基于CRUISE的混聯式混合動力汽車電動優先混合控制策略仿真

蔡嘯霄，嚴運兵

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北武漢，430081）

基于CRUISE的混聯式混合動力汽車電動優先混合控制策略仿真

蔡嘯霄，嚴運兵

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北武漢，430081）

針對一款開發中的混聯式混合動力轎車，在分析其布置形式與工作模式的基礎上，提出電動優先的混合控制策略，搭建基于CRUISE的整車仿真模型，用C語言編寫了電動優先混合控制策略，利用C－function模塊將其嵌入到CRUISE模型中進行耦合仿真，并對控制策略進行優化和評價，驗證控制策略的可行性；結合目標車型的期望性能，對仿真車型動力系統進行了匹配，為實車設計提供了參考依據。結果表明，控制策略達到了預期目標且合理適用。

CRUISE仿真軟件；混合動力轎車；動力匹配；電動優先混合控制

隨著全球石油資源日益枯竭、國家節能減排任務加重以及汽車保有量擴大所帶來的污染日趨嚴重，尋找清潔的替代能源已成為未來可持續發展的核心問題。各國在制定更加嚴格的節能減排政策和排放法規的同時，也在不遺余力地進行電力、氫動力等新能源汽車及燃料電池的研發工作。

盡管電氣化和零排放是未來汽車發展的主要方向，但就目前情況來說，純電動汽車的推廣還存在安全問題和充電樁架設缺口問題，而油電混合動力汽車已經有了較成熟的技術，并已擁有相當規模的市場。作為兼顧電動汽車和傳統汽車優點的新一代汽車結構型式，油電混合動力汽車由于在環保和節能方面優勢明顯，且動力性接近于傳統汽車，生產成本也低于純電動汽車而日益受到汽車工業界的重視，近年來已成為世界上各大汽車公司和開發機構研究的熱點［1］。

CRUISE仿真軟件是奧地利李斯特內燃機及測試設備公司（AVL List Gmb H）開發的研究汽車動力性、燃油經濟性、排放性能及制動性能的仿真分析軟件，它采用模塊化的設計方法，可以對任意結構形式的汽車傳動系統進行建模和仿真，可用于汽車開發過程中動力系統的匹配、汽車性能預測和控制策略模擬，還可用于混合動力汽車和電動汽車的動力系統、傳動系統及控制系統的開發與優化。目前CRUISE結合AVL公司旗下其他軟件在傳統汽車基礎上研發新型動力總成和模擬測試方面有著舉足輕重的地位，而對于新能源汽車方向尚未過多涉足。本文選擇一款開發中的混聯式混合動力汽車進行匹配，在CRUISE環境中建立仿真模型并對相關控制策略進行驗證。

1 目標車型布置與期望性能

目標車型采用混聯方案，其驅動系統布置如圖1所示。系統中，發動機、發電機、電動機同軸布置，發動機／發電機組和電動機分別布置在離合器兩側。整車的期望性能如下：0～100 km·h－1加速時間為12 s；最高車速為160 km·h－1；純電動續駛里程為25 km。

圖1 目標車型驅動系統布置Fig.1 Drivetrain configuration of target vehicle

2 電動優先混合控制策略的制定

為達到期望的性能指標，需對發動機、發電機、電動機及電池組進行功率匹配。功率匹配除了與驅動系統布置有關外，還受動力系統工作模式及能量分配策略等方面因素的影響。

根據圖1的系統布置，整個行駛模式主要分為以電動機為主的電量消耗模式和以發動機為主的滑行與充電模式。在電池荷電狀態（SOC）充足的情況下，車輛主要運行在電量消耗模式，主要包括純電動模式、混合動力模式和制動再生模式等子模式。當電池SOC降至一定范圍內時，運行模式為以發動機驅動和發電機發電為主的滑行與充電模式，即當電池電量降到一定水平需要充電時，電動機關閉，發動機起動，并帶動發電機對電池進行充電。

結合上述工作模式分析，本文采用了電動優先混合控制策略，即循環工況開始，車輛首先以電動機帶動車輛起步，電池SOC值由設定最大值開始下降。電池SOC值下降至設定最小值之前，以電動機工作為主，發動機工作為輔：①當需求轉矩小于電動機最大轉矩時，電動機提供驅動所需全部轉矩，發動機停止工作；②當需求轉矩超過電動機最大轉矩時，電動機工作在最大轉矩區，同時發動機起動，補充不足部分轉矩，并控制發動機盡量工作在最優區間內。電池SOC下降至小于設定最小值后，電動機先關閉，停止耗電，再轉為以發動機工作為主，電動機工作為輔：①當需求轉矩小于當前轉速下發動機最優曲線對應轉矩時，發動機繼續工作在最優曲線上，多余轉矩經由發電機轉換為電能儲存于動力電池中；②當需求轉矩大于當前轉速下發動機對應的最大轉矩時，則電動機啟動并對轉矩進行補償。整個控制過程中電池SOC在一個預先設定的小范圍內上下波動，以保護電池不會過度放電。

上述各種工作模式的切換以電池SOC、需求轉矩、制動踏板ON／OFF等為觸發條件。

3 CRUISE整車建模與仿真

CRUISE的應用可以貫穿到整個開發環節。作為總成設計基礎上的一種細化，零部件匹配設計可對動力傳動系統中的主要零部件（發動機、電動機、電池及相關的控制和管理系統）的技術參數提出設計要求，進行相關的組合匹配，對車輛的控制策略進行初步的設計，根據控制策略以及車輛的設計目標，確定零部件的具體參數并對基本控制策略進行驗算。

