混合動力整車控制策略仿真研究

何華強(qiáng)，張 靖，李朝樂，黃值儀，易旭榮

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

目前混合動力整車控制器（HCU）的開發(fā)屬于混合動力汽車領(lǐng)域的一個核心技術(shù)，各公司在HCU開發(fā)時都面臨著所需開發(fā)周期長、資金高的難題。通過建模仿真的方法是一種極其有效的解決辦法，它能夠有效的縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用。

目前混合動力汽車領(lǐng)域的仿真主要有前向仿真和后向仿真。后向仿真其設(shè)計思路是以外界工況循環(huán)向整車提出車速需求，通過整車阻力模塊，逆向向傳動系統(tǒng)請求動力。這種設(shè)計思想適合于設(shè)計初期階段的方案選型、控制策略的設(shè)計、參數(shù)匹配和性能預(yù)測。而前向仿真的模型接近真實的車輛行駛過程，能處理實際傳動系統(tǒng)中的測量參數(shù)，仿真的模型可以直接生成代碼提高了工作效率［1］。

同時考慮到商業(yè)仿真軟件的接口與開發(fā)的HCU接口一致性不是太好，可拓展性較差的情況，因此我們自己建立了完整了物理模型，統(tǒng)一在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了集成及仿真。考慮到以往的論文往往側(cè)重在整車的動力性及經(jīng)濟(jì)性方面的論述，很少有在整車功能方面進(jìn)行仿真說明，本文主要側(cè)重在HEV整車功能的仿真。

1 系統(tǒng)的建模

一個完整的仿真模型必須具有系統(tǒng)的實物模型及控制模型，因此系統(tǒng)模型是仿真模型的重要組成部分，它的模型準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到仿真結(jié)果是否真實可信。一般來說，如果仿真的重點在控制器的功能實現(xiàn)上，那么系統(tǒng)的實物模型也以功能實現(xiàn)為主，對于復(fù)雜系統(tǒng)可以盡可能多的采用物理查表的型式來實現(xiàn)，這樣可以降低建模難度。比如發(fā)動機(jī)的建模，就可以以試驗數(shù)據(jù)來替代理論運算。

但是在功能性仿真為重點的建模中，由于物理模型與實際存在一定的差異，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實際出現(xiàn)偏差，需要在實車調(diào)試時進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚１热缭赑1結(jié)構(gòu)的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在整車拖起發(fā)動機(jī)的仿真中，從圖1、圖2可以看出，仿真已經(jīng)完全說明了HCU模型具有按照設(shè)計需要具有的該功能。但由于離合器物理模型與實際結(jié)合情況不一致，導(dǎo)致了仿真會出現(xiàn)一定的偏差。按照我們開發(fā)的經(jīng)驗，這種偏差對于功能調(diào)試的影響很小。

反之，在以性能為重點的仿真時，尤其是HCU控制策略做性能相關(guān)仿真，嚴(yán)重依賴于各個總成的性能表現(xiàn)，因此各物理對象模型應(yīng)該盡可能的與實體一致，這樣才能完全仿真出控制器的特性。

在本文中，以功能仿真為主，同時兼顧了整車的動力性及經(jīng)濟(jì)性，因此物理模型的建立也是基于這點。

1.1 駕駛員模型的建立

駕駛員模型是前向式仿真中的特有模型。主要實現(xiàn)從路譜到司機(jī)加速踏板和制動踏板的指令，模擬實際駕駛員操作。本模型采用PID控制器實現(xiàn)駕駛員模型，加入了一個反映駕駛員人為環(huán)節(jié)的一階延遲環(huán)節(jié)［2］。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 發(fā)動機(jī)及EECU模型的建立

在針對HCU的功能性仿真中，發(fā)動機(jī)及控制器的主要功能就是執(zhí)行HCU的命令進(jìn)行相關(guān)的輸出，因此發(fā)動機(jī)本體只需包含起動機(jī)、曲軸部分模型，EECU主要包含司機(jī)請求、怠速控制、巡航控制、轉(zhuǎn)速及扭矩控制（主要針對TSC1報文功能）即可，其模型如圖4、圖5所示。

1.3 電池模型的建立

由于目前在HEV開發(fā)中，電池基本都采用了鋰電池或者是超級電容作為儲能裝置。超級電容器可以認(rèn)為是一個物理的容器，因此可以把它的建模認(rèn)為很簡單，本文在這里不做累述。如果我們具備完整的鋰電池試驗數(shù)據(jù)，那么電池模型可以以查表為主來實現(xiàn)，但是現(xiàn)在很多廠家都不具備這個能力，因此還需要靠理論模型來實現(xiàn)。

