汽 车 工 程
2005年(第27卷)第4期AutomotiveEngineering2005(Vol.27)No.4
2005099
混合动力汽车正向建模与仿真
王庆年,刘志茹,王伟华,曾小华
(吉林大学汽车工程学院,长春 130022)
3
[摘要] 根据正向建模的思想建立了基于Matlab/Simulink平台的并联双轴混合动力汽车正向仿真模型,该模型既可以用踏板信号作为输入也可以运行循环工况。仿真结果与试验结果的对比表明,所建模型可以用于分析评价不同的设计方案和控制策略的优化,还可以进行实际控制系统的开发。
关键词:混合动力汽车,正向建模,正向仿真
ModelingandSimulationofHybridElectricVehiclesWangQingnian,LiuZhiru,WangWeihua&ZengXiaohuaCollegeofAutomobileEngineering,JilinUniversity,Changchun130022 [Abstract] Accordingtoforwardmodelingidea,aforwardmodelforparallelhybridelectricvehicleises2tablished.Themodelcanworkwithpedalssignalsasinputsandalsowithdrivingcycle.Thesimulationresultanditscomparisonwithtestingresultshowthatthemodelcanbeappliedtoanalysisandevaluationofdifferentdesigns,controlstrategyoptimizationaswellasthedevelopmentofcontrolsystem.
Keywords:Hybridelectricvehicle,Forwardmodeling,Forwardsimulation
合实际控制系统的开发。PSAT是建立在正向模型
1 前言
仿真技术是混合动力汽车研发过程中的重要技术,它不仅便于灵活地调整设计方案,优化设计参数,而且可以降低研究费用,缩短开发周期。目前,国外用于混合动力汽车的仿真软件很多,如SIMPLWV、CarSi、HVE、CSM、HEV、V-Elph和ADVISOR等。ADVISOR(ADvancedVehIcleSimu2latOR)是专门为美国能源部组织的PNGV计划而开发的混合动力汽车仿真软件[1]。它在2003年被AVL购买之前是免费的。ADVISOR是一种分析工
基础上国外比较有名的仿真软件[3],但该软件不对外开放。
目前国内还没有较系统和成熟的混合动力汽车仿真软件,而混合动力汽车已经进入了开发阶段,有必要自行建立其正向仿真模型。
2 正向仿真模型的建模思想
逆向仿真模型从满足循环工况要求出发,计算动力系统各部件必须提供的转矩、转速、功率等,仿真信息沿整车阻力模型、车轮模型、传动系统模型最终到达动力总成模型。逆向建模与仿真不考虑驾驶员的意图以及动力系统(尤其是离合器和变速器)的动态过程,计算步长较大,且计算速度快。
正向仿真模型中,系统输入为加速踏板信号和制动踏板信号,信息流向即计算路线是将2个踏板信号转换成整车行驶的转矩或功率需求,在整车控
具,而不是设计工具[2]。其仿真模型把要求的汽车速度作为输入,然后确定达到该车速传动系的转矩、转速和功率等。由于此过程的信息是经轮胎、车轴、齿轮箱等流经整个传动系,故该仿真模型被称为逆向仿真模型。作为一种分析工具,ADVISOR的主要功能是对不同设计方案进行比较和评价,而不适
3国家863计划电动汽车重大专项项目(2003AA501511)资助。
原稿收到日期为2004年6月30日,修改稿收到日期为2004年8月25日。
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制模块中根据控制策略提出对各总成的转矩需求,动力总成模型根据该转矩需求及其能够提供的转矩向传动系统输出转矩,经过车轮模型最终到达整车阻力模型,输出车速。
正向仿真模型还可以运行循环工况,但需要把循环工况的行驶要求转换成整车行驶的转矩或功率需求。循环工况的实现使正向仿真模型同样能够作为一种分析工具对不同的设计方案进行分析评价。
态以及整车的行驶工况确定发动机、电机的工作状态和输出转矩。离合器的结合分离过程分5种模式:起车模式、发动机参与工作、发动机停止工作、换挡模式和停车模式。根据
