蔡嘯霄，嚴(yán)運(yùn)兵

（武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

基于CRUISE的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)電動(dòng)優(yōu)先混合控制策略仿真

蔡嘯霄，嚴(yán)運(yùn)兵

（武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

針對(duì)一款開(kāi)發(fā)中的混聯(lián)式混合動(dòng)力轎車(chē)，在分析其布置形式與工作模式的基礎(chǔ)上，提出電動(dòng)優(yōu)先的混合控制策略，搭建基于CRUISE的整車(chē)仿真模型，用C語(yǔ)言編寫(xiě)了電動(dòng)優(yōu)先混合控制策略，利用C－function模塊將其嵌入到CRUISE模型中進(jìn)行耦合仿真，并對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)價(jià)，驗(yàn)證控制策略的可行性；結(jié)合目標(biāo)車(chē)型的期望性能，對(duì)仿真車(chē)型動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配，為實(shí)車(chē)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。結(jié)果表明，控制策略達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)且合理適用。

CRUISE仿真軟件；混合動(dòng)力轎車(chē)；動(dòng)力匹配；電動(dòng)優(yōu)先混合控制

隨著全球石油資源日益枯竭、國(guó)家節(jié)能減排任務(wù)加重以及汽車(chē)保有量擴(kuò)大所帶來(lái)的污染日趨嚴(yán)重，尋找清潔的替代能源已成為未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題。各國(guó)在制定更加嚴(yán)格的節(jié)能減排政策和排放法規(guī)的同時(shí)，也在不遺余力地進(jìn)行電力、氫動(dòng)力等新能源汽車(chē)及燃料電池的研發(fā)工作。

盡管電氣化和零排放是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主要方向，但就目前情況來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車(chē)的推廣還存在安全問(wèn)題和充電樁架設(shè)缺口問(wèn)題，而油電混合動(dòng)力汽車(chē)已經(jīng)有了較成熟的技術(shù)，并已擁有相當(dāng)規(guī)模的市場(chǎng)。作為兼顧電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)的新一代汽車(chē)結(jié)構(gòu)型式，油電混合動(dòng)力汽車(chē)由于在環(huán)保和節(jié)能方面優(yōu)勢(shì)明顯，且動(dòng)力性接近于傳統(tǒng)汽車(chē)，生產(chǎn)成本也低于純電動(dòng)汽車(chē)而日益受到汽車(chē)工業(yè)界的重視，近年來(lái)已成為世界上各大汽車(chē)公司和開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)［1］。

CRUISE仿真軟件是奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司（AVL List Gmb H）開(kāi)發(fā)的研究汽車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的仿真分析軟件，它采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以對(duì)任意結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，可用于汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中動(dòng)力系統(tǒng)的匹配、汽車(chē)性能預(yù)測(cè)和控制策略模擬，還可用于混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化。目前CRUISE結(jié)合AVL公司旗下其他軟件在傳統(tǒng)汽車(chē)基礎(chǔ)上研發(fā)新型動(dòng)力總成和模擬測(cè)試方面有著舉足輕重的地位，而對(duì)于新能源汽車(chē)方向尚未過(guò)多涉足。本文選擇一款開(kāi)發(fā)中的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行匹配，在CRUISE環(huán)境中建立仿真模型并對(duì)相關(guān)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 目標(biāo)車(chē)型布置與期望性能

目標(biāo)車(chē)型采用混聯(lián)方案，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置如圖1所示。系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)同軸布置，發(fā)動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)組和電動(dòng)機(jī)分別布置在離合器兩側(cè)。整車(chē)的期望性能如下：0～100 km·h－1加速時(shí)間為12 s；最高車(chē)速為160 km·h－1；純電動(dòng)續(xù)駛里程為25 km。

圖1 目標(biāo)車(chē)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置Fig.1 Drivetrain configuration of target vehicle

2 電動(dòng)優(yōu)先混合控制策略的制定

為達(dá)到期望的性能指標(biāo)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及電池組進(jìn)行功率匹配。功率匹配除了與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置有關(guān)外，還受動(dòng)力系統(tǒng)工作模式及能量分配策略等方面因素的影響。

