ADVISOR

ADV ISOR 混合动力电动汽车仿真系统的

二次开发及应用

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程　莺　冯能莲　李克强　连小珉

(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京　

100084)

　　[摘要]　在研究与掌握ADV ISOR 车辆仿真系统结构组成的基础上,对该系统进行了二次开发,建立了该仿真系统不具备的某特定车型的混合动力系统仿真模型及其控制器模型。并针对特殊的循环行驶工况,利用该模型进行了燃油经济性能的仿真和分析。

叙词:混合动力电动汽车,建模,仿真,二次开发

Redevelopment and Its Application of Powertrain Simulation

System for Hybrid Electric Vehicle Based on ADV ISOR

Cheng Ying ,Feng N englian ,Li K eqiang &Lian Xiaomin

Tsi nghua U niversity ,State Key L aboratory of A utomotive S af ety and Energy ,Beiji ng 100084

　　[Abstract]　The advanced vehicle simulation software ADV ISOR is redeveloped for setting up the simula 2tion models for a specific hybrid electric vehicle and its controller ,which was not available in ADV ISOR 1Using redeveloped ADV ISOR with added models ,the fuel economy performance of the vehicle for specific drive cycles is simulated and analyzed 1

K eyw ords :H ybrid electric vehicle ,Modeling ,Simulation ,R edevelopment

3国家863计划电动汽车重大专项资助项目(2003AA501323)。

原稿收到日期为2003年6月30日,修改稿收到日期为2003年8月18日。

1　前言

20世纪90年代以来,混合动力电动汽车技术

取得了长足的进步。它将发动机、电机和能量储存装置(蓄电池等)组合在一起,通过它们之间的良好匹配和优化控制,可以充分发挥传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点,成为当今最具实际开发意义的低排放低能耗汽车。

双动力源的存在,为改善车辆的燃油经济性和排放性能提供了更为广阔的设计空间,但同时,车辆动力系统的复杂性也要求在最终设计和样车试制之间建立起系统的性能仿真模型,以进行不同设计方案的比较和控制策略的开发。按照仿真中信息流动的不同,混合动力系统仿真可以分为前向式仿真和

后向式仿真[1,2]。后向式仿真不考虑驾驶员的意图,计算速度快,可通过反复计算以达到系统最高性能,适用于系统预估和评价。其系统软件中最具代表性的是美国为协调和评估PN GV 项目的ADV I 2SOR 软件[3]。该软件被广泛应用于混合动力系统的仿真和分析中,实现混合动力电动汽车整车动力性和经济性的快速分析,对零部件的选型和参数的初步优化,以及结构布局和控制策略的比较[4,5]。但是由于ADV ISOR 软件中混合动力系统的结构型式是固定及有限的,不能很好地适用于目前很多现有或待开发的混合动力车型,因此它在应用中具有一定的局限性,需要进行二次开发,针对实际的车辆动力系统和能量管理策略进行建模和仿真。

此文的建模和仿真工作旨在针对某开发中的特定的混合动力电动汽车。在ADV ISOR 软件平台上进行二次开发,建立其混合动力系统仿真模型和控

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Automotive Engineering 　　　　　　　　　　　　

2004(Vol.26)No.3

制器模型,同时为了使仿真结果能够更加接近实际,

还利用厂家提供的数据建立了基于中国路况条件的多种循环行驶工况,并进行整车动力性和燃油经济性的快速分析,为混合动力能量管理和总成控制系统的实用化提供技术分析和支持。

2　混合动力仿真系统的二次开发

211　混合动力系统组成及其工作原理

所研究的某型混合动力轿车动力系统采用并联式布置方案,其系统组成如图1所示。发动机一侧通过皮带轮驱动起动/发电机,同采用集成的起动/发电机相比封装的难度将大大地降低。系统可以在发动机驱动、混合驱动等多种模式下工作:(1)在车辆起步和蓄电池组荷电状态

SOC 正常的情况下,由起动/发电机带动发动机至合适的转速,然后由发动机驱动HEV ;(2)当车辆需要加速或爬坡时,若蓄电池组荷电状态SOC 正常,由主电机辅助发动机驱动HEV ;(3)当车辆均速行驶时,发动机驱动HEV 行驶,富余能量带动起动/发电机发电,为蓄电池组充

电;(4)制动或减速时,在保证制动性能的基础上,由主电机实现制动能量回收。

图1　混合动力轿车动力系统组成

212　混合动力系统仿真模型的建立

混合动力轿车中采用了双电机结构,与ADV I 2SOR 软件中现有的混合动力系统在结构上存在很大差异,因此需要对其进行二次开发。

整车混合动力仿真系统MA TLAB/Simulink 框图如图2所示。整车混合动力系统仿真模型直接按照实际动力系统的布局塔建,仿真模型从满足驱动循环的系统需求出发,通过仿真计算得到为满足车速要求,驱动系统各部件必须提供和可以提供的转矩、转速、功率等,仿真信息沿轮胎、变速器,再到电机、发动机等各个模块。

图2　整车混合动力仿真系统MA TLAB/Simulink 框图

　　混合动力系统仿真模型是在ADV ISOR 软件原有并联式混合动力系统Parallel sa 的基础上进行二次开发的。Parallel sa 是由发动机、电机、蓄电池、离合器、变速器等部件组成。由于它采用的是单电机结构,系统首先增加了一个电机模块,并建立了其控制器模型,该电机对应系统组成结构图1中的主电机,其负责辅助驾驶和制动能量的回收,而起动/发电机仅在车辆起步及蓄电池SOC 值低于最低工作限值情况下工作。

