基于CRUISE軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的開發(fā)

1、第39卷 第6期吉林大學學報(工學版Vol.39 No.62009年11月Journal o f Jilin U niv ersity (Engineering and T echnolo gy EditionNov.2009收稿日期:2007 07 17.基金項目: 863 國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2006A A 11A184;國家自然科學基金項目(50705037.作者簡介:王慶年(1952-,男,教授,博士生導師.研究方向:混合動力汽車關鍵技術,汽車輪胎力學,車輛通過性.E mail:w qn通信作者:曾小華(1977-,男,副教授,博士.研究方向:混合動力汽車關鍵技術.E mail

2、:zengx iaohua基于CRU ISE 軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的開發(fā)王慶年,于永濤,曾小華,于遠彬(吉林大學汽車工程學院,長春130022摘 要:為了開發(fā)混合動力汽車研發(fā)階段正向的、模塊化的仿真平臺,以某型混合動力客車為例,基于正向建模的思想在正向式仿真軟件CRU ISE 平臺上搭建整車模型,并在M ATLAB/SIM ULINK 環(huán)境下完成了整車的并聯(lián)式控制策略的建模。仿真結果證明,所開發(fā)的混合動力汽車正向仿真平臺的正確性、多功能性及可靠性,對實現(xiàn)研發(fā)工具的平臺性及提高初期研發(fā)效率,降低混合動力汽車的研發(fā)成本具有實際意義。關鍵詞:車輛工程;混合動力汽車;正向仿真軟件;CRUIS

3、E;MATLAB /SIMULINK;標準化;模塊化;仿真平臺中圖分類號:U 469.7 文獻標識碼:A 文章編號:1671 5497(200906 1413 07Development of forward looking simulation platform for hybridelectric vehicle based on software CRUISEWAN G Qing nian,YU Yong tao,ZENG Xiao hua,YU Yuan bin(Co llege of A utomo tiv e E ngineer ing ,J il in Univ er s ity

4、 ,Changchun 130022,ChinaAbstract:To develop a fo rw ard looking and m odulasized simulation platform for the concept study of the hybrid electric vehicle(H EV ,taking a certain hybrid electric bus as ex ample,a full model w as built on the fo rw ar d looking so ftw are CRUISE,and a par allel control

5、 str ategy w as m odeled for the w ho le vehicle in the enviro nm ent of MAT LAB/SIM ULINK.T he sim ulation results proved the credibility ,the reliability and the multifunctionalness of the developed simulatio n platform.It makes sense for realization of platfor mness o f the H EV developm ent too

6、l to enhance the co ncept study efficiency ,shorten the dev elo pment cycle,and reduce the decelopm ent cost.Key words:vehicle eng ineer ing;hybrid electric v ehicle (H EV ;forw ard loo king simulation softw are;CRUISE;M ATLAB/SIM U LINK;standardization;m odularizatio n;simulation platfo rm 目前,混合動力汽

7、車研發(fā)初期所應用的軟件及方法很多,有早期的逆向仿真軟件ADVISOR 或在SIM ULINK 環(huán)境下直接編程等1 4。國外更多應用SIMU LIN K 或正向仿真軟件PSAT 等5 6,SIM U LINK 編程及調(diào)試周期長、通用性差;而PSAT 軟件中具有的現(xiàn)有模型有限,更新吉林大學學報(工學版第39卷速度跟不上工程研究的需要,這些不足都阻礙了混合動力汽車的初期研發(fā)速度。 作者基于AVL 公司的正向仿真軟件CRUISE 建立整車模型,在MA TLAB/SIU MLINK 或C 語言等環(huán)境下完成控制策略,真正為混合動力汽車研究階段提供了正向的、模塊化的仿真平臺,不僅能提高研發(fā)效率,也對提高業(yè)內(nèi)

8、交流及共同進步具有實際意義。1 技術方案概述首先利用正向仿真軟件CRU ISE 來快速完成整車模型的搭建。然后在M AT LAB /SIM ULINK 環(huán)境下搭建整車標準化、平臺化的控制策略。通過仿真手段從整車性能參數(shù)匹配設計、主要動力部件的瞬態(tài)控制及仿真、控制策略中主要性能參數(shù)優(yōu)化方面來驗證基于CRU ISE 軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的可行性、通用性與便捷性。所要建立的混合動力客車的整車物理模型圖和能量流動圖分別如圖1和圖2所示。圖1 客車的物理模型圖Fig.1 Physical model ofHEB 圖2 C RUISE 平臺下的整車模型Fig.2 Full vehicle mod

