基于ADVISOR二次開發的混合動力系統設計與仿真研究

陳 剛，武 蕾

（1.三明學院 機電工程學院，三明 365004；2.三明機械CAD工程研究中心，三明 365000）

0 引言

環境保護部最近發布的《2013年中國機動車污染防治年報》顯示，機動車的尾氣排放已成為我國空氣污染的重要來源[1]。混合動力汽車和電動車是當前改善或解決汽車尾氣污染的一個行之有效的方法之一。計算機仿真是研究混合動力汽車的重要手段，有利于縮短研發周期，降低研發成本[2]。目前，國內外研究者研究混合動力汽車使用的計算機仿真軟件主要有CRUISE、CarSim、PSAT和ADVISOR[3]，其中ADVISOR是在MATLAB/SIMULINK環境下采用模塊化的編程語言，最大的優點在于其代碼完全公開，便于使用者自主掌握和二次開發[4,5]。ADVISOR是由美國National Renewable Energy Laboratory開發，采用后向仿真為主、前向仿真輔助的混合仿真方法，主要可以實現車輛總成參數匹配與優化、車輛動力性能與經濟性仿真分析、車輛能量管理策略評價等功能[6]。但是，ADVISOR軟件也有自身的缺陷，它提供的汽車仿真模型是有限的，只適合于單軸前輪驅動的車輛仿真。本文針對某后輪驅動的混合動力城市客車，以MATLAB/SIMULINK為平臺，利用其開放的代碼和內部通用的子模塊，對ADVISOR軟件進行二次開發，建立整車仿真模型，并進行仿真分析，為該車的研制提供了有力的依據。

1 ADVISOR混合動力仿真系統二次開發

1.1 混合動力系統結構與工作原理

文中所研究的混合動力汽車是一后輪驅動的城市公交車，其動力系統采用并聯式結構，系統結構組成如圖1所示。動力系統中采用了ISG電機，ISG是起動發電一體機，在混合動力汽車有較多的應用。動力系統可以實現多種工作模式，如：1）在車輛起步或低速運轉，且蓄電池的荷電狀態SOC值大于下限值時，發動機關閉，由蓄電池組給ISG電機供電驅動車輛；2）當車輛在中高速運轉時，發動機效率較高，蓄電池組停止工作，由發動機單獨驅動車輛；3）當需求轉矩大于發動機能提供的轉矩時，發動機與蓄電池組同時工作，共同提供轉矩驅動車輛[7]；4）車輛在怠速、制動、下坡時，機械能經ISG電機產生電能并存儲于蓄電池組中。

圖1 并聯式混合動力系統

1.2 混合動力系統仿真模型的二次開發

混合動力系統采用的是后輪驅動形式，而ADVISOR軟件原有的仿真模型只有前輪驅動，差異性較大。為了達到研究目的，因此需要對ADVISOR中相關的仿真模塊進行二次開發。

ADVISOR中前驅仿真模型的建立思路是，首先建立并求解出車輛在坡度路面的動力學方程，再依據動力學方程創建SIMULINK模型。下面對坡度路面的后輪驅動車輛進行受力分析，如圖2所示，假設此時車輛是極限附著，車輛初始速度為V0，在最大附著力Fmax下產生的最大末速度為Vt。其中，FW、Ff、Fi分別是車輛所受的空氣阻力、滾動阻力和坡度阻力，Fn是驅動輪所受的垂直載荷。

圖2 后輪驅動車輛坡道受力分析

根據車輛受力平衡，有：

其中：

式中：α為坡度角，φ為附著系數，b為汽車質心到前軸的距離，l為汽車軸距，hg為汽車質心高度，CD為空氣阻力系數，A為汽車迎風面積，f1、f2為前后輪滾動阻力系數，σ為空氣密度。

經過計算和化簡，分別得出驅動和制動兩種情況下后輪達到附著極限時車輛的末速度：

為了使車輛在極限附著情況下，需求牽引力不能超過車輪能提供的最大牽引力，后驅車輛的仿真車速不會超過車輛的實際運行能力[8]，依據上述動力學方程，對ADVISOR中的輪胎極限車速、整車驅動力和制動力加以限制，將前驅模塊進行修改、替換，重新封裝，最終建立牽引力控制系統模型和后驅整車模型。

圖3 牽引力控制模塊

圖4 后驅整車模型

1.3 混合動力系統控制策略模型設計

ADVISOR中的部分模型是以經驗數據為基礎建立的穩態模型，仿真效果不佳；并且本文研究的仿真車輛的控制策略與ADVISOR中現有的控制策略不同。因此，在此需要對控制策略進行重新設計。由于車輛本身是一個非線性系統，若采用傳統的PID控制，需要將非線性系統進行線性化，控制器的設計很費時間。故文中并聯式混合動力車輛采用的是模糊邏輯控制，主要利用車輛的踏板開度、車速和SOC之間的關系作為動力分配的主要依據，經過模糊邏輯動力分配控制器模組，使發動機和馬達的動力保持最佳分配。圖4是模糊動力控制器的基本結構。