如图2所示,各个模块之间的连线代表了定义各部件之间相互作用的物理参数的传递,由于仿真模型在原有的并联混合动力系统Parallel sa 的基础上添加了电机模块,采用了双电机结构,改变了原有模块间的参数传递,因此需要根据实际车辆结构定义模块间的参数传递。在考虑功率耦合器的反馈即实际主轴能获得的输入转矩时,作如下简化:假定发动机的实际输出转矩首先满足辅助动力源主电机的需求,剩余部分通过起动/发电机为蓄电池充电。

在完成各模块之间参数传递的定义,系统建立优化ICE 曲线控制器,来协调各个部件的工作,实现整车的能量管理。

213　能量管理策略及控制器的建模

混合动力系统属于多能源动力系统总成,各个部件之间需要协调工作才能实现混合动力系统在各种工况下的功能,从而体现出混合动力系统在能耗等多方面的优越性。

不同于ADV ISOR 现有的电机辅助控制模式,文中采用了优化ICE 曲线控制模式[6],建立了优化ICE 曲线控制器,来实现整车的能量管理。

在低车速和整车转矩需求过低的情况下,由电机单独驱动车辆;当系统需求转矩大于预先设定的发动机最低转矩,且车速较高,则发动机按照预先设定的ICE 优化曲线工作,而由电机提供系统需求转矩的不足部分或回收发动机的富余能量;回馈制动时,电机切换到发电机状态;当蓄电池荷电状态过低,发动机除提供系统需求转矩外,还要提供额外的

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转矩驱动发电机给电池充电。优化的ICE 曲线如图3中的黑色粗实线

。

图3　ICE 优化工作曲线

　　所设计的优化ICE 曲线控制器控制算法流程如图4所示。仿真计算时,动力系统仿真模型从满足驱动循环的系统需求出发,通过仿真计算得到为满足该车速要求下的功率需求,并利用SOC 值计算出蓄电池的充放电功率,同时考虑到由于发动机转动惯量的影响引起的额外的功率损失,此三者之和即为此时需要的发动机功率,而后利用ICE 优化工作曲线对发动机转速进行转矩优化,得到优化后的转矩,综合考虑到发动机的最大转矩和怠速限

制,计算出下一个仿真步长的发动机转矩和转速。

图4　优化ICE 曲线控制器控制算法流程

图5　优化ICE 曲线控制器Simulink 框图

　　该控制器模型是在Simulink 中实现的,其框图

如图5所示。在控制器模型设计中,在确定最终发动机转矩和转速时,考虑到了以下几方面因素。(1)发动机转动惯量的影响,当车辆急加速或紧急制动时,瞬时车速波动很大,此时由于发动机转动惯量的影响将在曲线上作用一个很大的转矩。若不考虑这个转矩引起的功率损失,在利用优化ICE 曲线对发动机转速进行转矩优化时将会产生一定的误差。

模型在发动机转矩的确定中考虑了该因素的影响,即将发动机转动惯量的功率损失加入了所求得的需求发动机功率,而后进行转矩优化;(2)发动机最大转矩的;(3)发动机怠速转速的。214　多循环行驶工况的建立

实际行驶过程中车辆不可能长时间在稳定车速下行驶,尤其是在市区行驶时,往往有频繁的加速、减速、怠速、停车等行驶工况。行驶循环应在对实际路面和交通状况的大量统计的基础上得出,反映车辆在实际使用中的状况。

为了获得更为接近实际的仿真结果,利用厂家

提供的行驶循环工况相关数据,在ADV ISOR 软件中建立了多种反映中国路况条件下的循环行驶工况。各循环行驶工况的速度时间曲线如图6所示。

图6　部分循环行驶工况图

3　仿真及结果分析

利用建立的混合动力系统仿真模型及控制器模型,针对CYC

Hyzem

Highway 等厂家提供的特

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152・2004年(第26卷)第3期　　　　　　　　　　　汽　车　工　程

殊循环行驶工况进行燃油经济性快速仿真,仿真结

果如表1所示。

表1　多循环工况燃油消耗仿真结果

循环工况

燃油消耗/L ・

(100km )-1

CYC

Hyzem

highway 511CYC Modem FF urban 517CYC Modem highway 41

8CYC Modem

S urban

711

　　CYC Hyzem highway 和CYC Modem highway 工况反映了在交通流畅、路面状况水平良好的高速公路上,车辆能够长时间运行在一个相对稳定车速下,因此油耗较低;而CYC Modem FF urban 和CYC Hyzem S urban 工况反映了在路面状况水平良好的城市道路上,由于交通较为拥挤,车辆需要频繁起停,因此燃油消耗水平相对较高。

图7　仿真结果

图7表示了在欧洲城市循环工况(N EDC )下整

车的车速跟踪、驱动转矩、蓄电池SOC 值以及每时刻的传动比。图中显示,仿真过程实际车速能够很好地跟踪循环工况车速;整个驱动循环中驱动转矩

有正有负,负制动转矩占了较大的比例,它反映了车辆在路面状况良好的城市道路上频繁加减速的情况,可以依靠再生制动回收的能量来使蓄电池的电量维持在一个相当的水平;蓄电池SOC 值被控制在最优工作区域60%～55%之间,在此区域内蓄电池的充放电效率均较高。

4　结论

(1)在ADV ISOR 软件平台上进行二次开发建

立实际车辆的动力系统模型的方法,可以充分利用该软件的开放性,大大减少底层部件模块开发的工作量,在实际中是可行的。

(2)仿真结果表明,采用该混合动力仿真模型能够较好地仿真车辆的燃油经济性能,为混合动力能量管理系统和总成控制实用化提供了技术分析和支持。

参考文献

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