基于Advisor 的同轴式混联混合动力汽车动力系统仿真

秦东晨，裴东杰，陈江义，刘竹丽

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州450001)

0 引言

?

混合动力汽车在全球范围内迅速发展，已经进入产业化阶段，其动力系统结构形式包括:串联型、并联型、混联型.混联型动力系统兼具串联型和并联型的优点，控制更为灵活自由，适应各种复杂多变的行驶工况，经济性和排放性更佳，是目前进行混合动力汽车研发的主要对象.国外经验丰富、实力雄厚的汽车公司在混联系统中多采用结构复杂的行星齿轮结构［1-3］，较为典型的是丰田Prius混联动力系统.国内混联混合动力技术与国外还存在一定差距，多采用电机或离合器进行转矩耦合.根据发电机布置的不同，分为发电机侧置式和同轴式两种.根据动力系统的结构特点，按照能量流路径其运行模式和控制策略可以划分为以下几种形式［4］，如表1所示.笔者针对适合国内开发能力的同轴式混联混合动力系统进行仿真研究.同轴式混联动力系统最大的特点在于取消了变速箱和专门的动力耦合部件，只要通过控制离合器的开合状态就可实现车辆串联运行模式和并联运行模式之间的切换，如表1中的第1种.

1 整车性能设计目标及整车主要参数

设计样车SPHEV整车性能设计目标为:最高车速≥100 km/h;最大爬坡度≥30%;0～50 km/h的加速时间≤9 s;燃油消耗量(城市循环工况)8 L/100 km.

样车SPHEV的整车主要参数，如表2所示.

表2 整车主要参数Tab.2 Main vehicle parameters

2 动力系统主要参数匹配计算［3］

2.1 整车功率匹配

动力系统中的整车总功率必须满足整车性能目标对功率的需求，整车需求功率包括克服滚动阻力、坡道阻力、风阻、加速阻力造成的稳态功率或瞬态功率，汽车功率平衡方程式如下:

式中:Pt为动力源总功率;Pmax为整车需求功率;va为行驶速度;ηt为传动系效率;m为整车总质量;fr为滚动阻力系数;i为道路坡度;A为迎风面积;Cd为风阻系数;δ为旋转质量换算系数;d v/d t为行驶加速度.

?

2.2 发动机功率匹配

动力系统结构中不存在变速器，爬坡过程对应的车辆速度低，爬坡过程对应的需求功率不能作为设计发动机功率的依据.这里采用较高经济巡航速度vc行驶时的需求功率Pc作为发动机功率初步匹配依据.

2.3 ISG电机功率匹配

ISG电机的主要作用是快速启停发动机以及对电池SOC值进行平衡.根据发动机启停要求，可初步计算出ISG电机最大驱动转矩，发电机的峰值功率Pgmax计算公式为

式中:Tgmax为发电机的最大驱动转矩，N·m;ωgb为发电机基速，r/min.

2.4 电动机功率匹配

电动机应能够满足车辆坡道起步的要求，按此计算电动机峰值功率应该满足最大爬坡度要求的功率.

2.5 电池功率匹配

电池的功率应该同时满足电动机驱动需求功率和发电机启动发动机的需求功率之和，所以超级电容的功率应该大于发电机和电动机的额定功率之和，考虑到转换效率 ηc=0.9，所以，pc≥(pm+pg)/ηt.式中:pm为电动机的额定效率;pg为发电机的额定效率.通过上述初步计算，参照市场产品，确定动力部件主要参数，如表3所示.

表3 汽车主要部件参数Tab.3 Parameters ofmain components of vehicle

3 仿真模型的建立

3.1 仿真软件及建模思路

Advisor软件是一款以Matlab/Simulink为平台的汽车仿真软件［5］，采用后向为主、前向为辅的联合仿真方法，用户可利用其内部完全开放的代码以及通用子模块搭建所需的汽车仿真模型［6］.

仿真对象主要包括:发动机模块、ISG电机模块、离合器模块、电动机模块、主加速器模块、电池模块、车轮模块.首先按照实际功率流反向路径，建立后向仿真顶层Simulink框图，这里需要在发动机和ISG电机之间及离合器和电动机之间虚拟两个功率分配模块，如图1所示.接着添加模块之间的信息反馈，建立前向仿真路径，完成整个动力系统的顶Simulink框图.然后，在软件中完成整车顶层模型，如图2所示.

