一種并聯液壓混合動力系統半實物仿真方法

楊樹軍，李路興,，胡紀濱，李學良，彭增雄

(1.燕山大學河北省特種運載裝備重點實驗室，河北秦皇島066004；2.北京理工大學車輛傳動國家重點實驗室，北京100081)

0 前言

液壓混合動力系統設計研發過程中，常采用半實物仿真的方法，降低開發成本，縮短開發周期[1-6]。尤其在液壓混合動力系統研發初期，需要快速驗證整車模型的準確性和控制策略的有效性，為下一步控制器在環試驗和實車試驗做準備[7-11]。

半實物仿真通常采用正向仿真模型和商業化產品，如dSAPCE、ETAS、Lab-RT等平臺，進行半實物仿真系統開發，但其產品成本高，系統升級和維護不方便[12-16]。閆斌等人[17]基于RT-LAB平臺，進行并聯式混合動力半實物仿真試驗，對比計算機仿真結果，半實物仿真得到的油耗量趨勢和大小基本一致，驗證了整車控制策略的有效性。王琨等人[18]利用TargetLink工具，搭建了輪轂電機混合動力汽車半實物仿真平臺，半實物仿真得到的整車油耗和電池SOC等結果與計算機仿真結果基本一致，驗證了整車控制策略的有效性。總之，采用商業化半實物仿真平臺的軟硬件成本昂貴，需要利用正向仿真模型，形成閉環控制，測試對象受限，和實物元件數據交互不便。

半實物仿真還可以利用LabVIEW等軟件進行數據交互，搭建整車模型和實時控制程序，進行半實物仿真平臺開發[19-22]。WANG等[23]將LabVIEW提供的虛擬儀器作為下位機，將嵌入式PC作為上位機，開發了油電混合動力系統半實物仿真平臺，并驗證了其實時性。BRUNELLI等[24]針對并聯混合動力系統，搭建具有短距離和遠距離數據交互的V2x控制系統，用于測試和驗證控制策略的有效性。然而，以上研究臺架實物和控制系統復雜，也必須采用正向模型。相對于正向仿真模型，后向仿真模型不考慮操作員行為，仿真模擬的效率高，可快速驗證控制策略的有效性，但鮮有利用后向仿真模型進行液壓混合動力系統半實物仿真平臺開發的研究。

綜上所述，本文作者利用LabVIEW可以同時作為上位機和虛擬儀器的特點，提出一種利用后向仿真模型的并聯液壓混合動力系統半實物仿真方法，搭建基于LabVIEW的整車后向仿真模型和控制策略模型，通過工控機、USB-CAN板卡等與泵馬達、換向閥、電力測功機等硬件設備進行通信。該平臺組成及其控制系統簡單，可用于快速驗證并聯液壓混合動力系統仿真模型的準確性和整車控制策略的有效性。

1 半實物仿真試驗原理

1.1 整體方案

半實物仿真方案如圖1所示，轉矩耦合器輸入端連接并聯混合動力系統實物部分輸出軸，轉矩耦合器輸出端依次連接聯軸器、轉速轉矩傳感器和電力測功機。試驗測控部分由上位機、變頻器和數字或模擬I/O接口設備組成[25-26]。

圖1 半實物仿真方案示意

由于電力測功機和轉矩耦合器輸出端直接相連，通過上位機控制電力測功機模擬循環工況下的車速變化，可以轉換成模擬循環工況下轉矩耦合器輸出端的轉速變化。并聯混合動力系統實物部分真實反映循環工況下的實際輸出轉矩。

在并聯混合動力系統中，發動機和液壓混合動力系統并聯于轉矩耦合器輸入端，而且發動機位于輸入端和輸出軸同軸的一側，液壓混合動力系統位于另一側。上位機根據整車縱向動力學模型計算出轉矩耦合器輸出端轉速變化，通過變頻器控制電力測功機轉速跟隨轉矩耦合器輸出端轉速。根據仿真模型計算得到的混合動力系統動力輸出部件的控制參數，上位機通過模擬I/O接口設備控制泵馬達排量比，輸出液壓扭矩；通過控制換向閥換向，控制液壓回路通斷。

1.2 整車縱向動力學模型

在道路上直線行駛時，驅動力F由發動機和液壓混合動力系統提供，阻力由滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj組成，車輛驅動力-行駛阻力平衡公式為

F=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

若將行駛阻力轉換為耦合器輸出端阻力矩，行駛車速轉換為耦合器輸出端轉速，可得到等效動力學模型為

(2)

式中：T0為耦合器輸出端阻力矩。

(3)

