混合动力电动汽车性能仿真软件研究与开发

1、第2卷第1期2002年3月交通运输工程学报Journal of T raffic and T ranspo rtation EngineeringV o l 12N o 11M ar .2002收稿日期:2001211215作者简介:陈晓东(19742,男,江苏无锡人,江苏大学博士生,从事混合动力汽车匹配研究.文章编号:167121637(20020120114204混合动力电动汽车性能仿真软件研究与开发陈晓东,何仁,杨正林(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013摘要:介绍了国内外混合动力电动汽车仿真软件的现状,对由美国能源部可再生能源实验室开发的ADV ISO R 311仿真软件进

2、行了阐释,并对其建模方法和仿真步骤进行了分析,以作为中国混合动力电动汽车性能仿真软件开发研制之鉴。关键词:混合动力电动汽车;性能;仿真中图分类号:U 46917;U 495文献标识码:AD evelopm en t of hybr id electr ic veh icles (HEV performancesi m ula tion sof twareCH EN X iao 2d ong ,H E R en ,YA N G Z heng 2lin(Schoo l of A u tomob ile and T raffic Engineering ,J iangsu U n iversity

3、,Zhen jiang 212013,Ch ina Abstract :T he developm en t situati on of si m u lati on softw are fo r hyb rid electric veh icle isp resen ted .T he ADV ISO R 311develop ed by N ati onal R enew ab le Energy L abo rato ry (U SA is discu ssed ,its m odeling m ethod and si m u lati on p rocess are analyzed

4、 ,w h ich w ill be help fu l fo r the developm en t of ch inese si m u lato r of H EV p erfo rm ance .Key words :hyb rid electric veh icle ;p erfo rm ance ;si m u lati onAuthor resu m e :CH EN X iao 2dong (19742,m ale ,a docto ral studen t of J iangsu U n iversity ,engaged in research of m atch ing

5、of H EV s driveline .当前,环境与可持续发展已经成为整个世界关注的焦点。汽车排放被认为是一个主要的集中污染源,尤其是在城市。虽然汽车史上也曾经出现过电动汽车、代用燃料汽车等,但由于技术和成本等原因,内燃机汽车仍保持其主导地位。于是,人们开始考虑可选择的汽车驱动系统,并且已成为可实现的产品,混合动力电动汽车就是这种新型驱动系统的产物。混合动力驱动系统集成传统内燃机车和电动汽车的驱动系统,具有比传统汽车更高的燃油经济性和更低的排放,以及在规定范围实现零排放(纯电动模式又克服了电动汽车续驶里程短的缺点。所以,混合动力电动汽车又被称为“准绿色”清洁汽车1。混合动力电动汽车作为一种新

6、技术,在发达国家已经日益成熟,有些已经进入实用阶段。1997年10月,全球首辆商业性混合动力型汽车“PR I U S ”由日本丰田公司研制成功。同年,美国政府与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司三大车商合作,实施新型汽车合作计划(PN GV ,制定了混合动力电动汽车开发计划,目标是2002年进行试验性推广,2004年全面商业化生产。进入20世纪90年代,中国对汽车节能和排放的问题也日益重视,发展电动汽车成为国家汽车工业科技发展的战略之一。继“八五”国家组织对电动汽车关键技术的研究后,中国将混合动力电动汽车列入了“十五”计划,主要研究内容有发动机、电动机、蓄电池等各种单元技术;各系统的电子控制

7、技术和整车的动力系统优化与控制技术,实现节省燃料50%,排放下降80%;制动能量回收技术,应能回收制动能量的30%。这也就揭开了中国发展混合动力电动汽车序幕。1混合动力电动汽车仿真技术现状在研究和开发混合动力电动汽车,选择部件和最佳结构时,需要设计和制造者能够很快地缩小研究范围,找到技术的突破口。系统仿真通过建立有效的计算机模型,使得在技术方案的选择阶段能够对各个候选子系统进行替换研究,从而简化了原先需要准备各种规格的候选子系统的工作。在技术方案选择阶段,系统分析依靠高效的建模工具计算机,能够通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计

8、参数,从而方便了设计者的工作,而且还有助于为样车的制造和试验提供工程目标。国外早在1970年就开始研究对H EV的建模和仿真。目前,国外用于混合动力电动汽车的仿真软件很多,如ADV ISO R、M A RV EL、JANU S、S I M PL EV、CarSi m、HV EC、CS M H EV、V2E lp h 等,另外,各大汽车生产厂家也有各自的仿真软件。在众多的汽车仿真软件中,ADV ISO R是专门为帮助美国能源部(DO E管理混合动力电动汽车计划(PN GV而开发的混合动力电动汽车仿真软件。ADV ISO R通过简单的物理模型,采用经过性能测试的各总成去建立实际的或想象的汽车模型。

