基于CRUISE软件的混合动力汽车正向仿真平台的开发

1、第39卷 第6期吉林大学学报(工学版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.基金项目: 863 国家高技术研究发展计划项目(2006A A 11A184;国家自然科学基金项目(50705037.作者简介:王庆年(1952-,男,教授,博士生导师.研究方向:混合动力汽车关键技术,汽车轮胎力学,车辆通过性.E mail:w qn通信作者:曾小华(1977-,男,副教授,博士.研究方向:混合动力汽车关键技术.E mail

2、:zengx iaohua基于CRU ISE 软件的混合动力汽车正向仿真平台的开发王庆年,于永涛,曾小华,于远彬(吉林大学汽车工程学院,长春130022摘 要:为了开发混合动力汽车研发阶段正向的、模块化的仿真平台,以某型混合动力客车为例,基于正向建模的思想在正向式仿真软件CRU ISE 平台上搭建整车模型,并在M ATLAB/SIM ULINK 环境下完成了整车的并联式控制策略的建模。仿真结果证明,所开发的混合动力汽车正向仿真平台的正确性、多功能性及可靠性,对实现研发工具的平台性及提高初期研发效率,降低混合动力汽车的研发成本具有实际意义。关键词:车辆工程;混合动力汽车;正向仿真软件;CRUIS

3、E;MATLAB /SIMULINK;标准化;模块化;仿真平台中图分类号:U 469.7 文献标识码:A 文章编号: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,混合动力汽

7、车研发初期所应用的软件及方法很多,有早期的逆向仿真软件ADVISOR 或在SIM ULINK 环境下直接编程等1 4。国外更多应用SIMU LIN K 或正向仿真软件PSAT 等5 6,SIM U LINK 编程及调试周期长、通用性差;而PSAT 软件中具有的现有模型有限,更新吉林大学学报(工学版第39卷速度跟不上工程研究的需要,这些不足都阻碍了混合动力汽车的初期研发速度。 作者基于AVL 公司的正向仿真软件CRUISE 建立整车模型,在MA TLAB/SIU MLINK 或C 语言等环境下完成控制策略,真正为混合动力汽车研究阶段提供了正向的、模块化的仿真平台,不仅能提高研发效率,也对提高业内

8、交流及共同进步具有实际意义。1 技术方案概述首先利用正向仿真软件CRU ISE 来快速完成整车模型的搭建。然后在M AT LAB /SIM ULINK 环境下搭建整车标准化、平台化的控制策略。通过仿真手段从整车性能参数匹配设计、主要动力部件的瞬态控制及仿真、控制策略中主要性能参数优化方面来验证基于CRU ISE 软件的混合动力汽车正向仿真平台的可行性、通用性与便捷性。所要建立的混合动力客车的整车物理模型图和能量流动图分别如图1和图2所示。图1 客车的物理模型图Fig.1 Physical model ofHEB 图2 C RUISE 平台下的整车模型Fig.2 Full vehicle mod

9、el based on CRUISE在CRUISE 软件平台上,可以从模块库中直接拖拽部件模块来搭建整车模型,通过对属性的修改来快速完成整车模型的参数设定和部件间的机械连接和电气联接,重点是CRU ISE 与MAT LAB/SIM ULINK 平台的控制策略之间的信号联接,相当于整车与H CU 的通信一样,需要重点完成。!1414!第6期王庆年,等:基于CRU ISE 软件的混合动力汽车正向仿真平台的开发2 M A T LA B/SIM U LINK 环境下的控制策略建模2.1 建模原则(1控制模块与整车模型独立;(2建模清晰,便于阅读、修改(如子模块化,各种驱动模式独立分开;(3控制策略与实

10、车控制策略更接近(如各输入判断条件以实际能测量为准。2.2 驱动模式和输入、输出变量(1驱动模式设置为保证通用性,设置了12种驱动模式(包括停车、纯电动、滑行再生制动、发动机单独驱动、助力、充电、停车过渡过程、电机起动发动机、停车充电模式、换档、快速助力、制动,兼顾了混合动力轿车和客车,对于不同车型的特殊需要可以相应添加或减少模式的数量。(2输入参数和输出参数设置考虑到第(3条建模原则,便于与实车控制接近,设置了正向仿真平台必需的输入变量:加速踏板信号、发动机转速、实际车速、制动踏板信号、电池荷电状态、电机转速、实际档位、期望车速、变速箱输出轴的转速等等。输出变量包括:发动机的负荷信号、主电机