式中：n0為轉矩耦合器輸出端轉速(r/min)；i0為轉矩耦合器輸出端到車輪的傳動比；r為車輪半徑(m)；ua為目標車速(km/h)。

滾動阻力和坡度阻力為

Ff+Fi=mg(fcosθ+sinθ)

(4)

式中:m為整車質量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；f為滾動摩擦因數；θ為道路角度(°)。

空氣阻力為

(5)

式中：Cd為空氣阻力系數；A為迎風面積(m2)；u為車速(m/s)。

加速阻力為

(6)

式中：δ為旋轉質量換算系數。

1.3 發動機模型

在車輛正常行駛過程中，若忽略離合器的影響，發動機的輸出轉速可由變速器輸出轉速反向求出。在發動機扭矩和轉速確定時，通過查表確定其在一定轉速扭矩下的燃油消耗率為

ffu=ffu(Te,ne)

(7)

式中：Te為發動機輸出扭矩(N·m)；ne為發動機輸出轉速(r/min)；ffu為燃油消耗率(g/(kW·h))。

1.4 半實物仿動力學模型

采用電力測功機轉速跟隨控制的方式模擬轉矩耦合器輸出端的轉速變化[27-28]，可知電力測功機加載轉速和轉矩耦合器輸出端轉速關系為

nh=nim

(8)

式中：n為電力測功機加載轉速(r/min)，由轉速轉矩傳感器實時采集；im為轉矩耦合器傳動比；nh為并聯液壓混合動力系統臺架實物輸出轉速(r/min)。

驅動時，電力測功機以發電機狀態工作時，泵馬達拖動其運行，此時發動機輸出扭矩和泵馬達在馬達工況輸出扭矩的關系為

(9)

式中：Tm為泵馬達在馬達工況輸出扭矩(N·m)；J為電力測功機軸、轉速轉矩傳感器等效轉動慣量(kg·m2)；ω為電力測功機角速度(rad/s)。

泵馬達在馬達工況輸出扭矩為

(10)

式中：k為泵馬達排量比；Δp為泵馬達兩側壓差(MPa)；Vg為泵馬達排量(mL/r)；ηmt為泵馬達在馬達工況下的機械效率。

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轉矩耦合器輸出端角速度計算公式為

(11)

式中：Δt為轉速轉矩傳感器采集時間間隔(s)；n0(x+1)為時刻x+1的轉矩耦合器輸出端轉速(r/min)；n0(x)為時刻x的轉矩耦合器輸出端轉速(r/min)。

制動時，電力測功機以電動機工作時，其拖動泵馬達運行，泵馬達在泵工況輸入扭矩關系為

(12)

式中：Tp為泵馬達在泵工況輸入扭矩(N·m)；ηpt為泵馬達在馬達工況下的機械效率。

綜上所述，上位機通過轉速轉矩傳感器實時采集液壓混合動力系統輸入/輸出扭矩、轉速，根據發動機模型，得到循環工況下，發動機實際輸出轉速；通過轉速轉矩傳感器實時采集轉矩耦合器輸出端轉矩變化，根據發動機和半實物動力學模型，得到發動機輸出轉速、轉矩變化和整車油耗量，即：

ne=ni

(13)

(14)

(15)

式中：mfu為發動機油耗量(g)。

2 后向仿真模型及半實物試驗平臺

2.1 并聯液壓混合動力系統仿真模型

表1 某型液驅車主要技術參數

搭建并聯液壓混合動力系統仿真模型，如圖2所示，包括發動機模型、整車動力學模型、蓄能器模型、泵馬達模型和相應控制策略模型等。

圖2 液壓混合動力系統整車模型

基于后向仿真的方法，從滿足期望循環工況出發，計算出滿足期望車速的發動機需求轉矩。通過整車控制策略控制泵馬達排量比，結合泵馬達兩側壓差大小，實現并聯液壓混合動力系統輸出轉矩的控制。在循環工況下，已知發動機期望輸出轉速和輸出扭矩，通過發動機模型計算出并聯液壓混合動力系統目標油耗量；已知變速器輸出扭矩和擋位，通過動力學模型計算出當前車速和變速器輸出轉速；已知當前車速、發動機輸出扭矩、變速器輸出轉速和泵馬達輸出扭矩，通過變速器模型計算出擋位變化、變速器輸出轉速和轉矩，通過動力學模型計算出變速器輸入轉速、變速器輸出扭矩和變速器當前擋位；已知泵馬達輸入轉速、排量比和蓄能器壓力，通過泵馬達模型計算出并聯液壓混合動力系統輸出扭矩和蓄能器輸入流量；已知蓄能器輸入流量，通過蓄能器模型計算出當前壓力和體積變化。