9、它的主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测,它能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数:加速和爬坡性能、燃油经济性、排放性能等2。在计算机技术比较发达的今天,建立数学模型并利用计算机对实际情况进行仿真分析,不仅便于灵活地调整设计方案,优化设计参数,而且可以降低科研费用,缩短开发周期。在中国,基本上还没有较系统和成熟的混合动力电动汽车仿真软件,考虑到对混合动力电动汽车缺少实际设计经验,而且试制样车的费用也比较昂贵,所以从高校及科研单位的角度,运用驱动系统模型和仿真技术来研究混合动力电动汽车是切实可行的,这也是中国混合动力电动汽车研究的一个方向。本文通过介绍ADV ISO R311仿真软件的建

10、模方法和仿真技术,为中国有志于该研究方向的业内人士提供借鉴和帮助。2建模方法3ADV ISO R311是美国国家可再生能源实验室最新版本的汽车仿真软件,它是以M A TLAB Si m u link为平台开发的,其中包括一系列模型、数据和描述文本文件。该仿真软件可对传统的、纯电动的和混合动力电动汽车的性能和经济性进行快速分析。ADV ISO R最早开发于1994年11月,它是为帮助美国能源部(DO E管理混合动力电动汽车计划而开发的混合动力电动汽车仿真软件,目前已发展到311版本。该软件的特点是精确、快速、灵活、易共享和使用方便,通过大量的实践被证实具有较好的实用性。ADV ISO R根据汽车

11、动力传动系统各总成的性能来估算给定行驶循环工况下汽车的动力性、燃油经济性和排放。ADV ISO R采用逆向和正向相结合的仿真方法。逆向仿真法是假设汽车满足要求的行驶循环轨迹,从而来反推传动系各个总成应该如何执行。这种方法的优点是不需要驾驶员模型,可以仅通过迭代法来预测汽车的各项性能。而正向仿真法需要有驾驶员模型来模拟油门开度和制动信号,以使汽车的行驶循环轨迹与要求的循环轨迹相吻合。油门开度信号被转化为转矩传递给传动系,最终被转化为汽车的驱动力和车速。正向仿真法在计算整车性能方面要比逆向法好,但是当行驶循环时间大于10m in 时,其计算速度非常慢。ADV ISO R的这种逆向和正向结合的仿真法

12、主要还是以逆向法为主,附加了一些简单的正向仿真计算,在整个仿真过程中,需要遵循以下两个假设:(1传动系统中任何总成不可能从与其直接连接的、为其提供动力的上级总成获得超出其使用需要的能量,例如:驱动车轮需要电机提供30k W的功率,那么电机从发电机或电池所获得的功率也就是30k W,发电机或电池不会给电机提供大于30 k W的功率。(2无论在正向或逆向仿真时,同一总成的效率相同。图1串联式混合动力电动汽车仿真模型程序框图F ig.1B lock diagrams top level of series H EV si m ulati on model作者以串联式混合动力电动汽车的模型为例,图1是

13、在M A TLAB Si m u link环境下ADV ISO R311仿真串联式混合动力电动汽车的程序框图。图中,箭511第1期陈晓东,等:混合动力电动汽车性能仿真软件研究与开发头表示数据流向及整车传动系统能量的流向,方框表示传动系各个总成的仿真模块。在该程序框图中,包含以下模块:行驶循环模块(drive cycle、车身模块(veh icle、车轮和车轴模块(w heel and ax le、主减速器模块(final drive、变速箱模块(gearbox、电动机控制模块(m o to r con tro ller、动力总线模块(pow er bu s、发电机模块(generato r、发

14、动机模块(fuel conveter、蓄电池模块(energy sto rage、尾气排放模块(exhau st sys,每个模块都由Si m u link仿真工具箱中的各仿真元件(如求和模块、乘积模块等或这些元件的组合构成。另外,图中箭头从左到右表示是逆向仿真法建模的部分,其传递的数据为需要动力传动系中上级总成提供的转矩、转速或功率等。而图中箭头从右到左形成一个回路表示是正向仿真法建模的部分,其传递的数据为能够从动力传动系上级总成获得的转矩、转速或功率等。例如“变速箱”模块与“电动机”模块之间,箭头为从左到右的部分属于逆向建模部分,其传递的是变速箱要求电动机提供的转矩、转速和功率,而箭头从右