根據(jù)圖1的系統(tǒng)布置，整個(gè)行駛模式主要分為以電動(dòng)機(jī)為主的電量消耗模式和以發(fā)動(dòng)機(jī)為主的滑行與充電模式。在電池荷電狀態(tài)（SOC）充足的情況下，車(chē)輛主要運(yùn)行在電量消耗模式，主要包括純電動(dòng)模式、混合動(dòng)力模式和制動(dòng)再生模式等子模式。當(dāng)電池SOC降至一定范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)行模式為以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)電機(jī)發(fā)電為主的滑行與充電模式，即當(dāng)電池電量降到一定水平需要充電時(shí)，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)電池進(jìn)行充電。

結(jié)合上述工作模式分析，本文采用了電動(dòng)優(yōu)先混合控制策略，即循環(huán)工況開(kāi)始，車(chē)輛首先以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車(chē)輛起步，電池SOC值由設(shè)定最大值開(kāi)始下降。電池SOC值下降至設(shè)定最小值之前，以電動(dòng)機(jī)工作為主，發(fā)動(dòng)機(jī)工作為輔：①當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)所需全部轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作；②當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩區(qū)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，補(bǔ)充不足部分轉(zhuǎn)矩，并控制發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)。電池SOC下降至小于設(shè)定最小值后，電動(dòng)機(jī)先關(guān)閉，停止耗電，再轉(zhuǎn)為以發(fā)動(dòng)機(jī)工作為主，電動(dòng)機(jī)工作為輔：①當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作在最優(yōu)曲線(xiàn)上，多余轉(zhuǎn)矩經(jīng)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存于動(dòng)力電池中；②當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，則電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。整個(gè)控制過(guò)程中電池SOC在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的小范圍內(nèi)上下波動(dòng)，以保護(hù)電池不會(huì)過(guò)度放電。

上述各種工作模式的切換以電池SOC、需求轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)踏板ON／OFF等為觸發(fā)條件。

3 CRUISE整車(chē)建模與仿真

CRUISE的應(yīng)用可以貫穿到整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)。作為總成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的一種細(xì)化，零部件匹配設(shè)計(jì)可對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要零部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電池及相關(guān)的控制和管理系統(tǒng)）的技術(shù)參數(shù)提出設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行相關(guān)的組合匹配，對(duì)車(chē)輛的控制策略進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，根據(jù)控制策略以及車(chē)輛的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定零部件的具體參數(shù)并對(duì)基本控制策略進(jìn)行驗(yàn)算。

參考驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置，利用CRUISE軟件中所提供的圖形化操作界面，可以從各大模塊組中選擇合適的模塊，構(gòu)建出系統(tǒng)框圖，得到如圖2所示的CRUISE整車(chē)模型。模型中包含整車(chē)模塊、駕駛員模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、變速箱模塊、離合器／電控離合器模塊、發(fā)電機(jī)／電動(dòng)機(jī)模塊、電池模塊、主減速器／差速器模塊和輪胎／制動(dòng)模塊以及各種工況所對(duì)應(yīng)的控制策略模塊［2－3］。

圖2 CRUISE仿真模型Fig.2 Simulation model in CRUISE

CRUISE可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛循環(huán)油耗（針對(duì)不同的循環(huán)工況）、等速油耗（任意檔位和車(chē)速下）、穩(wěn)態(tài)排放、最大爬坡度（驅(qū)動(dòng)防滑ON／OFF）、最大牽引力（牽引功率）、最大加速度、最高車(chē)速、原地起步連續(xù)換檔加速、超車(chē)加速性能（直接檔加速性能）、車(chē)輛智能巡航控制和制動(dòng)／反拖／滑行等一系列車(chē)輛性能的計(jì)算分析［4］，在基于傳統(tǒng)車(chē)輛模型的基礎(chǔ)上可以快速搭建純電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力車(chē)輛模型，并可通過(guò)與Matlab或C語(yǔ)言的接口實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制策略的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。本文選擇C語(yǔ)言對(duì)目標(biāo)車(chē)型的控制策略進(jìn)行了編程，并嵌入到C－Function模塊中。經(jīng)過(guò)性能仿真與優(yōu)化，得到該車(chē)型主要部件的匹配結(jié)果如表1所示。

