一種并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法

楊樹軍，李路興,，胡紀(jì)濱，李學(xué)良，彭增雄

(1.燕山大學(xué)河北省特種運(yùn)載裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；2.北京理工大學(xué)車輛傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

0 前言

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，常采用半實(shí)物仿真的方法，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期[1-6]。尤其在液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)初期，需要快速驗(yàn)證整車模型的準(zhǔn)確性和控制策略的有效性，為下一步控制器在環(huán)試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)做準(zhǔn)備[7-11]。

半實(shí)物仿真通常采用正向仿真模型和商業(yè)化產(chǎn)品，如dSAPCE、ETAS、Lab-RT等平臺(tái)，進(jìn)行半實(shí)物仿真系統(tǒng)開發(fā)，但其產(chǎn)品成本高，系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)不方便[12-16]。閆斌等人[17]基于RT-LAB平臺(tái)，進(jìn)行并聯(lián)式混合動(dòng)力半實(shí)物仿真試驗(yàn)，對(duì)比計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，半實(shí)物仿真得到的油耗量趨勢和大小基本一致，驗(yàn)證了整車控制策略的有效性。王琨等人[18]利用TargetLink工具，搭建了輪轂電機(jī)混合動(dòng)力汽車半實(shí)物仿真平臺(tái)，半實(shí)物仿真得到的整車油耗和電池SOC等結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了整車控制策略的有效性。總之，采用商業(yè)化半實(shí)物仿真平臺(tái)的軟硬件成本昂貴，需要利用正向仿真模型，形成閉環(huán)控制，測試對(duì)象受限，和實(shí)物元件數(shù)據(jù)交互不便。

半實(shí)物仿真還可以利用LabVIEW等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，搭建整車模型和實(shí)時(shí)控制程序，進(jìn)行半實(shí)物仿真平臺(tái)開發(fā)[19-22]。WANG等[23]將LabVIEW提供的虛擬儀器作為下位機(jī)，將嵌入式PC作為上位機(jī)，開發(fā)了油電混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，并驗(yàn)證了其實(shí)時(shí)性。BRUNELLI等[24]針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，搭建具有短距離和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交互的V2x控制系統(tǒng)，用于測試和驗(yàn)證控制策略的有效性。然而，以上研究臺(tái)架實(shí)物和控制系統(tǒng)復(fù)雜，也必須采用正向模型。相對(duì)于正向仿真模型，后向仿真模型不考慮操作員行為，仿真模擬的效率高，可快速驗(yàn)證控制策略的有效性，但鮮有利用后向仿真模型進(jìn)行液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)開發(fā)的研究。

綜上所述，本文作者利用LabVIEW可以同時(shí)作為上位機(jī)和虛擬儀器的特點(diǎn)，提出一種利用后向仿真模型的并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法，搭建基于LabVIEW的整車后向仿真模型和控制策略模型，通過工控機(jī)、USB-CAN板卡等與泵馬達(dá)、換向閥、電力測功機(jī)等硬件設(shè)備進(jìn)行通信。該平臺(tái)組成及其控制系統(tǒng)簡單，可用于快速驗(yàn)證并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性和整車控制策略的有效性。

1 半實(shí)物仿真試驗(yàn)原理

1.1 整體方案

半實(shí)物仿真方案如圖1所示，轉(zhuǎn)矩耦合器輸入端連接并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)物部分輸出軸，轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端依次連接聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和電力測功機(jī)。試驗(yàn)測控部分由上位機(jī)、變頻器和數(shù)字或模擬I/O接口設(shè)備組成[25-26]。

圖1 半實(shí)物仿真方案示意

由于電力測功機(jī)和轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端直接相連，通過上位機(jī)控制電力測功機(jī)模擬循環(huán)工況下的車速變化，可以轉(zhuǎn)換成模擬循環(huán)工況下轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端的轉(zhuǎn)速變化。并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)物部分真實(shí)反映循環(huán)工況下的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩。

在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)于轉(zhuǎn)矩耦合器輸入端，而且發(fā)動(dòng)機(jī)位于輸入端和輸出軸同軸的一側(cè)，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)位于另一側(cè)。上位機(jī)根據(jù)整車縱向動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)速變化，通過變頻器控制電力測功機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)速。根據(jù)仿真模型計(jì)算得到的混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力輸出部件的控制參數(shù)，上位機(jī)通過模擬I/O接口設(shè)備控制泵馬達(dá)排量比，輸出液壓扭矩；通過控制換向閥換向，控制液壓回路通斷。

1.2 整車縱向動(dòng)力學(xué)模型

在道路上直線行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力F由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)提供，阻力由滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj組成，車輛驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡公式為

F=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

若將行駛阻力轉(zhuǎn)換為耦合器輸出端阻力矩，行駛車速轉(zhuǎn)換為耦合器輸出端轉(zhuǎn)速，可得到等效動(dòng)力學(xué)模型為

(2)

式中：T0為耦合器輸出端阻力矩。

(3)