15、到左的回路表示是正向建模部分,其传递的是变速箱能够从电动机获得的转矩、转速、驱动力和电能等。在仿真过程中,按照计算的步骤,先计算逆向模型的结果,即各个变量的需要值;然后计算正向模型的结果,即各个变量的可能值。ADV ISO R的各个总成模块可以很容易地扩充和改进,各个模块可以随意地组合使用。例如,只须修改图1中部分模块间的数据传递路线,用户可以很快地定义一辆并联式混合动力电动汽车。另外,用户也可以根据自己的需要,通过修改已有的总成模型建立自己相应的总成模块或者建立新的模型,来定义设计者需要的汽车模型。3混合动力电动汽车性能仿真ADV ISO R通过人机界面(GU I使得用户在进行仿真时便于操作

16、,并能够提供各种仿真结果。在ADV ISO R中主要有3个GU I,通过它们,用户输入要仿真的车型和各种相关参数,选择仿真的试验方案和目标要求,然后运行计算,最后得到仿真结果。下面介绍如何定义汽车、运行仿真和结果显示。311仿真输入界面3个GU I界面的布局基本相同,屏幕的左侧是汽车的图象信息,在右侧窗口,用户可以设定汽车的各种参数和需要显示的内容,并可控制ADV ISO R 下一步的运行。例如,图2中汽车定义界面所示是一辆串联式混合动力车,从界面左上方的汽车结构示意图中,你可以看到整个驱动系统的组成结构以及能量的流动方向。当然,根据你不同的选择,在该位置会显示不同的驱动系统构造图(可以是传统

17、的、串联式、并联式或纯电动。在左下方,显示驱动系统不同总成的性能,例如,用户可以选择显示发动机或电机的效率曲线、蓄电池的性能等。在界面的右方,是汽车驱动系统结构形式以及驱动系统各个总成类型的选择界面。用户通过选择装载不同的数据文件, 来定义被仿真车辆。图2ADV ISOR311仿真输入界面F ig.2ADV ISOR311s si m ulati on inputs GU I在该区域的左下方,用户还可以对已定义好的汽车的各个参数进行修改,方便了用户对整车参数的设置。然后,用户可以将定义好的汽车保存为由用户自己命名的文件中,以便在下次仿真时可以直接调用。最后,用户点击“con tinue”,进入

18、下一界面 仿真设置界面。图3ADV ISOR311仿真设置界面F ig.3ADV ISOR311s si m ulati on setting GU I312仿真设置界面第二个GU I界面是仿真设置界面(图3,这个界面主要也分成两个区域,右半边为仿真条件的设611交通运输工程学报2002年置,左半边为对应所选择的行驶循环轨迹曲线。用户可以选择按某个行驶循环工况或试验程序进行仿真,并能够进行爬坡和加速试验。此外,用户还可对汽车仿真初始状态进行设置,如温度、荷电状态等。当完成设置以后,点击“RU N ”进行仿真。313仿真输出界面图4为仿真输出界面, 这个界面也分为两个区域,左侧为仿真结果的曲线表

19、示,右侧除了显示汽车的燃油经济性、排放、加速性、爬坡性等仿真结果数据外,还可以选择需要在左侧区域显示的仿真曲线。此外,该界面还能显示整车驱动系统能量传递和使用效率等情况。图中显示的是行驶循环轨迹、蓄电池荷电状态、排放和整车传动比的仿真曲线,根据不同需要可显示不同的量。图4ADV ISOR 311仿真输出界面F ig .4ADV ISOR 311s si m ulati on outputs GU I4结语ADV ISO R 311是以M A TLAB Si m u link 为开发平台的,结合了逆向 正向建模法的先进汽车仿真软件。软件中所有的模型和算法都经过了N R EL 的检验,它具有准确、快速、灵活、实用和使用方便等特点。目前,笔者已经完成了对该软件的汉化工作,并且运用该软件对江苏大学研制的串联式混合动力城市公交汽车(ZJK 6700H EV 进行了仿真,取得了满意的结果,再一次证实该软件的可靠性。通过对ADV ISO R 311仿真软件的学习,也为开发自己的混合动力电动汽车仿真软件提供了思路和借鉴。在以后的仿真技术的研究与软件开发中,应该遵循以下