陳 剛，武 蕾

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，三明 365004；2.三明機(jī)械CAD工程研究中心，三明 365000）

0 引言

環(huán)境保護(hù)部最近發(fā)布的《2013年中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)》顯示，機(jī)動(dòng)車的尾氣排放已成為我國(guó)空氣污染的重要來(lái)源[1]?；旌蟿?dòng)力汽車和電動(dòng)車是當(dāng)前改善或解決汽車尾氣污染的一個(gè)行之有效的方法之一。計(jì)算機(jī)仿真是研究混合動(dòng)力汽車的重要手段，有利于縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本[2]。目前，國(guó)內(nèi)外研究者研究混合動(dòng)力汽車使用的計(jì)算機(jī)仿真軟件主要有CRUISE、CarSim、PSAT和ADVISOR[3]，其中ADVISOR是在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下采用模塊化的編程語(yǔ)言，最大的優(yōu)點(diǎn)在于其代碼完全公開(kāi)，便于使用者自主掌握和二次開(kāi)發(fā)[4,5]。ADVISOR是由美國(guó)National Renewable Energy Laboratory開(kāi)發(fā)，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(shí)現(xiàn)車輛總成參數(shù)匹配與優(yōu)化、車輛動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性仿真分析、車輛能量管理策略評(píng)價(jià)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(qū)動(dòng)的車輛仿真。本文針對(duì)某后輪驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力城市客車，以MATLAB/SIMULINK為平臺(tái)，利用其開(kāi)放的代碼和內(nèi)部通用的子模塊，對(duì)ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立整車仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，為該車的研制提供了有力的依據(jù)。

1 ADVISOR混合動(dòng)力仿真系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)

1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

文中所研究的混合動(dòng)力汽車是一后輪驅(qū)動(dòng)的城市公交車，其動(dòng)力系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。動(dòng)力系統(tǒng)中采用了ISG電機(jī)，ISG是起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)，在混合動(dòng)力汽車有較多的應(yīng)用。動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式，如：1）在車輛起步或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，且蓄電池的荷電狀態(tài)SOC值大于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由蓄電池組給ISG電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛；2）當(dāng)車輛在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高，蓄電池組停止工作，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛；3）當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)能提供的轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與蓄電池組同時(shí)工作，共同提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛[7]；4）車輛在怠速、制動(dòng)、下坡時(shí)，機(jī)械能經(jīng)ISG電機(jī)產(chǎn)生電能并存儲(chǔ)于蓄電池組中。

圖1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的二次開(kāi)發(fā)

混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的是后輪驅(qū)動(dòng)形式，而ADVISOR軟件原有的仿真模型只有前輪驅(qū)動(dòng)，差異性較大。為了達(dá)到研究目的，因此需要對(duì)ADVISOR中相關(guān)的仿真模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

ADVISOR中前驅(qū)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(dòng)力學(xué)方程，再依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程創(chuàng)建SIMULINK模型。下面對(duì)坡度路面的后輪驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行受力分析，如圖2所示，假設(shè)此時(shí)車輛是極限附著，車輛初始速度為V0，在最大附著力Fmax下產(chǎn)生的最大末速度為Vt。其中，F(xiàn)W、Ff、Fi分別是車輛所受的空氣阻力、滾動(dòng)阻力和坡度阻力，F(xiàn)n是驅(qū)動(dòng)輪所受的垂直載荷。

圖2 后輪驅(qū)動(dòng)車輛坡道受力分析

根據(jù)車輛受力平衡，有：

其中：

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

經(jīng)過(guò)計(jì)算和化簡(jiǎn)，分別得出驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩種情況下后輪達(dá)到附著極限時(shí)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(guò)車輪能提供的最大牽引力，后驅(qū)車輛的仿真車速不會(huì)超過(guò)車輛的實(shí)際運(yùn)行能力[8]，依據(jù)上述動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)ADVISOR中的輪胎極限車速、整車驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力加以限制，將前驅(qū)模塊進(jìn)行修改、替換，重新封裝，最終建立牽引力控制系統(tǒng)模型和后驅(qū)整車模型。

