基于Advisor二次開發的6×4混合動力汽車建模與仿真

晁鵬翔，范養強，李江，趙化剛，申伶

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基于Advisor二次開發的6×4混合動力汽車建模與仿真

晁鵬翔，范養強，李江，趙化剛，申伶

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

建立了6×4三軸汽車動力學模型，基于該模型對Advisor進行了二次開發。對牽引力耦合式并聯混合動力汽車結構和控制策略進行了分析。搭建了某6×4牽引力耦合式并聯混合動力汽車和與之參數相同的6×4傳統燃油汽車Advisor仿真模型，進行了燃油經濟性對比仿真分析。仿真結果表明：該牽引力耦合式并聯混合動力汽車相比傳統燃油汽車在山區高速工況下的油耗降低9.4%；牽引力耦合式并聯混合動力汽車發動機工作點和發動機工作效率分布相對傳統燃油汽車更加經濟。

混合動力汽車；Advisor二次開發；燃油經濟性；仿真分析

引言

隨著全球能源危機以及環境污染等問題的逐漸加劇，新能源汽車已成為汽車工業發展的必經之路[1]，然而受蓄能裝置性能的影響，目前純電動汽車技術僅用于部分乘用車和輕載短途商用車上[2]，因此混動技術被認為是過渡時期商用車節能減排發展的最佳途徑[3]。目前國內對混動技術的研究多集中在城市公交、短途運輸和乘用車上，對于中長途商用車混動技術研究較少。

仿真計算是研究混合動力技術的重要手段，目前國內外主流混動動力技術仿真軟件有Cruise、CarSim、PAST和Advisor等，其中Advisor由于其開源性被廣泛使用于各大車企[4]，本文對Advisor進行了二次開發，建立了6×4三軸汽車整車仿真模型，并基于該模型搭建了6×4牽引力耦合式并聯混合動力汽車仿真模型，對該混合動力汽車的燃油經濟性進行了仿真研究。

1 6×4三軸汽車動力學模型建立

設6×4三軸汽車在坡度為的路面行駛，加速度為，整車質量為，空氣阻力、加速阻力、坡道阻力、滾動阻力分別為F、F、F和F，前軸載荷為F1，中橋載荷為F2，后橋軸荷為F3，各輪驅動力分別為F1、F2和F3。前軸距質心距離為，中橋距質心距離為，前軸距中橋距離為，前軸距后橋間距為，中橋距后橋距離為，整車質心高度為h，前軸、中橋、后橋懸架剛度分別為1、2、3，重力加速度為。

設汽車初速度為0，最高車速V，各輪滾動阻力系數分別為1和2，對其進行受力分析如圖1所示：

圖1 6×4三軸汽車受力分析

根據運動學定律可得：

其中：

v為迭代步長內的平均車速。

a為迭代步長內的加速度。

F為滿足附著條件下的最大驅動力，設路面最大附著系數為μ則：

忽略空氣阻力和滾動阻力對前軸取距：

根據受力分析可得：

結合式（9）、式（10）和式（11）可得（F2+F3）。

即可得到F，將式（2）~式（5）以及F帶入式（1）得到關于v的一元二次方程：

結合式（6）、式（7）、式（8）、式（12）以及（F2+F3），最終得到驅動輪達到附著極限時迭代步長內的最大末速度V。

對于制動工況，當驅動輪發生制動附著極限時，其最大制動力F=-F，帶入式（1）得到關于平均車速v的一元二次方程：

結合式（6）、式（7）、式（8）、式（12）以及（F2+F3），最終得到制動工況下制動輪達到附著極限時，迭代步長內的最小末速度V。

同時需要考慮每個步長內對驅動力和制動力的限制[5]，根據地面附著條件，結合式（9）、式（10）和式（11）可得（F2+F3），代入式（8）即可得到最大驅動力F。地面最大制動力為全輪制動時極限附著條件下的制動力。即：

2 Advisor多軸混合動力汽車模型開發

Advisor是基于MATLAB/Simulink環境開發的一款高級汽車仿真軟件。其主要用于新能源汽車動力性和經濟性仿真分析[6]。由于其開源特性，目前該軟件已被大量應用于新能源汽車等領域。然而目前該軟件只有兩軸前輪驅動型汽車仿真模板，對于后輪驅動汽車、四輪驅動汽車和多軸商用車尚未涉及。本文根據6×4三軸汽車動力學分析結果，對Advisor進行二次開發，建立6×4三軸汽車仿真模型。