11、的负荷信号、副电机的负荷信号、整车的工作模式、期望的离合器工作状态、要求档位、换档标识等。同样,对于不同车型或特殊需要,可以在SIM ULINK 中在预留的输入输出端口直接加入或删减输入和输出变量,这样也保证了仿真平台的兼容性。2.3 标准化、模块化的控制策略平台介绍图3中1模块为输入,11模块为输出,3、4、5、6、7、8分别为扭矩分配模块、电机温度控制模块、离合器功能模块、电机主动同步换档模块、驱动功能模块、驻车功能模块。标准化、模块化的编辑控制算法,既便于调试,提高调试和仿真速度,同时也便于业内交流学习,能够避免类似于逆向仿真软件交叉性、复杂性在对部件或控制算法的部分修改时导致的不必要的

12、错误发生具有重要的作用。 图3 模块化的整车控制策略顶层模块Fig.3 Modelarized top layout of control strategy of full vehicle2.4 控制策略中驱动功能模块的控制算法流程图整车的控制策略控制算法流程图如图4所示。其中,驱动功能的控制模块为整个控制策略中的主要模块,其中分为加速、减速、匀速3种模式。!1415!吉林大学学报(工学版第39 卷图4 整车控制策略的控制算法流程图Fig.4 Processing chart of full v ehicle control strategy3 基于CRU ISE软件的正向仿真平台的优点对于实

13、际工程而言,在整车的设计开发初期,设计者最需要的是有一个可靠、方便、快捷、标准化的仿真平台,以便对设计概念车进行相对准确的预测计算,对于给定的整车参数,可以达到什么样的性能指标正是CRUISE软件的优势所在,但要明确的是CRUISE软件只提供通用性、平台性的整车模型,完整的研发仿真平台还需要通用的控制策略。在精度方面,与其他逆向仿真软件基本相同7;在实用性方面解决了以下三个较重要的问题。(1正向控制方面。例如ADV ISOR等其他逆向仿真软件的控制策略基本是循环工况 轮胎 主要动力部件,这相当于需求功率 实际功率的能量链,其中没有驾驶员模型,等同于没有加速踏板等信号,这就与实际车辆的控制差异很

14、大,而正向仿真软件CRU ISE中加入了COCKPIT驾驶员模型,满足了这一要求。(2瞬态控制方面。对于早期的逆向仿真软件,离合器基本包括分离、结合、滑转3种状态,而本文所提及的SIM ULINK环境下的整车控制策略中包括4种状态:起车、换档、停车、正常行驶。与CRUISE平台下的整车模型进行联合仿真,便可实现整车的瞬态控制。另外,在其他的车型中甚至可以加入发动机退出工作、发动机进入工作两种离合器工作状态,当离合器工作在换档状态下时,就可以对发动机、电机进行主动同步调速控制等动态控制。(3参数优化方面。CRU ISE环境下的整车模型是封闭的,对于用户只要修改属性中的整车参数,就可以完成所要设计

15、的车型,对于控制策略方面,只要对其中所关心的参数通过M文件进行修改,就可以直接进行优化计算,方便快捷,避免了逆向仿真软件的交叉性、复杂性导致的调试性差的缺点,提供一个真正可信且稳定可靠的仿真平台。4 仿真测试以客车在城市综合工况下为例,进行了以下3方面的仿真及分析。4.1 整车方面及主要动力部件的仿真图5为整车的实际车速、希望车速和驱动模式之间的仿真结果。可以看到整车实际车速与希望车速吻合得很好,在不同的车速下,驱动模式也都正确(注:在一个工况中不一定所有的驱动模式都出现才为合理。从图6中可以清晰看出,起车时,驱动模式为换档过程 电机快速助力 发动机图5 希望车速、实际车速和驱动模式Fig.5

16、 Requested velocity、actual vehicle velocity and drive model!1416!第6期王庆年,等:基于CRU ISE软件的混合动力汽车正向仿真平台的开发 图6 发动机、电池、电机与驱动模式Fig.6 Engine 、battery 、electrical motor and drive model单独驱动等,发动机及电机在换档模式时的转速控制都与实车的控制相接近,这说明CRU ISE 与SIM ULINK 结合建立的仿真平台与其他正向软件一样,不仅可以实时观测控制结果,还能从整体上仿真验证整车参数的匹配是否满足设计目标的要求8。设计者就可以根据

17、仿真结果进行某些主要的整车参数的重新设置,以达到整车性能要求的目标。仿真平台还可以进行如动力性、经济性及转弯等特性的测试。4.2 主要动力部件在换档过程中的瞬态仿真9由图7仿真结果可以得到,当离合器开始分离到完全分离的过程中,电机的负荷信号为0,电池的电流为0A,电池不供给电机能量,电机的转速维持不变;在离合器结合的过程中,发动机的转速降低,驾驶员根据加速的要求踩油门,此时发动机的负荷信号逐渐升高;图8为降档过程中的仿真结果,与升档类似,不予赘述。 图7 没有主动同步控制的升档仿真图Fig.7 Up shift simulation results without active and syn

