基于Cruise和Simulink的某48V輕度混動車輛仿真分析

馮帆，黃赟熹，劉優

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基于Cruise和Simulink的某48V輕度混動車輛仿真分析

馮帆1，黃赟熹2，劉優3

（1.陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300；2.廣西艾盛創制科技有限公司，廣西 柳州 545007；3.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，湖南 長沙 410205）

Cruise和Simulink聯合建模仿真適合各種結構的車輛，方便研究人員開發復雜的控制算法，能有效提高混合動力車輛的研發效率。基于Cruise搭建某5MT原車與48V-iBSG電機系統混動車模型，重新規劃新的換擋策略，應用Simulink搭建輕度混動控制策略模型，經過Cruise與Simulink仿真分析計算車輛動力性和燃油經濟性。并與原始車型結果進行對比分析，驗證了仿真分析方案的可行性。

Cruise；仿真分析；控制策略；動力性

前言

混合動力車輛整車開發及傳動系統各部件的開發可使用諸多仿真建模軟件，Cruise軟件是AVL公司開發的整車系統分析工具。其特點在于結構化分層建模，適用于所有類型的動力總成，并且響應速度迅速，是研發部門、OEM廠家和供應商之間車輛開發信息交流共享的集成軟件。與相類似軟件對比，優勢在于多參數優化，部件子系統匹配，能力和功率在系統中的形象化展現。Simulink是MATLAB控制和分析的集成模塊之一，通過Simulink建立仿真用的控制策略建立方法，用于Cruise高級仿真聯合，目的是使得研究人員在新車型開發中提升建模效率。

弱混（或稱之為輕度混動）技術（Mild Hybrid），核心包括Start-Stop（啟停）技術、BSG（Belt-drivenStarter/Generator皮帶傳動啟動/發電一體化電機）技術，BSG技術就是利用皮帶傳動電動機，該電動機經由皮帶傳動在短時期內將發動機轉速由零上升至怠速以上，從而實現汽車的快速起停。

博世BRS系統，是一種成熟的輕度混合車輛能量回收系統，兩個電氣網（48V和14V）共存并且通過PCU轉化器相互連接（也稱為DC/DC）。通過PCU的正向及逆向工作模式，可以使得電能在48V系統及14V系統之間相互轉化。在日常行駛中，BRM回收大量制動能量并儲存于48V鋰離子電池中，這些電能均可用于14V負載中。同時BRM也可以當做電動機輔助發動機產生額外的轉矩，可以再節省燃油的同時改善駕駛性。

1 P0結構48V-iBSG系統混動車型

1.1 P0結構

目前主流混動技術方案中根據電機位置的不同，分為P0、P1、P2、P3、P4，不同方案在成本、布置、性能方面各具優缺點。P0結構即是將電機布置在發動機前端，P0結構的優勢是，擁有皮帶傳動起動和發電一體的電機，利用高性能蓄電池，完成紅綠燈發動機起停，并允許帶動空調機械壓縮機，主要用于12-25V微混合或48V弱混，但因為是皮帶結構，屬于軟性連接，發動機驅動和動能能量回收效率受到一定限制。

1.2 48V-iBSG系統架構

48V-iBSG輕度混動系統主要可以實現以下幾大功能，分別是啟停、制動能量回收、轉矩助力、滑行、換擋策略優化。細化為即采用BSG的舒適啟動/啟停、給12V電路供電、給48V部件供電、發動機熄火滑行、制動/滑行能量回收、發動機工作點轉移、助力、電動爬行/駕駛、用傳統起動機作為備用啟動（48V電源支持）等，節油率約8%-16%。

1.3 48V-iBSG混動汽車主要四種工況

1.3.1 起動工況

起動時，48V-iBSG電機在幾百毫秒時間內將發動機加速至怠速轉速以上，然后汽油機才開始工作。

1.3.2 停車工況

當汽車在等紅燈或者短暫/長時間停車時，只要滿足一定條件，控制系統切斷汽油機供油，自動使發動機和48V-iBSG電機停止工作，節省燃油的同時減少廢氣排放。需要起步時，則進入起動工況，由48V-iBSG電機起動發動機。