鋰電池集結(jié)了固—液—氣三相反應(yīng)，是一個非常復(fù)雜的非線性電化學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)建模和特性描述成為混合動力系統(tǒng)性能仿真的難點之一。最基本的模型認(rèn)為電池由一個可變電壓源和一個可變內(nèi)阻串聯(lián)而成，稱為Rint模型。還有一種RC電池模型，由兩個電容三個電阻構(gòu)成。本文采用Rint模型等效電路模型對蓄電池進(jìn)行建模。能量儲存模型計算電池核電狀態(tài)SOC，以響應(yīng)功率總線的功率請求和輸出實際功率。功率損失由內(nèi)阻消耗損失加上由庫倫效率引起的損失［3］。電池模型如圖6所示。

1.4 其他系統(tǒng)模型的建立

限于篇幅問題，本文無法一一列舉這些HEV組成系統(tǒng)的建模方案，本文已就重點和難點的發(fā)動機(jī)及EECU、駕駛員模型、電池模型做了說明。

剩余的模型中，傳動系統(tǒng)中的變速箱和后橋建模中可以只考慮傳遞效率。

整車模型在很多論文中都可以參考，而且其建模方案基本一致，經(jīng)過檢驗也基本能滿足實際需求；

2．2 聽力障礙確診情況 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，復(fù)篩未通過231例，到上級醫(yī)院進(jìn)行ABR檢查208例，ABR檢測率90．04%，年度間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。ABR檢測確診單耳障礙49例，雙耳障礙54例，聽力障礙在篩查兒中的發(fā)病率3．72‰，高于國內(nèi)相關(guān)報道［5］。見表2。

2 模型集成

我們開發(fā)的HCU包含了我們?nèi)康耐暾目刂撇呗阅Ｐ汀?/p>

在建完了HEV整車各個系統(tǒng)的物理模型及控制模型后，需要對各物理模型及整車控制模型進(jìn)行集成，我們在項目中使用的模型集成后如圖7所示。

3 仿真結(jié)果及分析

我們主要用以上模型對HCU進(jìn)行了功能性的仿真，包括上電自檢、整車狀態(tài)判斷、起步、輔助換擋、行駛、制動等的仿真，經(jīng)過仿真驗證后的模型能夠快速在臺架上得到驗證。

3.1 上電自檢

上電自檢主要仿真整車各高壓相關(guān)部件自檢時序及高壓部件的故障狀態(tài)，使用仿真和實車驗證的結(jié)果分別如圖8所示。

從圖中可以看出，T15信號有效后，HCU自檢狀態(tài)判斷標(biāo)志（POST_STATUS）將進(jìn)入3，在電池發(fā)送允許使能后置2，在電池發(fā)送高壓繼電器狀態(tài)為1后置1（自檢時各標(biāo)志量經(jīng)歷時間不同，這個由于各控制器實際自檢時間與模型標(biāo)定不一致導(dǎo)致），自檢功能得到了驗證。

3.2 整車狀態(tài)判斷

整車狀態(tài)主要依據(jù)駕駛員的各種操控信息及整車各部件實際工作狀態(tài)來判斷整車目前處于什么樣的狀態(tài)，比如：起步、換擋、行駛、制動等，整車狀態(tài)判斷是HCU需要完成的一個重要工作，狀態(tài)判斷準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到HCU的動作執(zhí)行，仿真與實車的狀態(tài)判斷對比如圖9、10所示，說明仿真后的模型能完成整車狀態(tài)判斷的工作。

3.3 輔助換擋

由于本項目中電機(jī)轉(zhuǎn)子位于輸入軸，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，不能依靠同步器的滑摩來完成同步狀態(tài)，因此需要在整個選擋期間進(jìn)行調(diào)速，模擬及實車調(diào)試結(jié)果如圖11、12所示。

從圖中可以看出升擋或者降擋過程中，仿真和實車結(jié)果完全一致，同樣驗證了本文的輔助換擋模型是正確的。

4 結(jié)論

本文建立了基于MATLAB/Simulink的混合動力卡車的各系統(tǒng)模型并對各模型進(jìn)行了集成，利用該模型對整車各功能進(jìn)行了仿真，利用仿真結(jié)果改善模型，最終使用通過仿真的模型進(jìn)行實車臺架調(diào)試。使得本項目的實車功能調(diào)試只用了短短的不到兩個月時間，大大縮短了研發(fā)的周期和成本。

另一方面，本文在建模時偏重整車的功能調(diào)試，如果要進(jìn)行HCU的性能調(diào)試，則必須創(chuàng)建更加符合實際的物理模型，這是以后的研究方向。

［1］曾小華，王慶年等.前向仿真模型與反向軟件ADVISOR的集成開發(fā)［J］.汽車工程，2007：851-854.

［2］劉凌，李雪峰，汪偉，唐廣笛.串聯(lián)式混合動力客車制動能量回收的研究［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2007：45-48.