基于Advisor 的同軸式混聯(lián)混合動力汽車動力系統(tǒng)仿真

秦東晨，裴東杰，陳江義，劉竹麗

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

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混合動力汽車在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式包括:串聯(lián)型、并聯(lián)型、混聯(lián)型.混聯(lián)型動力系統(tǒng)兼具串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點(diǎn)，控制更為靈活自由，適應(yīng)各種復(fù)雜多變的行駛工況，經(jīng)濟(jì)性和排放性更佳，是目前進(jìn)行混合動力汽車研發(fā)的主要對象.國外經(jīng)驗(yàn)豐富、實(shí)力雄厚的汽車公司在混聯(lián)系統(tǒng)中多采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的行星齒輪結(jié)構(gòu)［1-3］，較為典型的是豐田Prius混聯(lián)動力系統(tǒng).國內(nèi)混聯(lián)混合動力技術(shù)與國外還存在一定差距，多采用電機(jī)或離合器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合.根據(jù)發(fā)電機(jī)布置的不同，分為發(fā)電機(jī)側(cè)置式和同軸式兩種.根據(jù)動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照能量流路徑其運(yùn)行模式和控制策略可以劃分為以下幾種形式［4］，如表1所示.筆者針對適合國內(nèi)開發(fā)能力的同軸式混聯(lián)混合動力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究.同軸式混聯(lián)動力系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于取消了變速箱和專門的動力耦合部件，只要通過控制離合器的開合狀態(tài)就可實(shí)現(xiàn)車輛串聯(lián)運(yùn)行模式和并聯(lián)運(yùn)行模式之間的切換，如表1中的第1種.

1 整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及整車主要參數(shù)

設(shè)計(jì)樣車SPHEV整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為:最高車速≥100 km/h;最大爬坡度≥30%;0～50 km/h的加速時(shí)間≤9 s;燃油消耗量(城市循環(huán)工況)8 L/100 km.

樣車SPHEV的整車主要參數(shù)，如表2所示.

表2 整車主要參數(shù)Tab.2 Main vehicle parameters

2 動力系統(tǒng)主要參數(shù)匹配計(jì)算［3］

2.1 整車功率匹配

動力系統(tǒng)中的整車總功率必須滿足整車性能目標(biāo)對功率的需求，整車需求功率包括克服滾動阻力、坡道阻力、風(fēng)阻、加速阻力造成的穩(wěn)態(tài)功率或瞬態(tài)功率，汽車功率平衡方程式如下:

式中:Pt為動力源總功率;Pmax為整車需求功率;va為行駛速度;ηt為傳動系效率;m為整車總質(zhì)量;fr為滾動阻力系數(shù);i為道路坡度;A為迎風(fēng)面積;Cd為風(fēng)阻系數(shù);δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);d v/d t為行駛加速度.

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2.2 發(fā)動機(jī)功率匹配

動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不存在變速器，爬坡過程對應(yīng)的車輛速度低，爬坡過程對應(yīng)的需求功率不能作為設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)功率的依據(jù).這里采用較高經(jīng)濟(jì)巡航速度vc行駛時(shí)的需求功率Pc作為發(fā)動機(jī)功率初步匹配依據(jù).

2.3 ISG電機(jī)功率匹配

ISG電機(jī)的主要作用是快速啟停發(fā)動機(jī)以及對電池SOC值進(jìn)行平衡.根據(jù)發(fā)動機(jī)啟停要求，可初步計(jì)算出ISG電機(jī)最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)的峰值功率Pgmax計(jì)算公式為

式中:Tgmax為發(fā)電機(jī)的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N·m;ωgb為發(fā)電機(jī)基速，r/min.

2.4 電動機(jī)功率匹配

電動機(jī)應(yīng)能夠滿足車輛坡道起步的要求，按此計(jì)算電動機(jī)峰值功率應(yīng)該滿足最大爬坡度要求的功率.

2.5 電池功率匹配

電池的功率應(yīng)該同時(shí)滿足電動機(jī)驅(qū)動需求功率和發(fā)電機(jī)啟動發(fā)動機(jī)的需求功率之和，所以超級電容的功率應(yīng)該大于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的額定功率之和，考慮到轉(zhuǎn)換效率 ηc=0.9，所以，pc≥(pm+pg)/ηt.式中:pm為電動機(jī)的額定效率;pg為發(fā)電機(jī)的額定效率.通過上述初步計(jì)算，參照市場產(chǎn)品，確定動力部件主要參數(shù)，如表3所示.

