机起动、怠速、停车充电、起步加速、匀速、超车加速、全松加速踏板、换挡、滑行、制动和减速。台架试验与整车不同，要求实现以下运行模式：

ISG起动发动机；

发动机运行；

ISG停车发电，测功机无负荷，发动机按电池组的负荷特性运转；

ISG行车电动和行车发电：发动机不着火，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），在电机各种油门开度下运行；发动机运转，电机为驱动模式，测功机为负载；发动机运转，电机为发电模式，测功机和电池组同时成为负载；·各种运行模式间进行切换。

三、试验结果

对混合动力总成综合控制功能的实现进行了试验验证。输入综合油门信号（开度分别选取10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，100％，此为整车ECU的油门信号，而非发动机油门信号），每工况稳定运行1min以上，记录n，P，Ttq及燃油消耗率（b）等参数，同时从PC机上读取发动机油门、电机油门（或负载）、发动机负荷百分比及Soc值等，类似于发动机部分油门速度特性和外特性。

电机的驱动/充电功能得以实现，柴油机基本上可以在65％～85％的负荷率下工作，即工作在高效率区。表中的b与发动机单独运转不同，它受电机工作的影响。

四、结束语

基于发动机稳态试验台建成了针对内燃机和电机混合动力总成的试验平台，开发完成了试验台用数据采集与监控系统，进行了稳态下的测试。开发的混合动力总成实现了内燃机驱动、电机驱动、内燃机与电机混合驱动、内燃机带电机发电、电机制动以及电机反拖内燃机等工作模式，在整车ECU控制下实现了不同工作模式间的切换。

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，HEV整车控制还包括对AMT、电池及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。