18、chronizedcontrol 图8 没有主动同步控制的降档仿真图Fig.8 Down shift simulation results without active and synchronized control!1417! 1418 ! 吉林大学学报( 工学版 第 39 卷 图 9 升档时换档过程与主要动 力部件的仿真图 Fig. 9 Up shift simulation results with active and synchronized control 图 10 降 档时换档过程与主要动力部件的仿真图 Fig. 10 Down shift simulation results

19、 with active and synchronized control 图 9 中, 当离合器开始分离到完全分离的过 程中, 发动机和电机的负荷信号都为 0, 电池的电 流为 0, 都不参与工作; 从离合器完全分离到开始 接合的过程中, 发动机不参与工作, 负荷信号仍旧 为 0, 由于升档降速, 电机根据目标转速将电机的 实际转速调低, 电机的负荷信号为- 1, 全力降速, 电池的电流逐渐减小, 直至离合器开始接合, 主动 同步调速完成; 在离合器接合的过程中, 电机的负 荷信号为 0, 不参与调速, 保留传统车的由驾驶员 来控 制行车的习惯, 这时只 有发动机单独工作。 图 10 的降档

20、过程与升档分析类似。 能够对瞬态过程进行分析的功能充分说明所 开发的平台能够在进行正向仿真的同时, 还可以 对动态过程的主要动力部件进行人为干预, 可以 对控制结果进行观测及调试, 与实际车辆的调试 极为接近, 充分体现了此正向仿真平台的实用性。 4. 3 控制策略中主要性能参数的优化仿真 一般所要优化的主要参数有 SOC 的上下限 图 11 Fig. 11 SOC 上下限值与百公里油耗之间的关系 Relationship between SOC up and down limited values and L/ 100 km 图 12 SOC上下限 值与 SOC 变化量之间的关系 Fig.

21、12 Relationship between SOC up and down limited values and SOC 第6期 王庆年, 等: 基于 CRU ISE 软件的混合动力汽车正向仿真平台的开发 ! 1419 ! 值, 纯电动门限值车速, 发动机的最大、 最小转矩系 数等, 本文主要以参数 SOC 为例论述。 图 11 中, 4 个曲线重合说明整车控制策略城 市综合工况而言, SOC 的上下限值对未校正的油 耗没有影响。从 图 12 中可以看 到, SOC 的上下 限值对 SOC 的变化量影响是不同的, 即控制过程 中, 电机起着辅助的驱动作用; 从优化控制结果可 知, 在整个工

22、况中尽量选择变化小的 SOC, 仿真 结束后, SOC 保持在较高水平上, 故 SOC= 0. 5 0. 9, 可见这个仿真平台可以实现优化控制。其他 参数的优化仿真, 作者在与 FAW 的合作项目中 都已完成。一般情况下, 优化工作在某些优化软 件上才能进行, 而本文所开发的平台能够对设计 者所关心的主要参数进行有效的优化, 这又一次 证明了所开发平台的实用性。 综上, 对应于预先制定的控制策略和控制逻 辑, 仿真结果给与了充分的验证。而且只要对输 入、 输出的变量及参数中某几个进 行改动, 再在 CRUISE 软件上对部件的参数进行重新输入, 就 可以完成一个完整的正向的整车仿真模型。从而

23、 证明了 本 文提 出 的 基 于 CRUISE 整 车 模型 和 MAT L AB/ SIM UL INK 控制策 略结合的 混合动 力汽车正向仿真平台具有通用性、 多功能性及实 用性。 2 王伟华. 并 联混 合动 力汽 车的 控 制 D . 长春: 吉 林 大学汽车工程学院, 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 张欣

24、, 李国岫, 宋建锋, 等. 并联式混合动力汽车多 能 源动力总成 控 制单 元的 研 究与 开发 J . 高技 术 通 讯, 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 王庆年, 曾小华, 王伟 华. 混合动 力技 术在军 用汽 车 上的应用 J . 吉林大 学学 报: 工学 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 王庆 年, 刘志 茹. 混 合动 力汽 车的 正向 建模 与仿 真 J . 汽车工程, 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 于永涛, 曾小华, 王庆年, 等. 混合动力汽车性能仿 真 软件的可用性仿真验证 J . 系统仿真学 报, 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 曾小华. 混合动力 客车节 能机理 与参 数设计 方法 研 究