基于Cruise和Sim ulink的ISG城市客车联合仿真分析

张金一，吴少雄（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门　361023）



基于Cruise和Sim ulink的ISG城市客车联合仿真分析

张金一，吴少雄
（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

摘要：通过AVL-Cruise软件搭建ISG城市客车整车基础模型，应用Simulink软件制定整车控制策略，并把Simulink控制策略文件输入至Cruise软件模型中，对整车各项参数进行联合控制，并对整车动力性、经济性进行联合仿真分析。

关键词：ISG城市客车；Cruise；Simulink；控制策略

2015年4月22日，财政部、科技部、工业和信息化部、发展和改革委员会联合印发了《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，通知附件明确要求插电式混合动力商用车（含货车、客车）燃料消耗量（不含电能转化的燃料消耗量）与现行的常规燃料消耗量国家标准中对应限值相比小于60%（即节油率在40%及以上）。本文对某ISG城市客车在Cruise软件中建模，使用Simulink软件进行各工作模式的控制策略编写和动力性、经济性的联合仿真。

1　ISG城市客车的控制策略

ISG（Integrated Started Generator）柴油混合动力系统属于混联插电式，ISG混合动力客车是基于起动机、发电机一体化的中度混合动力客车[1]。动力输出路线为发动机-扭转减振器-ISG电机-干式离合器-驱动电机-后桥-轮胎。本文模型只涉及车辆动态行驶过程中的油耗和电耗仿真分析即非插电模式运行，但预留插电接口。根据发动机、ISG电机、驱动电机工作模式的各种组合形成整车工作模式，见表1。

车速状态及工作模式均包含0、1、2、3四种数值，相互组合后代表唯一的工作模式，将状态数值输入给Simulink中计算器模型进行逻辑分析判断，控制各参数量数值大小，进而控制整车。

表1　ISG混合动力系统工作模式和部件状态

各工作模式之间切换条件如下[2]：

1）停机模式与纯电动模式切换。当车辆起步前，判断动力电池SOC状态。若SOC大于纯电允许设定电量时，车辆进入纯电模式，整车由驱动电机提供动力。

2）纯电动模式与发动机模式切换。当车速增加至发动机经济转速区下限时，发动机起动工作，整车动力由发动机单独提供。

3）纯电动模式与增程模式切换。当车速在纯电动范围内，若SOC小于纯电允许设定电量时，车辆进入增程模式，整车仍由驱动电机提供动力，此时发动机起动并带动ISG电机发电给动力电池充电，使动力电池SOC尽快提升至控制值。

4）发动机模式与混合动力模式切换。当整车需求功率大于发动机单独提供最佳燃油效率曲线功率时，车辆进入混合动力模式，发动机运行在最佳燃油效率曲线上，驱动电机提供功率为整车需求功率减去发动机提供功率。

5）发动机模式与行车充电模式切换。当整车需求功率小于发动机单独提供最佳燃油效率曲线功率时，车辆进入行车充电模式，发动机运行在最佳燃油效率曲线上，ISG电机为发电机对蓄电池进行充电。

6）制动回馈模式。当驾驶员松开油门踏板使车辆滑行或踩下制动踏板使车辆制动时，整车进入制动回馈模式。回馈策略根据整车初始滑行或制动车速、SOC状态、制动踏板深度进行判断，相应分配制动能量比例给ISG电机、驱动电机以及机械制动。

