基于ADVISOR二次開發(fā)的復(fù)雜混合動(dòng)力汽車仿真系統(tǒng)

嚴(yán)運(yùn)兵，方 園，榮銳兵，吳 浩，蔡嘯霄

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)中包含了電子、機(jī)械、化學(xué)等諸多技術(shù)和信號的相互混合連接，因而存在較多非線性環(huán)節(jié)，各部件之間相互作用復(fù)雜。如果直接建立實(shí)車原型和大量樣車實(shí)驗(yàn)來比較設(shè)計(jì)方案，測試各種布置方案和控制策略的實(shí)際效果，將消耗大量的財(cái)力和物力并延長設(shè)計(jì)周期[1]。因而在開發(fā)前期，通過對動(dòng)力源系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和分析，搭建相應(yīng)的整車系統(tǒng)仿真平臺，并通過對不同選定配置及能量管理策略的反復(fù)測試對比，從而為確定原型車配置提供參考是十分必要的。

ADVISOR軟件是一款由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）專門為幫助美國能源部（DOE）管理PNGV計(jì)劃而開發(fā)的混合動(dòng)力汽車仿真軟件，其主要功能是對整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能進(jìn)行快速分析，對總成參數(shù)匹配初步優(yōu)化，以及對其布置形式和控制策略進(jìn)行比較。由于ADVISOR軟件是以MATLAB／Simulink為平臺進(jìn)行二次開發(fā)得到的仿真軟件，因而用戶可利用其完全開放的代碼以及內(nèi)部提供的通用子模塊搭建所需的汽車仿真模型，并通過修改參數(shù)，對不同的車型進(jìn)行仿真和性能分析，最終開發(fā)出符合設(shè)計(jì)要求的汽車模型。但軟件提供的混合動(dòng)力汽車仿真模型是有限的，不能涉及到目前行業(yè)中存在的所有車型，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要針對實(shí)際車輛布置形式和能量管理策略進(jìn)行二次開發(fā)[2－3]。

本文針對某特定布置形式的混合動(dòng)力汽車，利用ADVISOR軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立整車仿真系統(tǒng)模型，并進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的快速分析，以期為開發(fā)混合動(dòng)力汽車的總成控制系統(tǒng)提供一定的技術(shù)支持。

1 混合動(dòng)力汽車仿真模型的二次開發(fā)

1.1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成及其工作原理

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)其各動(dòng)力總成的關(guān)系分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和復(fù)雜混合動(dòng)力系統(tǒng)。本文采用的布置方案如圖1所示，其中發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸連接，再與主電機(jī)相連，三個(gè)動(dòng)力源等速耦合[4]。

該系統(tǒng)中，主電機(jī)主要完成動(dòng)力輔助和制動(dòng)能量回收工作，而發(fā)電機(jī)在電池SOC值過低時(shí)工作。

圖1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置簡圖Fig.1 Schematic diagram of the CHEV

1.2 混合動(dòng)力汽車仿真系統(tǒng)二次開發(fā)

該車型采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu)布置，與ADVISOR中原有仿真模型的布置形式差異較大，所以需要在原有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

整車仿真系統(tǒng)MATLAB／Simulink簡圖如圖2所示。該仿真系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際車輛動(dòng)力系統(tǒng)的布置搭建而成，從車輛的循環(huán)工況出發(fā)，首先計(jì)算出車輛需求的車速及驅(qū)動(dòng)力，然后信息流沿動(dòng)力系統(tǒng)后向傳遞，依次向各部件請求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，最后計(jì)算出各部件實(shí)際提供的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率等，信息流沿動(dòng)力系統(tǒng)前向傳遞。

混合動(dòng)力汽車仿真系統(tǒng)模型可參考本田Insight混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的仿真模型二次開發(fā)完成，可在原有混合動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加一個(gè)電機(jī)并建立相應(yīng)的控制器模型。二次開發(fā)過程分為三個(gè)步驟：①制定模式切換條件；②計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；③主電機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配。

圖2 整車仿真系統(tǒng)MATLAB／Simulink簡圖Fig.2 CHEV simulation in MATLAB／Simulink

1.2.1 混合動(dòng)力汽車模式切換條件的制定

混合動(dòng)力汽車模式切換條件優(yōu)化主要是制定發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)條件并修改相應(yīng)的模塊。根據(jù)混合動(dòng)力汽車幾種驅(qū)動(dòng)模式，可以將整車控制策略作如下定義，其中V為車速，SOC為電池荷電狀態(tài)參數(shù)，P道路為道路負(fù)載，P發(fā)動(dòng)機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)功率：

（1）純電動(dòng)模式：V＜40 km／h，SOC＞0.5。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)模式：V＞40 km／h，P道路＜P發(fā)動(dòng)機(jī)。

（3）混合驅(qū)動(dòng)模式：V＞40 km／h，SOC＞0.5，P道路＞P發(fā)動(dòng)機(jī)。

（4）行車充電模式：SOC＜0.5。

（5）再生制動(dòng)模式：P道路＜0。

結(jié)合上述5條定義修改ADVISOR軟件〈vc〉模塊中的engine＿on子模塊如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)控制模塊Fig.3 Engine switch control module

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速計(jì)算

整個(gè)仿真的流程為：首先根據(jù)循環(huán)工況計(jì)算出車輛的需求車速，然后轉(zhuǎn)化為計(jì)算輪胎線速度及驅(qū)動(dòng)力，最后計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)總的需求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。總的需求轉(zhuǎn)矩由耦合器模塊完成轉(zhuǎn)矩分配，而每次分配過程都是先計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，然后仿真系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)請求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，最終實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息會(huì)反饋到耦合器中來完成其他動(dòng)力總成的轉(zhuǎn)矩分配。