2.1 整車動力學仿真計算模塊建立

圖2 整車動力學模型

整車動力學仿真計算模塊包括前向計算模塊和后向計算模塊，其中前向計算模塊是根據車輪車軸傳遞來的實際牽引力和車速，經vehicle speed子模塊計算得到后向模塊需求車速計算步長內的初始車速0。后向計算模塊是根據整車動力學模型計算汽車需求車速和牽引力。根據6×4三軸汽車動力學分析過程，建立整車動力學模型結構如圖2所示。

2.2 牽引力控制模塊建模

牽引力控制模塊主要用于限制計算的牽引力、制動力不超過輪胎與地面的最大附著力。整車需求速度不能超過最大牽引力所能提供的最大車速。

該模塊由驅動力/制動力限制下的需求車速計算子模塊和驅動力/制動力限制子模塊組成。根據第一部分計算的加速/制動工況迭代步長內的末速度V，結合整車動力學計算模塊后向計算模塊所得到的初始車速0。根據式（6）即可得到當前步長內汽車的平均車速v。根據迭代步長內的末速度V的計算公式得到驅動力/制動力限制下的需求車速計算子模塊，如圖3所示。通過式（14）可得驅動力/制動力限制子模塊模型，如圖4所示。

圖3 驅動力/制動力限制下的需求車速計算子模塊

圖4 驅動力/制動力限制子模塊

3 牽引力耦合式并聯混合動力汽車模型建立

3.1 牽引力耦合式并聯混合動力汽車結構

目前，混合動力汽車的動力布置方式有串聯式、并聯式和混聯式三種結構，不同結構具有不同的優劣勢，本文以牽引力耦合式并聯混合動力結構為目標，研究Advisor在多軸驅動混合動力汽車中的應用。如圖5所示，牽引力耦合式并聯混合動力汽車的動力系統由兩根驅動軸、發動機、電機等構成，其中發動機為一軸提供動力，電機為二軸提供動力，蓄電池為電機提供電能。

圖5 混合驅動模式

3.2 牽引力耦合式并聯混合動力汽車控制策略

牽引力耦合式并聯混合動力汽車一般具有輔助驅動，制動能量回收，發動機負荷率調節等功能，輔助驅動工況下發動機為一軸提供動力，同時電機為二軸提供動力，該功能能夠增大汽車瞬時驅動力，提高汽車脫困能力。制動能量回收工況如圖6所示，該工況下制動輪通過傳動系統帶動電機反轉產生電能，并存入蓄電池中。發動機負荷調整主要針對發動機在低負荷區時由系統拉高發動機負荷，同時拖動后輪并帶同電機進行反轉發電。

圖6 再生制動模式

3.3 基于Advisor的混合動力汽車模型建立

根據驅動力耦合式并聯混合動力汽車結構，在Advisor中分別建立循環工況、整車模塊、車軸車輪模塊、差速器模塊、變速箱模塊、離合器模塊、電機模塊、電池模塊、發動機模塊、后處理模塊以及控制模塊，最終得到驅動力耦合式并聯混合動力汽車頂層仿真模塊如圖7所示。

圖7 驅動力耦合式并聯混合動力汽車頂層仿真模塊

4 牽引力耦合式并聯混合動力汽車性能仿真

4.1 設置仿真參數進行仿真分析

在MATLAB/Simulink中搭建好仿真模型后，將發動機參數、電機參數、整車參數等進行逐個設置，并修改相應m文件，同時制定仿真CYC—HWFET行駛工況，然后啟動Advisor并進行界面參數選擇和調整，如圖8所示。之后進行路面、電池初始狀態等設置，如圖9所示。

圖8 整車參數調整界面

圖9 路面及加速、爬坡性能設置界面

4.2 整車燃油經濟性仿真分析

圖10 傳統燃油車仿真結果

圖11 牽引力耦合式混合動力汽車仿真結果

為了研究牽引力耦合式并聯混合動力汽車在燃油經濟性方面的優越性，本文選用路況較為復雜的山地高速作為仿真循環工況，如圖9所示，并選用與之參數相同的傳統燃油汽車進行對比仿真。仿真結束后輸出仿真結果，其中圖10和圖11分別為傳統汽車和牽引力耦合式并聯混合動力汽車燃油消耗情況、工況跟隨情況、發動機特性及檔位變化情況仿真結果，圖12和圖13分別為傳統汽車和牽引力耦合式并聯混合動力汽車發動機工作點分布圖，圖14和圖15分別為傳統汽車和牽引力耦合式并聯混合動力汽車發動機工作效率分布圖。