车速、发动机的工作状态、挡位要求、离合器的状态等判断离合器的动作模式,Simulink程序的实现如图4所示。换挡规律为两参数
换挡规律[4],如图5所示,图4 离合器的工作模式根据发动机的油门开度和车速判断是否换挡。
3 正向模型的建立
文中主要讨论并联双轴混合动力汽车的建模。结构如图1所示。 根据前面所述的正向建模思想,所建模型的顶
层模型如图2所示。对于离合器不动作和非换挡
过程,各总成之间的转矩和速度只是一个简单的传动比例关系,因此文中侧重讨论动态模型。图5 换挡规律
该模型的整车控制策略集中在HCU模块中,
对混合动力汽车整车控制器的开发,尤其对采用基于Matlab/Dspace/Targetlink软硬件开发平台的现代开发技术有继承性。
(3)发动机和电机模块来自HCU的指令包括工作状态(开、关)和油门开度(发动机)或转矩百分比(电机)。根据该指令以及当前转速,应用发动机、电机模型计算出输出转矩。发动机模型可以计算出油耗和排放;电机模型根据其输出的功率和工作效
图2 模型的顶层模块
率对蓄电池提出功率要求,蓄电池模型与ADVI2SOR仿真软件中的蓄电池模型基本相同。
(4)离合器和变速器这2个模块比较复杂,因为
(1)驾驶员模块的输入量为加速踏板和制动踏板信号或者循环工况。当输入为踏板信号时,模型
适合实际控制系统的仿真研究;当输入为循环工况时,正向仿真模型适合进行整车方案的设计分析、控制策略的优化等。循环工况的实现如图3所示。 (2)HCU模块中包括
整车控制策略、离合器控制以及换挡控制策略3个子模块。整车控制子
模块根据当前车辆行驶的功率要求即驾驶员的要求、蓄电池的荷电状态SOC值、发动机和电机的状
涉及到离合器的分离与结合、变速器换挡过程中的同步等动态过程。离合器和变速器都是非线性系统,建模过程中转动惯量对整车会产生影响。离合器结合与分离过程中力的传递数学模型为
离合器结合过程
T=kTcsgn(ωci-ωin)离合器分离过程
T=min〔Te,kTcsgn(ωci-ωin)〕
(1)(2)
式中k为离合器的状态,0≤k≤1;Tc、Te为离合
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ωin为离合器器的静摩擦力矩、发动机的转矩;ωci、
主动部分、从动部分的转速(变速器输入轴转速)。
离合器主动部分的转速,即发动机转速的数学模型为
(Te-Tco)dωe(3)=
dtJE+JCI
式中ωe为发动机的转速;Tco为离合器输出转矩;
JE、JCI为发动机、离合器主动部分转动惯量。
工况要求、电池SOC值、变速器挡位和消耗总油量
的时间历程等。通过分析比较不同设计方案的仿真结果,可完成方案设计。
变速器输入轴的同步过程的数学模型为dωinTin(4)=+β
dtJM+JTC+JTI
式中β为同步器产生的同步减速度;Tin为输入轴转矩,换挡过程中,关闭电机时该值为零,否则为电机输入转矩;JM、JTC、JTI为电机、动力合成装置、变速器的输入轴转动惯量。
ωin=ω0+
图6 US06仿真结果
∫J
M
Tin+βdt
+JTC+JTI
ω(5)约束条件:|ωin-ω0|<Δ
ω为同步结合时允许的转速差;ω0为变速器式中Δ
输出轴转速乘以传动比。
主减速器和车轮模块主要传递来自发动机和电机的动力,车轮模型还提供HCU要求的机械摩擦制动力。
(5)整车模型根据汽车的行驶方程[5]
F=Ff+Fw+Fi+Fj
(6)
图7、图8分别是某型混合动力汽车满载时发动机单独驱动0～60km/h加速与电机40%助力0～60km/h加速仿真结果与台架试验数据的对比。在该仿真中,输入为加速踏板,整车模型中相关的参数均为该型混合动力汽车的实际参数,离合器与换挡过程的时间参数的设定以台架试验为依据。
计算出当前的车速。
该模型考虑了包括起动机、发动机、电机、动力合成装置、变速器、主减速器以及车轮在内的转动惯量,根据是否与驱动系统连接确定是否参与运算。整车转动惯量
J=[JEigi0JMigi0JCIigi0JCFigi0JTCigi0
JTIigi0JTOi0JDJW]K
T
试验1 2222试验2 —-试验3 ———仿真
图7 0～60km/h加速仿真结果与台架试验结果比较
(7)
试验1 —-试验2 ———仿真
K=[S1S2S2S1S2S2S2S2111](8)
式中JE、JCF、JTC为发动机、离合器从动部分、动力合成装置的转动惯量;JTO、JD、JW为变速器输出轴、主减速器和车轮的转动惯量;S1、S2为离合器状态和变速器挡位:S1=1离合器结合,S1=0离合器分离;S2=1变速器在挡,S2=0空挡;ig、i0为变速器速比、主减速比。