本文采取發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作曲線控制模式來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速需求[5]。按照上述定義的發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)策略，當(dāng)車速較低和道路負(fù)荷較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不提供車輛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)開啟條件后，發(fā)動(dòng)機(jī)將在事先設(shè)定的最佳工作曲線附近工作，為車輛提供驅(qū)動(dòng)力，必要時(shí)提供額外的充電轉(zhuǎn)矩。圖4中曲線1為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作曲線。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作曲線Fig.4 The optimal engine work curve

圖5 控制算法流程圖Fig.5 Flow chart of the control algorithm

圖5為控制算法流程圖，先計(jì)算出滿足當(dāng)前工況的道路功率需求，加上因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的部分功率損失以及額外的充電功率，即為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)需求的功率，再經(jīng)過最優(yōu)功率曲線優(yōu)化控制得到優(yōu)化轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合最大轉(zhuǎn)矩限制和怠速限制，進(jìn)一步計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，需要對充電轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制。當(dāng)電池SOC值從初始值降至0.5，發(fā)動(dòng)機(jī)需額外提供30 N·m的充電轉(zhuǎn)矩，主電機(jī)停止工作，發(fā)電機(jī)為電池充電。當(dāng)電池SOC值達(dá)到0.6以上，發(fā)動(dòng)機(jī)不再提供充電轉(zhuǎn)矩。圖6所示為充電轉(zhuǎn)矩限制Simulink框圖。

圖6 充電轉(zhuǎn)矩限制Simulink框圖Fig.6 Charging torque limitation in Simulink

1.2.3 主電機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配

轉(zhuǎn)矩耦合器將得到的主電機(jī)和發(fā)電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息，傳到主電機(jī)和發(fā)電機(jī)模塊，計(jì)算出對應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速后重新反饋到耦合器模塊。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩加上主電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩為耦合器實(shí)際輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速為總需求轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和主電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的最小值。耦合器輸出端的實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速將沿著動(dòng)力系統(tǒng)最終反饋給車輪模塊。

2 仿真及結(jié)果分析

將修改好的整車仿真模型導(dǎo)入ADVISOR軟件中，根據(jù)車輛參數(shù)修改相應(yīng)的m文件，并選擇循環(huán)工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。車輛參數(shù)如表1所示。

表1 車輛基本參數(shù)Table 1 Parameters of the CHEV

針對幾個(gè)典型的循環(huán)工況進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性仿真，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果Table 2 Fuel economy simulation results of CHEV

表3 動(dòng)力性能仿真結(jié)果Table 3 Dynamic performance simulation results of CHEV

圖7 CYC＿NEDC工況仿真曲線（Ⅰ）Fig.7 CYC＿NEDC simulation curves（Ⅰ）

圖7顯示了CYC＿NEDC歐洲城市循環(huán)工況中整車速度、蓄電池SOC值、整車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和整車轉(zhuǎn)速仿真曲線。由圖7中可見，整個(gè)仿真過程中實(shí)際車速與循環(huán)工況車速一致。蓄電池SOC值下降到0.5以后，發(fā)電機(jī)開始為電池充電使其SOC值上升。整車的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)正負(fù)值交替出現(xiàn)的情況，表明根據(jù)道路負(fù)載情況，車輛出現(xiàn)頻繁加速或減速情況，同時(shí)車輛通過再生制動(dòng)回收部分能量為蓄電池充電，使電池SOC值維持在一個(gè)相對較高的水平。

圖8為整個(gè)循環(huán)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和充電轉(zhuǎn)矩曲線。與圖7中的整車速度、蓄電池SOC值曲線進(jìn)行對比，可以清晰看到，在低車速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，處于關(guān)閉狀態(tài)，高車速或加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；電動(dòng)機(jī)在低車速時(shí)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，SOC過低時(shí)電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，停止提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)提供充電轉(zhuǎn)矩為電池充電。

圖8 CYC＿NEDC工況仿真曲線（Ⅱ）Fig.8 CYC＿NEDC simulation curve（Ⅱ）

本文在設(shè)計(jì)車輛控制策略時(shí)，借鑒了ADVISOR軟件中的PRIUS控制策略，而整車布置形式與PRIUS相比有類似之處，可以將相同的車輛參數(shù)輸入到PRIUS模型中進(jìn)行對比仿真。相同車輛參數(shù)PRIUS模型仿真結(jié)果如表4和表5所示。與表2和表3的仿真結(jié)果對比，可以看出二次開發(fā)的模型和PRIUS模型因車輛布置形式和控制策略的不同，其燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果有些差別，而動(dòng)力性能仿真結(jié)果基本一致，這在一定程度上驗(yàn)證了二次開發(fā)模型的正確性和適用性。

表4 PRIUS燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果Table 2 Fuel economy simulation results of PRIUS

表5 PRIUS動(dòng)力性能仿真結(jié)果Table 3 Dynamic performance simulation results of PRIUS

3 結(jié)語

在實(shí)際車輛開發(fā)過程中，通過對ADVISOR中原有仿真模型進(jìn)行二次開發(fā)，建立為實(shí)際車型所用的仿真系統(tǒng)，可以大大減少車輛開發(fā)周期。通過仿真及與參考車型的對比表明，二次開發(fā)的模型是適用的。使用系統(tǒng)建模與仿真的方法，能對混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性進(jìn)行快速分析，為實(shí)車控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一定的技術(shù)支持。針對已完成的二次開發(fā)仿真模型，需要進(jìn)行更深入的控制策略研究，以使得車輛獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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