2.2 并聯液壓混合動力系統半實物仿真平臺

并聯液壓混合動力系統半實物仿真平臺如圖3所示。電力測功機通過電力測功機軸、聯軸器、轉接盤和轉矩耦合器和液壓混合動力系統相連，數字或模擬信號I/O接口通過USB-4711A采集傳感器測得油壓、油溫、扭矩和轉速等信號，同時控制泵馬達電磁鐵電流大小。根據基于LabVIEW的整車后向仿真模型控制策略模型，控制其排量比變化，控制泵馬達輸出扭矩變化，結合USB-4761的繼電器功能，控制泵馬達排量比正負和換向閥換向，控制油液流動方向。

圖3 并聯液壓混合動力系統半實物仿真平臺

設置補油泵站的目的是為液壓泵/馬達控制系統提供先導油壓；設置供油泵站的目的是為了充當低壓蓄能器，防止系統工作時油液不足造成泵馬達空吸損壞，補油和供油壓力設置為2 MPa。

電力測功機、轉速轉矩傳感器、轉矩耦合器、測控系統和液壓混合動力系統參數如表2所示。

表2 并聯液壓混合動力系統臺架設備參數

3 計算機仿真與半實物試驗分析

3.1 電力測功機轉速跟隨分析

將NEDC循環工況的目標車速等效為轉矩耦合器輸出轉速，即為循環工況目標轉速，其與電力測功機加載轉速變化對比和轉速跟隨誤差如圖4所示。

圖4 電力測功機轉速跟隨曲線

由圖4可知：轉速轉矩傳感器測得的電力測功機實際加載轉速變化曲線和循環工況目標轉速變化曲線基本重合；轉速誤差最大不超過±100 r/min，即誤差量最大為3.3%；轉速誤差小于±10 r/min，即誤差量在0.33%以內的情況，對應出現在勻速工況；轉速誤差大于±50 r/min，即誤差量在1.25%以上的情況，對應出現在急加速和急減速工況，故電力測功機加載轉速誤差滿足誤差的要求。

3.2 半實物仿真與計算機仿真結果對比

半實物仿真與計算機仿真結果對比，如圖5所示。

圖5 半實物仿真與計算機仿真結果對比

由圖5可知：半實物仿真與計算機仿真得到的泵馬達扭矩和發動機扭矩變化基本一致；半實物仿真與計算機仿真得到的蓄能器壓力變化基本一致，且循環結束后，前者蓄能器壓力為26 MPa、后者蓄能器壓力為27.5 MPa，誤差為5.45%；半實物仿真與計算機仿真得到的整車油耗變化基本一致，且循環結束后，前者整車油耗量為180.3 g、后者整車油耗量為165 g，誤差為9.27%。

產生誤差的原因：(1)電力測功機加載轉速存在誤差，引起泵馬達瞬時流量變化和蓄能器壓力的瞬時變化；(2)相比計算機仿真，半實物仿真充分考慮液壓混合動力系統實物部分的影響，如泵馬達排量比調節、換向閥換向動態過程，引起泵馬達扭矩和流量的瞬態變化；(3)泵馬達、換向閥等液壓元件存在一定量的油液泄漏，設置的供油泵站和補油泵站也存在一定的油液損失。因此，本文作者提出的并聯液壓混合動力系統半實物仿真方法，可在誤差范圍內驗證節能控制策略的有效性。

4 結論

(1)提出并聯液壓混合動力系統半實物仿真方法，并分析了利用后向仿真模型的半實物仿真試驗方法的原理；

(2)搭建和分析了并聯液壓混合動力系統計算機后向仿真整車和控制策略模型，并完成并聯液壓混合動力系統半實物仿真平臺的搭建；

(3)計算機仿真與半實物仿真對比試驗結果表明：電力測功機轉速跟隨誤差小，液壓混合動力系統模擬精度高；半實物仿真與計算機仿真得到結果在整體變化趨勢上一致，其中蓄能器壓力和整車油耗誤差在10%以內，驗證了后向仿真的計算機整車模型的準確性和控制策略的有效性；

(4)實際臺架試驗過程表明：該并聯液壓混合動力系統半實物仿真方法不需要發動機、離合器實物，只需要一臺電力發動機模擬負載，簡化了設備組成和測控系統，且不需要改變后向仿真模型，為利用后向仿真模型的半實物仿真平臺的快速搭建提供了一種新方法。