蔡嘯霄，嚴(yán)運(yùn)兵

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

基于CRUISE的混聯(lián)式混合動力汽車電動優(yōu)先混合控制策略仿真

蔡嘯霄，嚴(yán)運(yùn)兵

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

針對一款開發(fā)中的混聯(lián)式混合動力轎車，在分析其布置形式與工作模式的基礎(chǔ)上，提出電動優(yōu)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(yōu)先混合控制策略，利用C－function模塊將其嵌入到CRUISE模型中進(jìn)行耦合仿真，并對控制策略進(jìn)行優(yōu)化和評價，驗(yàn)證控制策略的可行性；結(jié)合目標(biāo)車型的期望性能，對仿真車型動力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配，為實(shí)車設(shè)計提供了參考依據(jù)。結(jié)果表明，控制策略達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)且合理適用。

CRUISE仿真軟件；混合動力轎車；動力匹配；電動優(yōu)先混合控制

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

盡管電氣化和零排放是未來汽車發(fā)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(shè)缺口問題，而油電混合動力汽車已經(jīng)有了較成熟的技術(shù)，并已擁有相當(dāng)規(guī)模的市場。作為兼顧電動汽車和傳統(tǒng)汽車優(yōu)點(diǎn)的新一代汽車結(jié)構(gòu)型式，油電混合動力汽車由于在環(huán)保和節(jié)能方面優(yōu)勢明顯，且動力性接近于傳統(tǒng)汽車，生產(chǎn)成本也低于純電動汽車而日益受到汽車工業(yè)界的重視，近年來已成為世界上各大汽車公司和開發(fā)機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)［1］。

CRUISE仿真軟件是奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測試設(shè)備公司（AVL List Gmb H）開發(fā)的研究汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)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(shè)計方法，可以對任意結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，可用于汽車開發(fā)過程中動力系統(tǒng)的匹配、汽車性能預(yù)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(tǒng)、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化。目前CRUISE結(jié)合AVL公司旗下其他軟件在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上研發(fā)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(fā)中的混聯(lián)式混合動力汽車進(jìn)行匹配，在CRUISE環(huán)境中建立仿真模型并對相關(guān)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 目標(biāo)車型布置與期望性能

目標(biāo)車型采用混聯(lián)方案，其驅(qū)動系統(tǒng)布置如圖1所示。系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)同軸布置，發(fā)動機(jī)／發(fā)電機(jī)組和電動機(jī)分別布置在離合器兩側(cè)。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(xù)駛里程為25 km。

圖1 目標(biāo)車型驅(qū)動系統(tǒng)布置Fig.1 Drivetrain configuration of target vehicle

2 電動優(yōu)先混合控制策略的制定

為達(dá)到期望的性能指標(biāo)，需對發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)及電池組進(jìn)行功率匹配。功率匹配除了與驅(qū)動系統(tǒng)布置有關(guān)外，還受動力系統(tǒng)工作模式及能量分配策略等方面因素的影響。

根據(jù)圖1的系統(tǒng)布置，整個行駛模式主要分為以電動機(jī)為主的電量消耗模式和以發(fā)動機(jī)為主的滑行與充電模式。在電池荷電狀態(tài)（SOC）充足的情況下，車輛主要運(yùn)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(dāng)電池SOC降至一定范圍內(nèi)時，運(yùn)行模式為以發(fā)動機(jī)驅(qū)動和發(fā)電機(jī)發(fā)電為主的滑行與充電模式，即當(dāng)電池電量降到一定水平需要充電時，電動機(jī)關(guān)閉，發(fā)動機(jī)起動，并帶動發(fā)電機(jī)對電池進(jìn)行充電。

結(jié)合上述工作模式分析，本文采用了電動優(yōu)先混合控制策略，即循環(huán)工況開始，車輛首先以電動機(jī)帶動車輛起步，電池SOC值由設(shè)定最大值開始下降。電池SOC值下降至設(shè)定最小值之前，以電動機(jī)工作為主，發(fā)動機(jī)工作為輔：①當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩小于電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)提供驅(qū)動所需全部轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機(jī)停止工作；②當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩區(qū)，同時發(fā)動機(jī)起動，補(bǔ)充不足部分轉(zhuǎn)矩，并控制發(fā)動機(jī)盡量工作在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)。電池SOC下降至小于設(shè)定最小值后，電動機(jī)先關(guān)閉，停止耗電，再轉(zhuǎn)為以發(fā)動機(jī)工作為主，電動機(jī)工作為輔：①當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)最優(yōu)曲線對應(yīng)轉(zhuǎn)矩時，發(fā)動機(jī)繼續(xù)工作在最優(yōu)曲線上，多余轉(zhuǎn)矩經(jīng)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能儲存于動力電池中；②當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩時，則電動機(jī)啟動并對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。整個控制過程中電池SOC在一個預(yù)先設(shè)定的小范圍內(nèi)上下波動，以保護(hù)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(zhuǎn)矩、制動踏板ON／OFF等為觸發(fā)條件。