图8 电机助力0～60km/h加速仿真与台架试验结果比较
从图7、图8可以看出,仿真结果与台架试验结
果之间有很小的误差(试验时当车速达到60km/h之后便收回加速踏板,故60km/h之后出现分支)。分析误差的主要原因是仿真过程中假设各挡的换挡品质是相同的,而实际各挡之间存在差异。此外,对于电机助力工况误差的另一个原因是试验台上电机的响应性能较差。 通过上述分析对比,该仿真模型可用于实际控制系统的开发。
(下转第398页)
4 仿真结果与试验结果
图6是某车型应用上述所建仿真模型的仿真结果(运行的是US06循环工况),包括实际车速、循环
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表3 相同工况不同试验条件下的燃油经济性
工况
EUDC
消耗水平。
实验室油耗
(100km)/L・
517881256175814751544
ECE
-1
试验场油耗
(100km)/L・
6180101047191126156
-1
欧洲工况
ECE+EUDC
CDC
低速
高速
试验场增量/%1718021118122716718133
5 结论
(1)在实验室相同的试验条件下,运行相同的行
数据与世界燃油规范中的19105%比较一致[6]。
41212 测试方法的相关性分析
在相同的行驶工况条件下,试验场道路实时法测定值比碳平衡法测定值高15%～20%。同样使用道路实时法的测试设备,试验场比实验室的测定值高15%左右。测试过程中的道路条件、大气条件是造成偏差的主要因素,此外,车辆试验场道路行驶中复现工况的控制精度也对偏差有一定影响。
假定忽略速度工况控制影响,测量系统的不确定度是相同的,因此测试结果的差别主要是实验室和道路测试的环境不同。实验室能够设定并控制试验环境,如温度、湿度、风速、气压等,能够在底盘测功机上模拟道路载荷,试验条件具有复现性。试验场能够获得比较真实的结果,要想在实验室得到一个相近的结果,应按实际情况修改转毂表面的附着系数、风阻等模拟参数。
在实际运行中,道路条件和环境条件的变化复杂,影响车辆的燃油经济性因素复杂,因此车辆的燃油消耗会高于试验场。以一个周期性时间进行代表性的实际运行调查,可以获得一种车辆的真实燃油
驶工况,碳平衡法和道路实时法使用的测试设备所测得的样车燃油经济性:在低速工况,道路实时法设备测定值一般比碳平衡法高3%～5%;在高速工况,道路实时法设备测定值一般比碳平衡法高1%～2%。
(2)在道路试验场和实验室2种不同的试验条件下,运行相同的行驶工况,测试样车的燃油消耗:试验场道路实时法测定值一般比实验室碳平衡法高15%～20%。有必要加大实验室底盘测功机的模拟阻力设定,使得实验室测试结果尽可能逼近真实情况。(3)轻型汽车的燃油消耗水平在不同的使用环境下差异较大,其趋势是试验场要高于实验室,而实际道路又高于试验场。
参考文献
1 李孟良 等1典型城市车辆实际行驶工况的研究报告.中国汽车
技术研究中心,20042 GB/T 19233—2003 轻型汽车燃油经济性试验方法1北京:中国标准出版社,20033 GB/T 1254511—2001 乘用车燃料消耗量试验方法1北京:中国标准出版社,20014 JJF1059—19991测量不确定度评定与表示1国家质量技术监督局,1995-05-015 质量专业理论与实务1北京:中国人事出版社,20016 World2wildFuelCharter,2004
(上接第394页)
2002
5 结论
文中根据正向建模思想建立了并联双轴混合动力汽车的正向仿真模型,该模型既可用于分析评价不同的设计方案,控制策略的优化,又可进行实际控制系统的研究开发。
参考文献
1 NationalRenewableEnergyLaboratryADVISORDocumention
2 MarkelT,BrookerA,ADVISOR:ASystemsAnalysisToolforAd2
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3 JointAdvisor/PSATVehicleSystemsModelingUserConfer2
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4 葛安林1车辆自动变速理论与设计1北京:机械工业出版社,
1993
5 余志生1汽车理论1北京:机械工业出版社,1998