圖12 傳統燃油車發動機工作點分布圖

圖13 牽引力耦合式混合動力發動機工作點分布圖

圖14 傳統燃油車發動機工作效率分布圖

圖15 牽引力耦合式混合動力汽車發動機工作效率分布圖

從圖10和圖11可以看出傳統汽車發動機跟隨情況沒有牽引力耦合式并聯混合動力汽車好，這是由于傳統汽車動力性有限，進而制約了脫困能力造成的，同時從圖10和圖11還可以看出傳統燃油汽車的百公里油耗為40.5L/100km，牽引力耦合式并聯混合動力汽車的百公里油耗為36.7L/100km，因此該混合動力汽車油耗相比傳統燃油汽車降低9.4%，從傳統燃油汽車發動機工作點分布圖12和牽引力耦合式混合動力發動機工作點分布圖13可以看出，傳統燃油汽車發動機工作點分布較為發散，其在低負荷區也分布了較多工作點，而牽引力耦合式混合動力發動機工作點分布大多集中在經濟區，該結論從傳統燃油車發動機工作效率分布圖14和牽引力耦合式混合動力汽車發動機工作效率分布圖15也可以得出，同時從發動機效率分布圖還可以看出，牽引力耦合式混合動力汽車發動機工作效率大多集中分布在40%以上的高效區，而傳統燃油車發動機工作效率分布較為發散。

5 結語

（1）建立了6×4汽車動力學模型，并基于該模型對Advisor進行了二次開發，建立了6×4汽車Advisor仿真模型。

（2）分析了牽引力耦合式并聯混合動力汽車結構及控制策略，分別搭建了6×4傳統燃油汽車和6×4牽引力耦合式并聯混合動力汽車Advisor仿真模型。

（3）利用Advisor仿真軟件對6×4牽引力耦合式混合動力汽車和與其參數相同的傳統6×4燃油汽車進行了仿真，對

仿真結果進行了對比分析，結果顯示，在山地高速循環工況下，牽引力耦合式并聯混合動力汽車相比傳統燃油汽車油耗降低9.4%，牽引力耦合式并聯混合動力汽車發動機工作點和發動機工作效率分布點集中分布在高效區，而傳統燃油汽車發動機工作點和發動機工作效率分布點分布較為發散。

[1] 田香玉,曲金玉,殷允朝,等.基于Advisor仿真軟件的二次開發及其在液壓混合動力車上的應用[J].液壓與氣動,2016,(2):23-29.

[2] Karen L. Butler,Mehrdad Ehsani, Preyas Kamath. A Matlab-based Modeling and Simulation Paekage for Electric and Hybrid Electric Vehicle Design. IEEE Transaction Vehicle Technology. VOL48,NO. 6,1999.

[3] 曾小華,王慶年,王偉華.基于ADVISOR軟件的雙軸驅動混合動力汽車性能仿真模塊開發[J].汽車工程,2003.

[4] Wang Liangmo, Bai Weijun. Development and simulation of electric vehicle based on ADVISOR [J]. Jounral of Southeast University (English Edirion), 2006, 22(2):196-199.

[5] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社.2009:75-88.

[6] 凌濱,王博強,盧曉琳.混合動力汽車功率分配管理優化研究[J].計算機仿真,2017,34（5）:156-161.

Modeling and simulation of 6×4 hybrid electric vehicle based onADVISOR redevelopment

Chao Pengxiang, Fan Yangqiang, Li Jiang, Zhao Huagang, Shen Ling

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co, Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

A 6×4 three axis vehicle dynamics model is established and the advisor is redeveloped based on this model. The structure and control strategy of traction coupled parallel hybrid vehicle is analyzed. A 6×4 three axis traction coupled parallel hybrid vehicle and a 6×4 conventional fuel vehicle simulation advisor model with the same parameters is built, comparative simulation analysis of fuel economy is carried out. The simulation result show that: Compared with the traditi -onal fuel vehicle, the fuel consumption of this traction coupled parallel hybrid vehicle is reduced by 9.4% at mountainous area highway; The engine working point and engine efficiency distribution of this traction coupled parallel hybrid vehicle is more economical than those of traditional fuel vehicle.

Hybrid car; Redevelopment of ADVISOR; Fuel economy; Simulation analysis

A

1671-7988(2018)20-11-05

U463.4

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1671-7988(2018)20-11-05

U463.4

晁鵬翔，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，工程師，主要從事底盤各系統技術開發及應用。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.004