9、el based on CRUISE在CRUISE 軟件平臺上,可以從模塊庫中直接拖拽部件模塊來搭建整車模型,通過對屬性的修改來快速完成整車模型的參數(shù)設定和部件間的機械連接和電氣聯(lián)接,重點是CRU ISE 與MAT LAB/SIM ULINK 平臺的控制策略之間的信號聯(lián)接,相當于整車與H CU 的通信一樣,需要重點完成。!1414!第6期王慶年,等:基于CRU ISE 軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的開發(fā)2 M A T LA B/SIM U LINK 環(huán)境下的控制策略建模2.1 建模原則(1控制模塊與整車模型獨立;(2建模清晰,便于閱讀、修改(如子模塊化,各種驅(qū)動模式獨立分開;(3控制策略與實

10、車控制策略更接近(如各輸入判斷條件以實際能測量為準。2.2 驅(qū)動模式和輸入、輸出變量(1驅(qū)動模式設置為保證通用性,設置了12種驅(qū)動模式(包括停車、純電動、滑行再生制動、發(fā)動機單獨驅(qū)動、助力、充電、停車過渡過程、電機起動發(fā)動機、停車充電模式、換檔、快速助力、制動,兼顧了混合動力轎車和客車,對于不同車型的特殊需要可以相應添加或減少模式的數(shù)量。(2輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)設置考慮到第(3條建模原則,便于與實車控制接近,設置了正向仿真平臺必需的輸入變量:加速踏板信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、實際車速、制動踏板信號、電池荷電狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)速、實際檔位、期望車速、變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速等等。輸出變量包括:發(fā)動機的負荷信號、主電機

11、的負荷信號、副電機的負荷信號、整車的工作模式、期望的離合器工作狀態(tài)、要求檔位、換檔標識等。同樣,對于不同車型或特殊需要,可以在SIM ULINK 中在預留的輸入輸出端口直接加入或刪減輸入和輸出變量,這樣也保證了仿真平臺的兼容性。2.3 標準化、模塊化的控制策略平臺介紹圖3中1模塊為輸入,11模塊為輸出,3、4、5、6、7、8分別為扭矩分配模塊、電機溫度控制模塊、離合器功能模塊、電機主動同步換檔模塊、驅(qū)動功能模塊、駐車功能模塊。標準化、模塊化的編輯控制算法,既便于調(diào)試,提高調(diào)試和仿真速度,同時也便于業(yè)內(nèi)交流學習,能夠避免類似于逆向仿真軟件交叉性、復雜性在對部件或控制算法的部分修改時導致的不必要的

12、錯誤發(fā)生具有重要的作用。 圖3 模塊化的整車控制策略頂層模塊Fig.3 Modelarized top layout of control strategy of full vehicle2.4 控制策略中驅(qū)動功能模塊的控制算法流程圖整車的控制策略控制算法流程圖如圖4所示。其中,驅(qū)動功能的控制模塊為整個控制策略中的主要模塊,其中分為加速、減速、勻速3種模式。!1415!吉林大學學報(工學版第39 卷圖4 整車控制策略的控制算法流程圖Fig.4 Processing chart of full v ehicle control strategy3 基于CRU ISE軟件的正向仿真平臺的優(yōu)點對于實

13、際工程而言,在整車的設計開發(fā)初期,設計者最需要的是有一個可靠、方便、快捷、標準化的仿真平臺,以便對設計概念車進行相對準確的預測計算,對于給定的整車參數(shù),可以達到什么樣的性能指標正是CRUISE軟件的優(yōu)勢所在,但要明確的是CRUISE軟件只提供通用性、平臺性的整車模型,完整的研發(fā)仿真平臺還需要通用的控制策略。在精度方面,與其他逆向仿真軟件基本相同7;在實用性方面解決了以下三個較重要的問題。(1正向控制方面。例如ADV ISOR等其他逆向仿真軟件的控制策略基本是循環(huán)工況 輪胎 主要動力部件,這相當于需求功率 實際功率的能量鏈,其中沒有駕駛員模型,等同于沒有加速踏板等信號,這就與實際車輛的控制差異很

14、大,而正向仿真軟件CRU ISE中加入了COCKPIT駕駛員模型,滿足了這一要求。(2瞬態(tài)控制方面。對于早期的逆向仿真軟件,離合器基本包括分離、結合、滑轉(zhuǎn)3種狀態(tài),而本文所提及的SIM ULINK環(huán)境下的整車控制策略中包括4種狀態(tài):起車、換檔、停車、正常行駛。與CRUISE平臺下的整車模型進行聯(lián)合仿真,便可實現(xiàn)整車的瞬態(tài)控制。另外,在其他的車型中甚至可以加入發(fā)動機退出工作、發(fā)動機進入工作兩種離合器工作狀態(tài),當離合器工作在換檔狀態(tài)下時,就可以對發(fā)動機、電機進行主動同步調(diào)速控制等動態(tài)控制。(3參數(shù)優(yōu)化方面。CRU ISE環(huán)境下的整車模型是封閉的,對于用戶只要修改屬性中的整車參數(shù),就可以完成所要設計

