張金一，吳少雄（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門　361023）

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基于Cruise和Sim ulink的ISG城市客車聯(lián)合仿真分析

張金一，吳少雄
（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

摘要：通過AVL-Cruise軟件搭建ISG城市客車整車基礎(chǔ)模型，應(yīng)用Simulink軟件制定整車控制策略，并把Simulink控制策略文件輸入至Cruise軟件模型中，對(duì)整車各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合控制，并對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。

關(guān)鍵詞：ISG城市客車；Cruise；Simulink；控制策略

2015年4月22日，財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于2016-2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政支持政策的通知》，通知附件明確要求插電式混合動(dòng)力商用車（含貨車、客車）燃料消耗量（不含電能轉(zhuǎn)化的燃料消耗量）與現(xiàn)行的常規(guī)燃料消耗量國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)限值相比小于60%（即節(jié)油率在40%及以上）。本文對(duì)某ISG城市客車在Cruise軟件中建模，使用Simulink軟件進(jìn)行各工作模式的控制策略編寫和動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的聯(lián)合仿真。

1　ISG城市客車的控制策略

ISG（Integrated Started Generator）柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)屬于混聯(lián)插電式，ISG混合動(dòng)力客車是基于起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)一體化的中度混合動(dòng)力客車[1]。動(dòng)力輸出路線為發(fā)動(dòng)機(jī)-扭轉(zhuǎn)減振器-ISG電機(jī)-干式離合器-驅(qū)動(dòng)電機(jī)-后橋-輪胎。本文模型只涉及車輛動(dòng)態(tài)行駛過程中的油耗和電耗仿真分析即非插電模式運(yùn)行，但預(yù)留插電接口。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作模式的各種組合形成整車工作模式，見表1。

車速狀態(tài)及工作模式均包含0、1、2、3四種數(shù)值，相互組合后代表唯一的工作模式，將狀態(tài)數(shù)值輸入給Simulink中計(jì)算器模型進(jìn)行邏輯分析判斷，控制各參數(shù)量數(shù)值大小，進(jìn)而控制整車。

表1　ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式和部件狀態(tài)

各工作模式之間切換條件如下[2]：

1）停機(jī)模式與純電動(dòng)模式切換。當(dāng)車輛起步前，判斷動(dòng)力電池SOC狀態(tài)。若SOC大于純電允許設(shè)定電量時(shí)，車輛進(jìn)入純電模式，整車由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力。

2）純電動(dòng)模式與發(fā)動(dòng)機(jī)模式切換。當(dāng)車速增加至發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)下限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作，整車動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供。

3）純電動(dòng)模式與增程模式切換。當(dāng)車速在純電動(dòng)范圍內(nèi)，若SOC小于純電允許設(shè)定電量時(shí)，車輛進(jìn)入增程模式，整車仍由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并帶動(dòng)ISG電機(jī)發(fā)電給動(dòng)力電池充電，使動(dòng)力電池SOC盡快提升至控制值。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)模式與混合動(dòng)力模式切換。當(dāng)整車需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供最佳燃油效率曲線功率時(shí)，車輛進(jìn)入混合動(dòng)力模式，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳燃油效率曲線上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供功率為整車需求功率減去發(fā)動(dòng)機(jī)提供功率。

5）發(fā)動(dòng)機(jī)模式與行車充電模式切換。當(dāng)整車需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供最佳燃油效率曲線功率時(shí)，車輛進(jìn)入行車充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳燃油效率曲線上，ISG電機(jī)為發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

6）制動(dòng)回饋模式。當(dāng)駕駛員松開油門踏板使車輛滑行或踩下制動(dòng)踏板使車輛制動(dòng)時(shí)，整車進(jìn)入制動(dòng)回饋模式?；仞伈呗愿鶕?jù)整車初始滑行或制動(dòng)車速、SOC狀態(tài)、制動(dòng)踏板深度進(jìn)行判斷，相應(yīng)分配制動(dòng)能量比例給ISG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及機(jī)械制動(dòng)。

2　ISG城市客車的性能仿真

2.1整車參數(shù)

在進(jìn)行AVL-Cruise仿真計(jì)算分析前，需要事先收集整車基本參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、前后軸荷、總質(zhì)量、整備質(zhì)量等。該車型基本配置參數(shù)簡化后見表2。

表2　整車部分基本參數(shù)

2.2 Cruise模型建立

根據(jù)整車構(gòu)造在AVL-Cruise中建立仿真模型，輸入模塊所需要的各項(xiàng)基本參數(shù)，并完成機(jī)械連接與電氣信號(hào)線連接[4-5]。整車模型搭建如圖1所示。