式中：n0為轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)速(r/min)；i0為轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端到車輪的傳動(dòng)比；r為車輪半徑(m)；ua為目標(biāo)車速(km/h)。

滾動(dòng)阻力和坡度阻力為

Ff+Fi=mg(fcosθ+sinθ)

(4)

式中:m為整車質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；θ為道路角度(°)。

空氣阻力為

(5)

式中：Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積(m2)；u為車速(m/s)。

加速阻力為

(6)

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

在車輛正常行駛過程中，若忽略離合器的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速可由變速器輸出轉(zhuǎn)速反向求出。在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速確定時(shí)，通過查表確定其在一定轉(zhuǎn)速扭矩下的燃油消耗率為

ffu=ffu(Te,ne)

(7)

式中：Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩(N·m)；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(r/min)；ffu為燃油消耗率(g/(kW·h))。

1.4 半實(shí)物仿動(dòng)力學(xué)模型

采用電力測功機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨控制的方式模擬轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端的轉(zhuǎn)速變化[27-28]，可知電力測功機(jī)加載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)速關(guān)系為

nh=nim

(8)

式中：n為電力測功機(jī)加載轉(zhuǎn)速(r/min)，由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)采集；im為轉(zhuǎn)矩耦合器傳動(dòng)比；nh為并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架實(shí)物輸出轉(zhuǎn)速(r/min)。

驅(qū)動(dòng)時(shí)，電力測功機(jī)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)工作時(shí)，泵馬達(dá)拖動(dòng)其運(yùn)行，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和泵馬達(dá)在馬達(dá)工況輸出扭矩的關(guān)系為

(9)

式中：Tm為泵馬達(dá)在馬達(dá)工況輸出扭矩(N·m)；J為電力測功機(jī)軸、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；ω為電力測功機(jī)角速度(rad/s)。

泵馬達(dá)在馬達(dá)工況輸出扭矩為

(10)

式中：k為泵馬達(dá)排量比；Δp為泵馬達(dá)兩側(cè)壓差(MPa)；Vg為泵馬達(dá)排量(mL/r)；ηmt為泵馬達(dá)在馬達(dá)工況下的機(jī)械效率。

目前淘寶、天貓等阿里巴巴平臺(tái)上擁有3億多個(gè)人實(shí)名注冊用戶信息以及超過3 700萬戶小微企業(yè)交易信息[11]．此外，支付寶、京東白條等網(wǎng)絡(luò)金融機(jī)構(gòu)早已開始采集用戶的個(gè)人信用信息. 基于此，為了避免大學(xué)生因無力償還貸款而導(dǎo)致悲劇的發(fā)生，可以在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)個(gè)人征信系統(tǒng)，共同攜手合作，提高風(fēng)控能力．

轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端角速度計(jì)算公式為

(11)

式中：Δt為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采集時(shí)間間隔(s)；n0(x+1)為時(shí)刻x+1的轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)速(r/min)；n0(x)為時(shí)刻x的轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)速(r/min)。

制動(dòng)時(shí)，電力測功機(jī)以電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其拖動(dòng)泵馬達(dá)運(yùn)行，泵馬達(dá)在泵工況輸入扭矩關(guān)系為

(12)

式中：Tp為泵馬達(dá)在泵工況輸入扭矩(N·m)；ηpt為泵馬達(dá)在馬達(dá)工況下的機(jī)械效率。

綜上所述，上位機(jī)通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)采集液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)輸入/輸出扭矩、轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型，得到循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速；通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)矩耦合器輸出端轉(zhuǎn)矩變化，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和半實(shí)物動(dòng)力學(xué)模型，得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化和整車油耗量，即：

ne=ni

(13)

(14)

(15)

式中：mfu為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量(g)。

2 后向仿真模型及半實(shí)物試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

表1 某型液驅(qū)車主要技術(shù)參數(shù)

搭建并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、整車動(dòng)力學(xué)模型、蓄能器模型、泵馬達(dá)模型和相應(yīng)控制策略模型等。

圖2 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)整車模型

基于后向仿真的方法，從滿足期望循環(huán)工況出發(fā)，計(jì)算出滿足期望車速的發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩。通過整車控制策略控制泵馬達(dá)排量比，結(jié)合泵馬達(dá)兩側(cè)壓差大小，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的控制。在循環(huán)工況下，已知發(fā)動(dòng)機(jī)期望輸出轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，通過發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算出并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)目標(biāo)油耗量；已知變速器輸出扭矩和擋位，通過動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前車速和變速器輸出轉(zhuǎn)速；已知當(dāng)前車速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、變速器輸出轉(zhuǎn)速和泵馬達(dá)輸出扭矩，通過變速器模型計(jì)算出擋位變化、變速器輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出變速器輸入轉(zhuǎn)速、變速器輸出扭矩和變速器當(dāng)前擋位；已知泵馬達(dá)輸入轉(zhuǎn)速、排量比和蓄能器壓力，通過泵馬達(dá)模型計(jì)算出并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出扭矩和蓄能器輸入流量；已知蓄能器輸入流量，通過蓄能器模型計(jì)算出當(dāng)前壓力和體積變化。