圖5 模糊動力控制器基本結構

混合動力系統控制策略的控制算法示意圖如圖6所示。混合動力系統的總功率需求依據駕駛員對加速踏板或制動踏板的指令而求得；控制器根據功率的需求，決定混合動力系統的能量流；再依據車速、負載和蓄電池組的荷電狀態，由SOC來決定發動機和電機的運行狀態。由此，在ADVISOR中對控制策略作如下定義，并修改模塊中的engine_on子模塊如圖7：V<30km/h, SOC>0.3，發動機關閉，電機驅動；V>30km/h,SOC>0.3，發動機與電機混合驅動；SOC<0.3，電機關閉，蓄電池充電。

圖6 控制策略示意圖

2 仿真與結果分析

圖7 發動機開關控制模塊

在進行ADVISOR仿真分析時，選擇不同的道路循環工況會較大的影響仿真結果。為了讓仿真分析更趨近實際情況，本文將中國城市公交典型工況導入ADVISOR，并選用該工況對混合動力系統進行經濟性能仿真分析。圖7是中國城市公交典型工況圖。由于該工況下的仿真車速上限是60km/h，因此在進行混合動力系統最高車速仿真時，又選擇了美國環境保護署城市道路循環工況CYCUDDS進行車速仿真。

圖8 中國城市公交典型工況

對道路循環工況進行合理的選擇，利用文中所建立的后驅混合動力系統和控制器模型，分別針對中國城市公交典型工況和CYC-UDDS城市道路循環工況，對車輛進行了燃油經濟性和動力性能的快速仿真。混合動力原型車輛基本參數如表1所示，表2和表3分別是燃油經濟性和動力性能的仿真結果。由于中國城市公交工況的車速大部分為低速，平均速度僅16.1km/h，且車速變化頻繁，在這種工況下混合動力汽車的燃油經濟性提高較為明顯。

表1 原型車基本參數

表2 燃油經濟性仿真結果

表3 動力性能仿真結果

圖9是混合動力汽車在CYC-UDDS城市道路循環工況的速度仿真結果曲線圖，從曲線可讀出最高仿真車速為90.5km/h，另外加速性能和爬坡性能的仿真結果也都達到了設計目標。在ADVISOR的仿真結果輸出界面中，通過output check plots（輸出檢驗圖）可以獲取各動力部件的工況圖。圖9、圖10分別是動力傳動系統的仿真效率和混合動力客車電機的仿真效率圖，從輸出工況圖可以看出，仿真過程中電機的工作效率點大部分是在0.8以上，這種結果是較為理想的。

圖9 混合動力客車速度仿真曲線

圖9 電機仿真效率

圖10 動力傳動系統仿真效率

3 結論

1）本文充分利用了ADVISOR軟件代碼開放的特性，在其現有仿真模型的基礎上，進行二次開發建立了混合動力客車的后驅動力系統模型和控制模型，并將中國城市公交典型工況導入ADVISOR，這使仿真研究與實際工況更加吻合。

2）仿真結果表明，所建立的動力系統和控制策略能夠較好的仿真該混合動力汽車的動力性能和燃油經濟性，且與原車型相比，混合動力汽車的燃油經濟性提高較明顯，動力性能也能達到設計要求。這為混合動力汽車的實用化、產量化提供了技術支持，減少了產品的開發周期和成本。

[1]環境保護部.2013年中國機動車污染防治年報[EB/OL].http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/qt/201401/t20140126_266973.htm, 2014-01-26.

[2]徐寶云,王文瑞.計算機建模與仿真技術[M].北京:北京理工大學出版社,2009:1-15.

[3]張翔,錢立軍,等.電動汽車仿真軟件進展[J].系統仿真學報,2004,16(8):1621-1623.

[4]National Renewable Energy Laboratory.ADVISOR2002 Help Document [G].http://www.ctts nrel gov/analysis, 2002.

[5]曾小華,王慶年,等.正向仿真模型與反向軟件ADVISOR的集成開發[J].汽車工程,2007,29(10):851-854.

[6]Markel T, Brooker A, Hendricks T, et al.ADVISOR: A systems analysis tool for advanced vehicle modeling [J].Journal of Power Sources, 2002,110(2): 255-266.

[7]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2006:57-66.

[8]曾小華,宮維鈞.ADVISOR2002電動汽車仿真與再開發[M].北京:機械工業出版社,2014:213-233.