1.3.3 減速工況

駕駛員在汽車行駛過程中松開加速踏板/踩下制動踏板，滿足一定條件時，48V-iBSG電機處于發電狀態，回收部分制動能量儲存在蓄電池中。

1.3.4 正常行駛工況

如果電池電量足夠，全油門加速時，則發動機全油門工作的同時48V-iBSG給發動機一定助力。一般油門行駛時，整車控制器按照實際扭矩需求情況可能會向電機傳送信號給于發動機一定助力，優化調節發動機工作點，節省油耗。若果電池電量不足，則由發動機單獨工作，如果電池電量過低時，則由發動機提供動力，由48V-iBSG電機發電為電池充電。

2 整車參數及模型建立

2.1 整車參數

本文對某FF 5MT配4A91S（1.5L）發動機車型整車建模，車輛基本參數、變速器及傳動比、電池參數如表1所示。

表1 整車參數

2.2 模型建立

圖1 48V混動車Cruise數據模型

圖2 電池參數設置

搭建Cruise整車數據模型和48V混動車的Cruise數據模型，用于模型之間的對標分析，5MT_48V輕混模型如圖1所示，電池參數設置如圖2，電機參數設置如圖3所示。因為在Cruise無法模擬皮帶，以減速器模型代替皮帶模型，電機與發動機連接皮帶參數設置為，傳動比2.7，皮帶效率取0.9。

圖3 電機參數設置

3 Matlab控制模型建立

3.1 控制策略介紹

3.1.1 能量回收

在制動工況中電動機變換為發電機，把部分動能轉化為可利用的電能進行存儲。當發動機轉速在750-6000rpm范圍內，進行制動能量回收。當電池SOC值大于85%時，制動能量不予回收。制動踏板開度大于5%時候，制動能量回收，小于2%時候制動能量回收。

3.1.2 扭矩分配

電機作為電動機工作，駕駛員扭矩需求將由電機分擔一部分，降低發動機負載。油門踏板開度大于25%時電動機允許輸出扭矩。電池SOC超過60.5%時允許扭矩分配低于59.5%時不允許扭矩分配。當車速超過51.5km/h時，扭矩分配，車速低于49km/h時不進行扭矩分配。當車輛加速度超過0.25m/s2允許扭矩分配，低于0.15m/s2不允許扭矩分配。

3.1.3 助力

當驅動需求扭矩大于此時發動機的外特性，不足扭矩由電機提供。發動機轉速在600-3400rpm范圍內允許助力。電池SOC大于36%允許助力。

3.1.4 電爬行

在限定車速內，車輛由電機驅動，發動機將不會輸出扭矩。當SOC小于40%時，電爬行被禁用。發動機水溫大于40℃，電爬行被禁用。

3.1.5 發動機高級啟停

發動機在車速不為零時暫停工作。電機以更短的時間和更小的噪音震動起動發動機。車速門限值為12km/h。發動機水溫小于20℃時，啟停功能被禁用。SOC在30%-80%允許啟停功能使用。發動機轉速大于500rpm，準許啟停功能工作。

3.1.6 發電機模式

電機在發電機模式下，對48V蓄電池進行充電。當系統執行制動能量回收，電機轉換為發電機工作，執行充電行為。當電池SOC值小于控制系統限定參數時，發動機輸出部分扭矩驅動發電機發電，執行充電行為。