表1 零部件匹配參數(shù)Table 1 Vehicle parameters

為了客觀地評(píng)價(jià)整車(chē)控制策略，在CRUISE仿真環(huán)境下于Task Folder的Cycle Run中分別選擇UDC（歐洲城市工況）、FTP75（美國(guó)城市工況）和NEDC（新歐洲循環(huán)工況）3種行駛循環(huán)工況進(jìn)行分析，各工況均包含市區(qū)低速工況和郊區(qū)高速工況，主要測(cè)試系統(tǒng)以電池SOC和電動(dòng)機(jī)為主導(dǎo)的控制模式下車(chē)輛是否能滿(mǎn)足工況需求。

進(jìn)入Calculation Center開(kāi)始仿真，得到各種循環(huán)工況的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 循環(huán)工況仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of driving cycle

仿真結(jié)束后在Energy Flow Graphics中可以按仿真步長(zhǎng)方式復(fù)現(xiàn)整個(gè)仿真流程。以NEDC循環(huán)工況為例，仿真車(chē)輛的工況參考速度與實(shí)際速度對(duì)比如圖3所示。由圖3中可以看出，仿真車(chē)型的實(shí)際速度與工況參考速度誤差控制在5%以?xún)?nèi)，符合控制策略預(yù)期要求。

圖3 目標(biāo)車(chē)速與實(shí)際車(chē)速對(duì)比圖Fig.3 Comparison of desired velocity and current velocity

圖4所示為所模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作曲線(xiàn)。圖5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的仿真結(jié)果（顏色越深表明發(fā)動(dòng)機(jī)所在工作區(qū)間的時(shí)間歷程占整個(gè)仿真時(shí)間的比率越大）。由圖5中可知，除怠速階段外，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)大體符合預(yù)期控制策略規(guī)定。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線(xiàn)Fig.4 Optimal operating curves of the engine

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of engine operating points

在Task Folder中繼續(xù)添加Constant Driving和Climbing Performance任務(wù)可對(duì)仿真車(chē)型的動(dòng)力性如百公里加速時(shí)間、純電動(dòng)續(xù)駛里程等進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，所得結(jié)果與目標(biāo)車(chē)型性能對(duì)比如表3所示。由表3中可見(jiàn)，仿真結(jié)果與目標(biāo)值誤差在5%以?xún)?nèi)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

表3 仿真車(chē)型與參考車(chē)型動(dòng)力性對(duì)比Table 3 Power comparison of simulation vehicle and referred vehicle

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合目標(biāo)車(chē)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置，對(duì)其工作模式進(jìn)行了分析，并制定了電動(dòng)優(yōu)先的混合控制策略，為整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配奠定了基礎(chǔ)。在CRUISE環(huán)境中搭建了與目標(biāo)車(chē)型對(duì)應(yīng)的仿真模型，并利用CRUISE的功能對(duì)目標(biāo)車(chē)型動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配，為油電混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)提供了參考依據(jù)。對(duì)電動(dòng)優(yōu)先混合控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明控制策略達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)且合理適用。

［1］ 康龍?jiān)?電動(dòng)汽車(chē)最新技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 姜海斌，黃宏成.CRUISE純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能仿真及優(yōu)化［J］.機(jī)械與電子，2010（4）：4－6.

［3］ 王保華，羅永革.基于CRUISE的汽車(chē)建模與仿真［J］.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）：2－3.

［4］ 趙海峰.基于CRUISE軟件的AMT車(chē)輛性能仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2005.

Simulation of a motor－prior control strategy for a series／parallel HEV based on CRUISE

Cai Xiaoxiao，Yan Yunbing
（College of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

A motor－prior control strategy for a series／parallel HEV in development was proposed through an analysis of the characteristics of its layout and working modes.By creating the HEV model in CRUISE and transforming the control strategy into C language，a co－simulation was performed with CRUISE and C－function module.The result shows that it is able to evaluate and optimize the control strategy and verify its feasibility.On this basis，it offers a match for the powertrain system of simulation model according to the desired performance of target vehicle，and provides a reference to real car design.

CRUISE；HEV；powertrain match；motor－prior control strategy

U469.72

A

1674－3644（2012）04－0304－04

［責(zé)任編輯 鄭淑芳］

2011－12－01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61074036）.

蔡嘯霄（1987－），男，武漢科技大學(xué)碩士生.E－mail：caixiaoxiao.jlu＠gmail.com

嚴(yán)運(yùn)兵（1968－），男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E－mail：yyb＠wust.edu.cn