15、的車型,對于控制策略方面,只要對其中所關心的參數(shù)通過M文件進行修改,就可以直接進行優(yōu)化計算,方便快捷,避免了逆向仿真軟件的交叉性、復雜性導致的調(diào)試性差的缺點,提供一個真正可信且穩(wěn)定可靠的仿真平臺。4 仿真測試以客車在城市綜合工況下為例,進行了以下3方面的仿真及分析。4.1 整車方面及主要動力部件的仿真圖5為整車的實際車速、希望車速和驅(qū)動模式之間的仿真結果?？梢钥吹秸噷嶋H車速與希望車速吻合得很好,在不同的車速下,驅(qū)動模式也都正確(注:在一個工況中不一定所有的驅(qū)動模式都出現(xiàn)才為合理。從圖6中可以清晰看出,起車時,驅(qū)動模式為換檔過程 電機快速助力 發(fā)動機圖5 希望車速、實際車速和驅(qū)動模式Fig.5

16、 Requested velocity、actual vehicle velocity and drive model!1416!第6期王慶年,等:基于CRU ISE軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的開發(fā) 圖6 發(fā)動機、電池、電機與驅(qū)動模式Fig.6 Engine 、battery 、electrical motor and drive model單獨驅(qū)動等,發(fā)動機及電機在換檔模式時的轉(zhuǎn)速控制都與實車的控制相接近,這說明CRU ISE 與SIM ULINK 結合建立的仿真平臺與其他正向軟件一樣,不僅可以實時觀測控制結果,還能從整體上仿真驗證整車參數(shù)的匹配是否滿足設計目標的要求8。設計者就可以根據(jù)

17、仿真結果進行某些主要的整車參數(shù)的重新設置,以達到整車性能要求的目標。仿真平臺還可以進行如動力性、經(jīng)濟性及轉(zhuǎn)彎等特性的測試。4.2 主要動力部件在換檔過程中的瞬態(tài)仿真9由圖7仿真結果可以得到,當離合器開始分離到完全分離的過程中,電機的負荷信號為0,電池的電流為0A,電池不供給電機能量,電機的轉(zhuǎn)速維持不變;在離合器結合的過程中,發(fā)動機的轉(zhuǎn)速降低,駕駛員根據(jù)加速的要求踩油門,此時發(fā)動機的負荷信號逐漸升高;圖8為降檔過程中的仿真結果,與升檔類似,不予贅述。 圖7 沒有主動同步控制的升檔仿真圖Fig.7 Up shift simulation results without active and syn

18、chronizedcontrol 圖8 沒有主動同步控制的降檔仿真圖Fig.8 Down shift simulation results without active and synchronized control!1417! 1418 ! 吉林大學學報( 工學版 第 39 卷 圖 9 升檔時換檔過程與主要動 力部件的仿真圖 Fig. 9 Up shift simulation results with active and synchronized control 圖 10 降 檔時換檔過程與主要動力部件的仿真圖 Fig. 10 Down shift simulation results

19、 with active and synchronized control 圖 9 中, 當離合器開始分離到完全分離的過 程中, 發(fā)動機和電機的負荷信號都為 0, 電池的電 流為 0, 都不參與工作; 從離合器完全分離到開始 接合的過程中, 發(fā)動機不參與工作, 負荷信號仍舊 為 0, 由于升檔降速, 電機根據(jù)目標轉(zhuǎn)速將電機的 實際轉(zhuǎn)速調(diào)低, 電機的負荷信號為- 1, 全力降速, 電池的電流逐漸減小, 直至離合器開始接合, 主動 同步調(diào)速完成; 在離合器接合的過程中, 電機的負 荷信號為 0, 不參與調(diào)速, 保留傳統(tǒng)車的由駕駛員 來控 制行車的習慣, 這時只 有發(fā)動機單獨工作。 圖 10 的降檔

20、過程與升檔分析類似。 能夠?qū)λ矐B(tài)過程進行分析的功能充分說明所 開發(fā)的平臺能夠在進行正向仿真的同時, 還可以 對動態(tài)過程的主要動力部件進行人為干預, 可以 對控制結果進行觀測及調(diào)試, 與實際車輛的調(diào)試 極為接近, 充分體現(xiàn)了此正向仿真平臺的實用性。 4. 3 控制策略中主要性能參數(shù)的優(yōu)化仿真 一般所要優(yōu)化的主要參數(shù)有 SOC 的上下限 圖 11 Fig. 11 SOC 上下限值與百公里油耗之間的關系 Relationship between SOC up and down limited values and L/ 100 km 圖 12 SOC上下限 值與 SOC 變化量之間的關系 Fig.