图1 后向仿真路径的顶层Simulink框图Fig.1 Top simulink block diagram of backward simulation path

图2 整车顶层模型Fig.2 Vehicle top model

3.2 软件二次开发

在车系PARALLEL_SA基础上进行更改完成SPHEV车系的二次开发，为保证模型在软件中正确运行需要如下开发步骤［7］:

(1)创建车系模型 BD_SPHEV.mdl，如图2所示.这里需要先将开发的ISG电机模型、虚拟的功率分配模型、整车控制策略模型、发动机控制策略模型保存到相应的模型库中，再添加对应的工作路径进行调用;另外，两个虚拟的功率分配装置的内部参数命名要有区分，防止程序调用冲突.

(2)创建新车辆文件SPHEV_in.点击软件界面上“load File”按钮，打开 PARALLEL_SA_defaults_in.m修改:

vinf.name='SPHEV_in';

vinf.drivetrain.name='SPHEV';

vinf.powertrain_control.name='PTC_PAR_SPHEV';

vinf.powertrain_control.ver='par';

vinf.powertrain_control.type='man';

添加:

vinf.generator.name='GC_SPHEV';

vinf.generator.ver='reg';

vinf.generator.type='reg';

另存为SPHEV_in.m.

(3)加载新车系SPHEV，以便ADVISOR软件能够识别.使用命令:

options.drivetrain=optionlist('add'，'drivetrain'，SPHEV').

(4)修改guiInputFigControl.m，屏蔽不需要的部件.在switch vinf.drivetrain.name程序段添加:

case'SPHEV'

fields2remove={};

(5)修改文件guilock_diagram_name.m，添加新车系SPHEV.添加程序:

case'SPHEV'

bd_name='BD_SPHEV';

(6)修改文件guigui_image.m及ImageInfo.m，添加新车系的图片文件及图形的信息

(7)修改文件data ransmissionTC_DUMMY.m，重新定义扭矩合成模块输入比例常数，如下:

tc_mc_to_fc_ratio=0.99*max(gc_map_spd*gc_spd_scale)/max(fc_map_spd*fc_spd_scale);

tc1_mc_to_fc_ratio=0.99*max(mc_map_spd*mc_spd_scale)/max(fc_map_spd*fc_spd_scale);

4 仿真结果与分析

选定CYC_UDDS循环工况进行仿真［8］，车辆动力性能和燃油经济性仿真结果如表4所示，可以看出仿真车型整车性能满足设计目标要求.仿真循环工况车速和电池变化过程分别如图3，4所示.由图可知，仿真车速能够满足道路循环工况的要求;电源能够根据动力系统的运行模式进行充放电.动力部件实际输出转矩如图5所示.当ISG电机转矩为正值时，发动机转矩为负值，ISG电机快速启动发动机;当车辆加速时，发动机和电动机均正值且急速增大，发动机和电动机共同提供车辆所需功率;当车辆制动时电动机转矩为负值，回收制动能量.与车辆的控制策略吻合，表明动力系统可行，仿真平台适用.

表4 车辆性能指标仿真结果Tab.4 Simulation result

图3 车辆循环工况Tab.3 Vehicle driving cycles

5 结论

笔者对同轴式混联混合动力汽车动力系统结构及其控制策略进行了详细分析，对Advisor软件进行了二次开发，并给出详细的二次开发步骤，建立了该动力结构的仿真平台.仿真结果表明，车辆动力性能和燃油经济性能够满足设计目标要求，验证了动力系统的可行性及仿真平台的适用性，对实车的开发提供了技术支持，为缩短车辆的研发周期提供一种有效可靠的方法.

［1］ 骆元.国内外混合动力客车动力总成方案比较研究［J］.客车技术与研究，2010(1):13-16.

［2］ 蒋黎明，代幼文.新能源客车混合动力系统模式探讨［J］.商用汽车，2011(9):100-104.

［3］ 巴特.混联混合动力客车的参数匹配与控制策略研究［D］.长春:吉林大学汽车工程学院，2012.

［4］ 王家明，郭晋晟.新型混联式混合动力客车动力系统分析［J］.汽车技术 ，2008(9):1-4.

［5］ 刘磊，刚宪约.汽车仿真软件ADVISOR［J］.农业装备与车辆工程，2007(2):40-43.

［6］ 曾小华，王庆年.正向仿真模型与反向软件ADVISOR的集成开发［J］.汽车工程，2007，29(10):851-854.

［7］ 曾小华，王庆年.基于ADVISOR2002混合动力汽车控制策略模块开发［J］.汽车工程，2004，26(4):394-396.

［8］ 张翔，赵韩.混合动力轿车的建模与仿真［J］.计算机仿真，2005，22(1):233-23.