圖1　整車Cruise模型

2.3 Simulink模型建立

2.3.1整體控制策略

圖2是用Simulink搭建的該ISG城市客車的整體控制策略。表3為Simulink模型的輸入與輸出信息對(duì)應(yīng)表。該策略中包含執(zhí)行器和計(jì)算器兩部分。執(zhí)行器主要是通過接收Cruise模型中各信號(hào)參數(shù)進(jìn)行判斷分析控制，輸出車速狀態(tài)與模式狀態(tài)兩個(gè)參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)輸入給計(jì)算器模型；計(jì)算器按整車需求功率劃分為驅(qū)動(dòng)計(jì)算器和制動(dòng)回收計(jì)算器，主要功能是通過接收?qǐng)?zhí)行器的輸出參數(shù)以及Cruise模型中各信號(hào)參數(shù)進(jìn)行判斷分析控制，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器控制參數(shù)給Cruise模型并參與Cruise仿真計(jì)算。本文Cruise[6]與Simulink[7]聯(lián)合仿真是通過MATLAB_DLL[8]模式實(shí)現(xiàn)的。

表3　 Simulink模型的輸入與輸出信息對(duì)應(yīng)表

2.3.2執(zhí)行器模型建立[9-10]

執(zhí)行器通過Cruise傳輸?shù)膮?shù)對(duì)整車需求的工況進(jìn)行分類。主要的分類邏輯是先對(duì)速度進(jìn)行分類，不同的速度區(qū)間輸出一個(gè)狀態(tài)信號(hào)[車速狀態(tài)]，然后判斷不同速度區(qū)間下所需要工作模式，再輸出一個(gè)工作模式狀態(tài)信號(hào)[工作模式]。具體模型如圖2中的“執(zhí)行器”部分。

圖2　整體控制策略

2.3.3計(jì)算器模型建立

計(jì)算器模型如圖2所示分為兩個(gè)部分：一部分為驅(qū)動(dòng)計(jì)算器，負(fù)責(zé)計(jì)算行駛時(shí)需要的能量；另一部分為制動(dòng)能量回收計(jì)算器，負(fù)責(zé)計(jì)算制動(dòng)工況時(shí)的能量回收。

1）驅(qū)動(dòng)計(jì)算器。計(jì)算器將執(zhí)行器發(fā)送過來的[車速狀態(tài)]和[工作模式]信號(hào)作為輸入源，結(jié)合其余的車輛數(shù)據(jù)信號(hào)輸入量，計(jì)算得到當(dāng)前工況下ISG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器等需要的Load信號(hào)量及是否工作開關(guān)量。具體模型如圖2中的“驅(qū)動(dòng)計(jì)算器”部分。

2）制動(dòng)能量回收計(jì)算器。根據(jù)Cruise提供的制動(dòng)力矩、速度、加速度、SOC，計(jì)算出當(dāng)前的制動(dòng)模式是否需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收能量。計(jì)算并輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的Load制動(dòng)信號(hào)量。具體模型如圖2中的“制動(dòng)能量回收計(jì)算器”部分。

2.4仿真及結(jié)果分析

根據(jù)GB/T19754-2005重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量要求，按中國典型城市公交循環(huán)工況設(shè)定Cruise路譜，路譜曲線參見文獻(xiàn)[11]。仿真結(jié)果分析見表4。

表4　動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

根據(jù)表4結(jié)果，統(tǒng)一成油耗為19.4 L/100 km。作為最終結(jié)果，與傳統(tǒng)常規(guī)燃料消耗量[12]國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)限值37.5 L/100 km節(jié)油18.1 L，節(jié)油率達(dá)到48%。

3　結(jié)束語

本文詳細(xì)論述了基于Cruise及Simulink軟件聯(lián)合仿真性能分析，通過整車工作模式控制策略的搭建，仿真分析整車爬坡能力及在典型城市道路運(yùn)行工況下的電耗、油耗，初步分析節(jié)油率，為后續(xù)結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[12]GB/T27840-2011，中重型商用車輛燃料消耗量測量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

修改稿日期：2015-07-27

Co-simulation Analysis of ISG City Bus Based on Cruise and Simulink Softwares

Zhang Jinyi, Wu Shaoxiong
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd, Xiamen 361023, China）

Abstract：Through the AVL-Cruise software, the authors build the "ISG" city bus basis model, use the Simulink software toformulate the vehicle's control strategy, and input the Simulink control strategyfile tothe Cruise software's model toco-control the vehicle's parameters, and co-simulate the vehicle's power and economyperformances.

Key words:ISGcitybus；Cruise；Simulink；control strategy

作者簡介：張金一（1985-），男，工程師；整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性工程師；研究方向：客車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配優(yōu)化。

中圖分類號(hào)：U469.13；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-3331（2016）01-0001-03