圖3 牽引力控制模塊

圖4 后驅(qū)整車模型

1.3 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略模型設(shè)計(jì)

ADVISOR中的部分模型是以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的穩(wěn)態(tài)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(xiàn)有的控制策略不同。因此，在此需要對(duì)控制策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于車輛本身是一個(gè)非線性系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的PID控制，需要將非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化，控制器的設(shè)計(jì)很費(fèi)時(shí)間。故文中并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛采用的是模糊邏輯控制，主要利用車輛的踏板開(kāi)度、車速和SOC之間的關(guān)系作為動(dòng)力分配的主要依據(jù)，經(jīng)過(guò)模糊邏輯動(dòng)力分配控制器模組，使發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)的動(dòng)力保持最佳分配。圖4是模糊動(dòng)力控制器的基本結(jié)構(gòu)。

圖5 模糊動(dòng)力控制器基本結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的控制算法示意圖如圖6所示?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的總功率需求依據(jù)駕駛員對(duì)加速踏板或制動(dòng)踏板的指令而求得；控制器根據(jù)功率的需求，決定混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量流；再依據(jù)車速、負(fù)載和蓄電池組的荷電狀態(tài)，由SOC來(lái)決定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。由此，在ADVISOR中對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電機(jī)驅(qū)動(dòng)；V>30km/h,SOC>0.3，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)；SOC<0.3，電機(jī)關(guān)閉，蓄電池充電。

圖6 控制策略示意圖

2 仿真與結(jié)果分析

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)控制模塊

在進(jìn)行ADVISOR仿真分析時(shí)，選擇不同的道路循環(huán)工況會(huì)較大的影響仿真結(jié)果。為了讓仿真分析更趨近實(shí)際情況，本文將中國(guó)城市公交典型工況導(dǎo)入ADVISOR，并選用該工況對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能仿真分析。圖7是中國(guó)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(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)最高車速仿真時(shí)，又選擇了美國(guó)環(huán)境保護(hù)署城市道路循環(huán)工況CYCUDDS進(jìn)行車速仿真。

圖8 中國(guó)城市公交典型工況

對(duì)道路循環(huán)工況進(jìn)行合理的選擇，利用文中所建立的后驅(qū)混合動(dòng)力系統(tǒng)和控制器模型，分別針對(duì)中國(guó)城市公交典型工況和CYC-UDDS城市道路循環(huán)工況，對(duì)車輛進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能的快速仿真?；旌蟿?dòng)力原型車輛基本參數(shù)如表1所示，表2和表3分別是燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能的仿真結(jié)果。由于中國(guó)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(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性提高較為明顯。

表1 原型車基本參數(shù)

表2 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

表3 動(dòng)力性能仿真結(jié)果

圖9是混合動(dòng)力汽車在CYC-UDDS城市道路循環(huán)工況的速度仿真結(jié)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(jié)果也都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。在ADVISOR的仿真結(jié)果輸出界面中，通過(guò)output check plots（輸出檢驗(yàn)圖）可以獲取各動(dòng)力部件的工況圖。圖9、圖10分別是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真效率和混合動(dòng)力客車電機(jī)的仿真效率圖，從輸出工況圖可以看出，仿真過(guò)程中電機(jī)的工作效率點(diǎn)大部分是在0.8以上，這種結(jié)果是較為理想的。

圖9 混合動(dòng)力客車速度仿真曲線

圖9 電機(jī)仿真效率

圖10 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真效率

3 結(jié)論

1）本文充分利用了ADVISOR軟件代碼開(kāi)放的特性，在其現(xiàn)有仿真模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)建立了混合動(dòng)力客車的后驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)模型和控制模型，并將中國(guó)城市公交典型工況導(dǎo)入ADVISOR，這使仿真研究與實(shí)際工況更加吻合。

2）仿真結(jié)果表明，所建立的動(dòng)力系統(tǒng)和控制策略能夠較好的仿真該混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，且與原車型相比，混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性提高較明顯，動(dòng)力性能也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這為混合動(dòng)力汽車的實(shí)用化、產(chǎn)量化提供了技術(shù)支持，減少了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本。

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