2　ISG城市客车的性能仿真

2.1整车参数

在进行AVL-Cruise仿真计算分析前，需要事先收集整车基本参数，如发动机、变速器、前后轴荷、总质量、整备质量等。该车型基本配置参数简化后见表2。

表2　整车部分基本参数

2.2 Cruise模型建立

根据整车构造在AVL-Cruise中建立仿真模型，输入模块所需要的各项基本参数，并完成机械连接与电气信号线连接[4-5]。整车模型搭建如图1所示。

图1　整车Cruise模型

2.3 Simulink模型建立

2.3.1整体控制策略

图2是用Simulink搭建的该ISG城市客车的整体控制策略。表3为Simulink模型的输入与输出信息对应表。该策略中包含执行器和计算器两部分。执行器主要是通过接收Cruise模型中各信号参数进行判断分析控制，输出车速状态与模式状态两个参数。这两个参数输入给计算器模型；计算器按整车需求功率划分为驱动计算器和制动回收计算器，主要功能是通过接收执行器的输出参数以及Cruise模型中各信号参数进行判断分析控制，输出发动机、ISG电机、驱动电机、离合器控制参数给Cruise模型并参与Cruise仿真计算。本文Cruise[6]与Simulink[7]联合仿真是通过MATLAB_DLL[8]模式实现的。

表3　 Simulink模型的输入与输出信息对应表

2.3.2执行器模型建立[9-10]

执行器通过Cruise传输的参数对整车需求的工况进行分类。主要的分类逻辑是先对速度进行分类，不同的速度区间输出一个状态信号[车速状态]，然后判断不同速度区间下所需要工作模式，再输出一个工作模式状态信号[工作模式]。具体模型如图2中的“执行器”部分。

图2　整体控制策略

2.3.3计算器模型建立

计算器模型如图2所示分为两个部分：一部分为驱动计算器，负责计算行驶时需要的能量；另一部分为制动能量回收计算器，负责计算制动工况时的能量回收。

1）驱动计算器。计算器将执行器发送过来的[车速状态]和[工作模式]信号作为输入源，结合其余的车辆数据信号输入量，计算得到当前工况下ISG电机、驱动电机、发动机、离合器等需要的Load信号量及是否工作开关量。具体模型如图2中的“驱动计算器”部分。

2）制动能量回收计算器。根据Cruise提供的制动力矩、速度、加速度、SOC，计算出当前的制动模式是否需要驱动电机回收能量。计算并输出驱动电机的Load制动信号量。具体模型如图2中的“制动能量回收计算器”部分。

2.4仿真及结果分析

根据GB/T19754-2005重型混合动力电动汽车能量消耗量要求，按中国典型城市公交循环工况设定Cruise路谱，路谱曲线参见文献[11]。仿真结果分析见表4。

表4　动力性、经济性仿真结果

根据表4结果，统一成油耗为19.4 L/100 km。作为最终结果，与传统常规燃料消耗量[12]国家标准中对应限值37.5 L/100 km节油18.1 L，节油率达到48%。

3　结束语

本文详细论述了基于Cruise及Simulink软件联合仿真性能分析，通过整车工作模式控制策略的搭建，仿真分析整车爬坡能力及在典型城市道路运行工况下的电耗、油耗，初步分析节油率，为后续结构选型优化奠定基础。

参考文献：

[1]郭晋晟，钟虎，杨林.ISG柴油混合动力客车能量分配策略研究[J].汽车工程，2008，30（2）：121-125.

[2]爱塞尼，等.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车—基本原理、理论和设计[M].2版.倪光正，倪培宏，熊素铭，译.北京：机械工业出版社，2006.

[3]韩宗奇.用滑行试验法测定汽车空气阻力系数研究[J].汽车技术，2001，（5）：24-27.

[4]余志生.汽车构造[M].5版.北京：机械工业出版社，2010.5.

[5]王望予.汽车设计[M].4版.北京：机械工业出版社，2004.8.

[6]CRUISE基础培训教程.李斯特技术中心[G].上海，2010.

[7]于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011.5.

[8]AVLCruise User's Guide.李斯特技术中心[G].上海，2011.

[9]王中群. MATLAB建模与仿真应用[M].北京：机械工业出版社，2010.10.

[10]周品. MATLAB数学建模与仿真[M].北京：国防工业出版社，2009.4.

[11]GB/T19754-2005，重型混合动力电动汽车能量消耗量[S].北京：中国标准出版社，2005.

[12]GB/T27840-2011，中重型商用车辆燃料消耗量测量方法[S].北京：中国标准出版社，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

作者简介：张金一（1985-），男，工程师；整车动力经济性工程师；研究方向：客车动力性经济性匹配优化。

中图分类号：U469.13；TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1006-3331（2016）01-0001-03