3 CRUISE整車建模與仿真

CRUISE的應(yīng)用可以貫穿到整個開發(fā)環(huán)節(jié)。作為總成設(shè)計基礎(chǔ)上的一種細(xì)化，零部件匹配設(shè)計可對動力傳動系統(tǒng)中的主要零部件（發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、電池及相關(guān)的控制和管理系統(tǒng)）的技術(shù)參數(shù)提出設(shè)計要求，進(jìn)行相關(guān)的組合匹配，對車輛的控制策略進(jìn)行初步的設(shè)計，根據(jù)控制策略以及車輛的設(shè)計目標(biāo)，確定零部件的具體參數(shù)并對基本控制策略進(jìn)行驗(yàn)算。

參考驅(qū)動系統(tǒng)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(gòu)建出系統(tǒng)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(fā)動機(jī)模塊、變速箱模塊、離合器／電控離合器模塊、發(fā)電機(jī)／電動機(jī)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(yīng)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(shí)現(xiàn)對車輛循環(huán)油耗（針對不同的循環(huán)工況）、等速油耗（任意檔位和車速下）、穩(wěn)態(tài)排放、最大爬坡度（驅(qū)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(xù)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(tǒng)車輛模型的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)整車控制策略的設(shè)計開發(fā)。本文選擇C語言對目標(biāo)車型的控制策略進(jìn)行了編程，并嵌入到C－Function模塊中。經(jīng)過性能仿真與優(yōu)化，得到該車型主要部件的匹配結(jié)果如表1所示。

表1 零部件匹配參數(shù)Table 1 Vehicle parameters

為了客觀地評價整車控制策略，在CRUISE仿真環(huán)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(huán)工況）3種行駛循環(huán)工況進(jìn)行分析，各工況均包含市區(qū)低速工況和郊區(qū)高速工況，主要測試系統(tǒng)以電池SOC和電動機(jī)為主導(dǎo)的控制模式下車輛是否能滿足工況需求。

進(jìn)入Calculation Center開始仿真，得到各種循環(huán)工況的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 循環(huán)工況仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of driving cycle

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

圖3 目標(biāo)車速與實(shí)際車速對比圖Fig.3 Comparison of desired velocity and current velocity

圖4所示為所模擬發(fā)動機(jī)的最優(yōu)工作曲線。圖5所示為發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的仿真結(jié)果（顏色越深表明發(fā)動機(jī)所在工作區(qū)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(fā)動機(jī)工作點(diǎn)大體符合預(yù)期控制策略規(guī)定。

圖4 發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作曲線Fig.4 Optimal operating curves of the engine

圖5 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of engine operating points

在Task Folder中繼續(xù)添加Constant Driving和Climbing Performance任務(wù)可對仿真車型的動力性如百公里加速時間、純電動續(xù)駛里程等進(jìn)行全面評價，所得結(jié)果與目標(biāo)車型性能對比如表3所示。由表3中可見，仿真結(jié)果與目標(biāo)值誤差在5%以內(nèi)，可以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)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(jié)語

本文結(jié)合目標(biāo)車型驅(qū)動系統(tǒng)的布置，對其工作模式進(jìn)行了分析，并制定了電動優(yōu)先的混合控制策略，為整車動力系統(tǒng)匹配奠定了基礎(chǔ)。在CRUISE環(huán)境中搭建了與目標(biāo)車型對應(yīng)的仿真模型，并利用CRUISE的功能對目標(biāo)車型動力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配，為油電混合動力汽車的開發(fā)提供了參考依據(jù)。對電動優(yōu)先混合控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明控制策略達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)且合理適用。

［1］ 康龍云.電動汽車最新技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(yōu)化［J］.機(jī)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(yè)學(xué)院學(xué)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(shí)驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，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(zé)任編輯 鄭淑芳］

2011－12－01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61074036）.

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

嚴(yán)運(yùn)兵（1968－），男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E－mail：yyb＠wust.edu.cn