2.2 并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)

并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)如圖3所示。電力測功機(jī)通過電力測功機(jī)軸、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)接盤和轉(zhuǎn)矩耦合器和液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)相連，數(shù)字或模擬信號(hào)I/O接口通過USB-4711A采集傳感器測得油壓、油溫、扭矩和轉(zhuǎn)速等信號(hào)，同時(shí)控制泵馬達(dá)電磁鐵電流大小。根據(jù)基于LabVIEW的整車后向仿真模型控制策略模型，控制其排量比變化，控制泵馬達(dá)輸出扭矩變化，結(jié)合USB-4761的繼電器功能，控制泵馬達(dá)排量比正負(fù)和換向閥換向，控制油液流動(dòng)方向。

圖3 并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)

設(shè)置補(bǔ)油泵站的目的是為液壓泵/馬達(dá)控制系統(tǒng)提供先導(dǎo)油壓；設(shè)置供油泵站的目的是為了充當(dāng)?shù)蛪盒钅芷鳎乐瓜到y(tǒng)工作時(shí)油液不足造成泵馬達(dá)空吸損壞，補(bǔ)油和供油壓力設(shè)置為2 MPa。

電力測功機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩耦合器、測控系統(tǒng)和液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架設(shè)備參數(shù)

3 計(jì)算機(jī)仿真與半實(shí)物試驗(yàn)分析

3.1 電力測功機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨分析

將NEDC循環(huán)工況的目標(biāo)車速等效為轉(zhuǎn)矩耦合器輸出轉(zhuǎn)速，即為循環(huán)工況目標(biāo)轉(zhuǎn)速，其與電力測功機(jī)加載轉(zhuǎn)速變化對(duì)比和轉(zhuǎn)速跟隨誤差如圖4所示。

圖4 電力測功機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨曲線

由圖4可知：轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測得的電力測功機(jī)實(shí)際加載轉(zhuǎn)速變化曲線和循環(huán)工況目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化曲線基本重合；轉(zhuǎn)速誤差最大不超過±100 r/min，即誤差量最大為3.3%；轉(zhuǎn)速誤差小于±10 r/min，即誤差量在0.33%以內(nèi)的情況，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在勻速工況；轉(zhuǎn)速誤差大于±50 r/min，即誤差量在1.25%以上的情況，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在急加速和急減速工況，故電力測功機(jī)加載轉(zhuǎn)速誤差滿足誤差的要求。

3.2 半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比

半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比，如圖5所示。

圖5 半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比

由圖5可知：半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真得到的泵馬達(dá)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化基本一致；半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真得到的蓄能器壓力變化基本一致，且循環(huán)結(jié)束后，前者蓄能器壓力為26 MPa、后者蓄能器壓力為27.5 MPa，誤差為5.45%；半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真得到的整車油耗變化基本一致，且循環(huán)結(jié)束后，前者整車油耗量為180.3 g、后者整車油耗量為165 g，誤差為9.27%。

產(chǎn)生誤差的原因：(1)電力測功機(jī)加載轉(zhuǎn)速存在誤差，引起泵馬達(dá)瞬時(shí)流量變化和蓄能器壓力的瞬時(shí)變化；(2)相比計(jì)算機(jī)仿真，半實(shí)物仿真充分考慮液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)物部分的影響，如泵馬達(dá)排量比調(diào)節(jié)、換向閥換向動(dòng)態(tài)過程，引起泵馬達(dá)扭矩和流量的瞬態(tài)變化；(3)泵馬達(dá)、換向閥等液壓元件存在一定量的油液泄漏，設(shè)置的供油泵站和補(bǔ)油泵站也存在一定的油液損失。因此，本文作者提出的并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法，可在誤差范圍內(nèi)驗(yàn)證節(jié)能控制策略的有效性。

4 結(jié)論

(1)提出并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法，并分析了利用后向仿真模型的半實(shí)物仿真試驗(yàn)方法的原理；

(2)搭建和分析了并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)后向仿真整車和控制策略模型，并完成并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的搭建；

(3)計(jì)算機(jī)仿真與半實(shí)物仿真對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：電力測功機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨誤差小，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)模擬精度高；半實(shí)物仿真與計(jì)算機(jī)仿真得到結(jié)果在整體變化趨勢上一致，其中蓄能器壓力和整車油耗誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了后向仿真的計(jì)算機(jī)整車模型的準(zhǔn)確性和控制策略的有效性；

(4)實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)過程表明：該并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真方法不需要發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器實(shí)物，只需要一臺(tái)電力發(fā)動(dòng)機(jī)模擬負(fù)載，簡化了設(shè)備組成和測控系統(tǒng)，且不需要改變后向仿真模型，為利用后向仿真模型的半實(shí)物仿真平臺(tái)的快速搭建提供了一種新方法。