表3 汽車主要部件參數(shù)Tab.3 Parameters ofmain components of vehicle

3 仿真模型的建立

3.1 仿真軟件及建模思路

Advisor軟件是一款以Matlab/Simulink為平臺的汽車仿真軟件［5］，采用后向?yàn)橹鳌⑶跋驗(yàn)檩o的聯(lián)合仿真方法，用戶可利用其內(nèi)部完全開放的代碼以及通用子模塊搭建所需的汽車仿真模型［6］.

仿真對象主要包括:發(fā)動機(jī)模塊、ISG電機(jī)模塊、離合器模塊、電動機(jī)模塊、主加速器模塊、電池模塊、車輪模塊.首先按照實(shí)際功率流反向路徑，建立后向仿真頂層Simulink框圖，這里需要在發(fā)動機(jī)和ISG電機(jī)之間及離合器和電動機(jī)之間虛擬兩個(gè)功率分配模塊，如圖1所示.接著添加模塊之間的信息反饋，建立前向仿真路徑，完成整個(gè)動力系統(tǒng)的頂Simulink框圖.然后，在軟件中完成整車頂層模型，如圖2所示.

圖1 后向仿真路徑的頂層Simulink框圖Fig.1 Top simulink block diagram of backward simulation path

圖2 整車頂層模型Fig.2 Vehicle top model

3.2 軟件二次開發(fā)

在車系PARALLEL_SA基礎(chǔ)上進(jìn)行更改完成SPHEV車系的二次開發(fā)，為保證模型在軟件中正確運(yùn)行需要如下開發(fā)步驟［7］:

(1)創(chuàng)建車系模型 BD_SPHEV.mdl，如圖2所示.這里需要先將開發(fā)的ISG電機(jī)模型、虛擬的功率分配模型、整車控制策略模型、發(fā)動機(jī)控制策略模型保存到相應(yīng)的模型庫中，再添加對應(yīng)的工作路徑進(jìn)行調(diào)用;另外，兩個(gè)虛擬的功率分配裝置的內(nèi)部參數(shù)命名要有區(qū)分，防止程序調(diào)用沖突.

(2)創(chuàng)建新車輛文件SPHEV_in.點(diǎn)擊軟件界面上“l(fā)oad File”按鈕，打開 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';

另存為SPHEV_in.m.

(3)加載新車系SPHEV，以便ADVISOR軟件能夠識別.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，添加新車系SPHEV.添加程序:

case'SPHEV'

bd_name='BD_SPHEV';

(6)修改文件guigui_image.m及ImageInfo.m，添加新車系的圖片文件及圖形的信息

(7)修改文件data ransmissionTC_DUMMY.m，重新定義扭矩合成模塊輸入比例常數(shù)，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 仿真結(jié)果與分析

選定CYC_UDDS循環(huán)工況進(jìn)行仿真［8］，車輛動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如表4所示，可以看出仿真車型整車性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求.仿真循環(huán)工況車速和電池變化過程分別如圖3，4所示.由圖可知，仿真車速能夠滿足道路循環(huán)工況的要求;電源能夠根據(jù)動力系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行充放電.動力部件實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩如圖5所示.當(dāng)ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正值時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，ISG電機(jī)快速啟動發(fā)動機(jī);當(dāng)車輛加速時(shí)，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)均正值且急速增大，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同提供車輛所需功率;當(dāng)車輛制動時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，回收制動能量.與車輛的控制策略吻合，表明動力系統(tǒng)可行，仿真平臺適用.

表4 車輛性能指標(biāo)仿真結(jié)果Tab.4 Simulation result

圖3 車輛循環(huán)工況Tab.3 Vehicle driving cycles

5 結(jié)論

筆者對同軸式混聯(lián)混合動力汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，對Advisor軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，并給出詳細(xì)的二次開發(fā)步驟，建立了該動力結(jié)構(gòu)的仿真平臺.仿真結(jié)果表明，車輛動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，驗(yàn)證了動力系統(tǒng)的可行性及仿真平臺的適用性，對實(shí)車的開發(fā)提供了技術(shù)支持，為縮短車輛的研發(fā)周期提供一種有效可靠的方法.

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