21、12 Relationship between SOC up and down limited values and SOC 第6期 王慶年, 等: 基于 CRU ISE 軟件的混合動力汽車正向仿真平臺的開發(fā) ! 1419 ! 值, 純電動門限值車速, 發(fā)動機的最大、 最小轉(zhuǎn)矩系 數(shù)等, 本文主要以參數(shù) SOC 為例論述。 圖 11 中, 4 個曲線重合說明整車控制策略城 市綜合工況而言, SOC 的上下限值對未校正的油 耗沒有影響。從 圖 12 中可以看 到, SOC 的上下 限值對 SOC 的變化量影響是不同的, 即控制過程 中, 電機起著輔助的驅(qū)動作用; 從優(yōu)化控制結果可 知, 在整個工

22、況中盡量選擇變化小的 SOC, 仿真 結束后, SOC 保持在較高水平上, 故 SOC= 0. 5 0. 9, 可見這個仿真平臺可以實現(xiàn)優(yōu)化控制。其他 參數(shù)的優(yōu)化仿真, 作者在與 FAW 的合作項目中 都已完成。一般情況下, 優(yōu)化工作在某些優(yōu)化軟 件上才能進行, 而本文所開發(fā)的平臺能夠?qū)υO計 者所關心的主要參數(shù)進行有效的優(yōu)化, 這又一次 證明了所開發(fā)平臺的實用性。 綜上, 對應于預先制定的控制策略和控制邏 輯, 仿真結果給與了充分的驗證。而且只要對輸 入、 輸出的變量及參數(shù)中某幾個進 行改動, 再在 CRUISE 軟件上對部件的參數(shù)進行重新輸入, 就 可以完成一個完整的正向的整車仿真模型。從而

23、 證明了 本 文提 出 的 基 于 CRUISE 整 車 模型 和 MAT L AB/ SIM UL INK 控制策 略結合的 混合動 力汽車正向仿真平臺具有通用性、 多功能性及實 用性。 2 王偉華. 并 聯(lián)混 合動 力汽 車的 控 制 D . 長春: 吉 林 大學汽車工程學院, 2006. Wang Wei hua. Co nt rol o f par allel hy brid electric ve hicles D . Chang chun: Co llege of A ut omotive Eng i neering , Jilin U niver sity, 2006. 3 張欣

24、, 李國岫, 宋建鋒, 等. 并聯(lián)式混合動力汽車多 能 源動力總成 控 制單 元的 研 究與 開發(fā) J . 高技 術 通 訊, 2003( 2 : 92 96. Zhang Xin, Li Guo x iu, Song Jian feng, et al. Re search & design on pow ertr ain contro ller for PH EV J . High T echno lo gy Letter s, 2003( 2 : 92 96. 4 王慶年, 曾小華, 王偉 華. 混合動 力技 術在軍 用汽 車 上的應用 J . 吉林大 學學 報: 工學 版, 20

25、03, 33( 1 : 38 41. Wang Q ing nian, Zeng Xiao hua, Wang W ei hua. A p plication of t he hybr id po wer on m iltar y vedicle J . Jo ur na l of Jilin U niver sity( Eng ineering and T echno l o gy Edit ion , 2003, 33( 1 : 38 41. 5 Y ang Zhi. A ctive abd adao tuv e flo w contro l o f tw in t ail buffet

26、and applications D . V irg inia: O ld Domin ion U niversit y, 2002. 6 王慶 年, 劉志 茹. 混 合動 力汽 車的 正向 建模 與仿 真 J . 汽車工程, 2005( 4 : 392 394. Wang Q ing nian, L iu Zhi r u. M o deling and simula tion of hy br id electric v ehicles J . A uto motive Eng i neer ing , 2005( 4 : 392 394. 7 于永濤, 曾小華, 王慶年, 等. 混合動力汽車性能仿 真 軟件的可用性仿真驗證 J . 系統(tǒng)仿真學 報, 2009, 21 ( 2 : 380 384. Yu Yo ng tao, Zeng X iao hua, Wang Q ing nian. Vali datio n of hybrid electric vehcle simulation so ftuar e J . Jo ur nal of sy st em simulatio n, 2009, 21( 2 : 380 384. 8 曾小華. 混合動力 客車節(jié) 能機理 與參 數(shù)設計 方法 研 究