參考驅動系統布置，利用CRUISE軟件中所提供的圖形化操作界面，可以從各大模塊組中選擇合適的模塊，構建出系統框圖，得到如圖2所示的CRUISE整車模型。模型中包含整車模塊、駕駛員模塊、發動機模塊、變速箱模塊、離合器／電控離合器模塊、發電機／電動機模塊、電池模塊、主減速器／差速器模塊和輪胎／制動模塊以及各種工況所對應的控制策略模塊［2－3］。

圖2 CRUISE仿真模型Fig.2 Simulation model in CRUISE

CRUISE可以實現對車輛循環油耗（針對不同的循環工況）、等速油耗（任意檔位和車速下）、穩態排放、最大爬坡度（驅動防滑ON／OFF）、最大牽引力（牽引功率）、最大加速度、最高車速、原地起步連續換檔加速、超車加速性能（直接檔加速性能）、車輛智能巡航控制和制動／反拖／滑行等一系列車輛性能的計算分析［4］，在基于傳統車輛模型的基礎上可以快速搭建純電動汽車或混合動力車輛模型，并可通過與Matlab或C語言的接口實現整車控制策略的設計開發。本文選擇C語言對目標車型的控制策略進行了編程，并嵌入到C－Function模塊中。經過性能仿真與優化，得到該車型主要部件的匹配結果如表1所示。

表1 零部件匹配參數Table 1 Vehicle parameters

為了客觀地評價整車控制策略，在CRUISE仿真環境下于Task Folder的Cycle Run中分別選擇UDC（歐洲城市工況）、FTP75（美國城市工況）和NEDC（新歐洲循環工況）3種行駛循環工況進行分析，各工況均包含市區低速工況和郊區高速工況，主要測試系統以電池SOC和電動機為主導的控制模式下車輛是否能滿足工況需求。

進入Calculation Center開始仿真，得到各種循環工況的仿真結果如表2所示。

表2 循環工況仿真結果Table 2 Simulation results of driving cycle

仿真結束后在Energy Flow Graphics中可以按仿真步長方式復現整個仿真流程。以NEDC循環工況為例，仿真車輛的工況參考速度與實際速度對比如圖3所示。由圖3中可以看出，仿真車型的實際速度與工況參考速度誤差控制在5%以內，符合控制策略預期要求。

圖3 目標車速與實際車速對比圖Fig.3 Comparison of desired velocity and current velocity

圖4所示為所模擬發動機的最優工作曲線。圖5所示為發動機工作點的仿真結果（顏色越深表明發動機所在工作區間的時間歷程占整個仿真時間的比率越大）。由圖5中可知，除怠速階段外，發動機工作點大體符合預期控制策略規定。

圖4 發動機最優工作曲線Fig.4 Optimal operating curves of the engine

圖5 發動機工作點的仿真結果Fig.5 Simulation results of engine operating points

在Task Folder中繼續添加Constant Driving和Climbing Performance任務可對仿真車型的動力性如百公里加速時間、純電動續駛里程等進行全面評價，所得結果與目標車型性能對比如表3所示。由表3中可見，仿真結果與目標值誤差在5%以內，可以達到設計目標的要求。

表3 仿真車型與參考車型動力性對比Table 3 Power comparison of simulation vehicle and referred vehicle

4 結語

本文結合目標車型驅動系統的布置，對其工作模式進行了分析，并制定了電動優先的混合控制策略，為整車動力系統匹配奠定了基礎。在CRUISE環境中搭建了與目標車型對應的仿真模型，并利用CRUISE的功能對目標車型動力系統進行了匹配，為油電混合動力汽車的開發提供了參考依據。對電動優先混合控制策略進行了仿真驗證，結果表明控制策略達到了預期目標且合理適用。

［1］ 康龍云.電動汽車最新技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］ 姜海斌，黃宏成.CRUISE純電動汽車動力性能仿真及優化［J］.機械與電子，2010（4）：4－6.

［3］ 王保華，羅永革.基于CRUISE的汽車建模與仿真［J］.湖北汽車工業學院學報，2005，19（2）：2－3.

［4］ 趙海峰.基于CRUISE軟件的AMT車輛性能仿真分析與實驗研究［D］.重慶：重慶大學，2005.

Simulation of a motor－prior control strategy for a series／parallel HEV based on CRUISE

Cai Xiaoxiao，Yan Yunbing
（College of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

A motor－prior control strategy for a series／parallel HEV in development was proposed through an analysis of the characteristics of its layout and working modes.By creating the HEV model in CRUISE and transforming the control strategy into C language，a co－simulation was performed with CRUISE and C－function module.The result shows that it is able to evaluate and optimize the control strategy and verify its feasibility.On this basis，it offers a match for the powertrain system of simulation model according to the desired performance of target vehicle，and provides a reference to real car design.

CRUISE；HEV；powertrain match；motor－prior control strategy

U469.72

A

1674－3644（2012）04－0304－04

［責任編輯 鄭淑芳］

2011－12－01

國家自然科學基金資助項目（61074036）.

蔡嘯霄（1987－），男，武漢科技大學碩士生.E－mail：caixiaoxiao.jlu＠gmail.com

嚴運兵（1968－），男，武漢科技大學教授，博士.E－mail：yyb＠wust.edu.cn