3.2 控制策略模型建立

Simulink信號輸入模塊建立的參數需要與Cruise模型中API建立的Inport數據一致，為一一對應關系。功能控制模塊根據實際車輛獲取的狀態信息判定車輛所處的工況，判定后傳遞相應信號至功能模塊。各個功能模塊由兩部分組成，為控制部分和輸出部分，控制部分主要是判定當前實車工作目標信號，輸出部分主要是傳遞目標信號至仿真軟件。信號輸出模塊是將各個功能模塊的計算結果數據通過信號輸出模塊傳遞至Cruise中去控制Cruise各個部件工作。Simulink建立控制策略模型在總體上是根據博世的BRS策略來建立，其中電動模式，發動機模式，扭矩分配模式選擇模型設計如圖所示4。

圖5 模式選擇控制策略

4 聯合仿真分析

本方案基于Cruise整車數據模型和48V混動車的Cruise數據模型，建立Simulink控制策略，然后進行聯合仿真和結果對比。根據主機廠提供的數據，參照OEM換擋策略，重新設計新的MT車型換擋點，新舊換擋策略分析結果如圖6所示。

圖6 新換擋策略分析結果

針對5MT和5MT_48V輕混方案車型的動力性進行計算任務設置，仿真結果如表2所示，針對5MT和5MT_48V輕混方案車型的燃油經濟性進行NEDC循環工況計算任務設置，仿真結果如表3所示。

表2 動力性及電池SOC值分析結果

表3 燃油經濟性分析結果

5 結論

根據實車油耗測試，不帶BRS策略的原車NEDC工況試驗油耗為6.16L/100km和6.20L/100km，帶BRS控制策略的NEDC工況試驗油耗結果為5.54L/100km和5.56/100km，BRS控制策略節約10.2%。

由仿真分析結果得出，5MT_48V輕度混動車型動力性優于5MT傳統車型；經濟性方面，根據NEDC工況原換擋策略，得出5MT_48V輕度混動車型油耗相對于傳統車型節油約9.8%。根據NEDC工況優化的新換擋策略，得出5MT_48V輕度混動車型油耗相對于傳統車型節油約14.9%。

由以上的結果對比可知，Cruise仿真分析結果與實車測試結果非常接近，并且節油率均超過10%，證明本設計方案達到了優化目標。

[1] 徐達偉,回春.基于Cruise的純電動客車仿真分析[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版）,2015(2).

[2] 黃凱,邱煥堯,王宏明.基于cruise的純電動整車控制策略研究[J].汽車實用技術,2018(17).

[3] 嚴運兵.電動汽車概論[M].北京:機械工業出版社,2012:19-65.

[4] 朱鵬飛,趙文杰,許宏云.基于CRUISE純電動汽車匹配計算與仿真[J].新能源汽車,2012(9).

[5] 劉雨龍.基于Cruise對乘用車發動機對于汽車性能影響的匹配與分析[J].時代汽車,2018(12).

[6] 楊舒樂.基于Matlab與Cruise聯合仿真的插電式混合動力汽車控制策略研究[J].內燃機與配件,2017(24).

Simulation Analysis of a 48V MildHybrid Vehicle Based on Cruise and Simulink

Feng Fan1, Huang Yunxi2, Liu You3

（1.Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi'an 710300; 2.Alsn Auto R&D CO., LTD, Guangxi Liuzhou 545007; 3.AISN Innovative Design and Manufacturing CO., LTD, Hunan Changsha 410205）

Cruise and Simulink jointly model and simulate vehicles suitable for various structures, enabling researchers to develop complex control algorithms that can effectively improve the development efficiency of hybrid vehicles.Based on Cruise, build a 5MT original car and 48V-iBSG motor system hybrid car model, re-plan a new shift strategy, apply Simulink to build a mild hybrid control strategy model, and calculate the vehicle dynamics and fuel economy through Cruise and Simulink simulation analysis.And compared with the original model results,the feasibility of the simulation analysis program is verified.

Cruise; Simulation analysis; Control strategy; Dynamics

U469.79

A

1671-7988(2019)09-07-04

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1671-7988(2019)09-07-04

馮帆，碩士，講師，就職于陜西國防工業職業技術學院，研究方向：汽車計算機輔助設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.002