引言
環(huán)境保護(hù)部最近發(fā)布的《2013年中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)》顯示，機(jī)動(dòng)車的尾氣排放已成為我國(guó)空氣污染的重要來(lái)源。混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)車是當(dāng)前改善或解決汽車尾氣污染的一個(gè)行之有效的方法之一。計(jì)算機(jī)仿真是研究混合動(dòng)力汽車的重要手段，有利于縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。目前，國(guó)內(nèi)外研究者研究混合動(dòng)力汽車使用的計(jì)算機(jī)仿真軟件主要有CRUISE、CarSim、PSAT和ADVISOR，其中ADVISOR是在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下采用模塊化的編程語(yǔ)言，最大的優(yōu)點(diǎn)在于其代碼完全公開(kāi)，便于使用者自主掌握和二次開(kāi)發(fā)。ADVISOR是由美國(guó)NationalRenewableEnergyLaboratory開(kāi)發(fā)，采用后向仿真為主、前向仿真輔助的混合仿真方法，主要可以實(shí)現(xiàn)車輛總成參數(shù)匹配與優(yōu)化、車輛動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性仿真分析、車輛能量管理策略評(píng)價(jià)等功能。但是，ADVISOR軟件也有自身的缺陷，它提供的汽車仿真模型是有限的，只適合于單軸前輪驅(qū)動(dòng)的車輛仿真。本文針對(duì)某后輪驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力城市客車，以MATLAB/SIMULINK為平臺(tái)，利用其開(kāi)放的代碼和內(nèi)部通用的子模塊，對(duì)ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立整車仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，為該車的`研制提供了有力的依據(jù)。
1 ADVISOR混合動(dòng)力仿真系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)
1.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
文中所研究的混合動(dòng)力汽車是一后輪驅(qū)動(dòng)的城市公交車，其動(dòng)力系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。動(dòng)力系統(tǒng)中采用了ISG電機(jī)，ISG是起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)，在混合動(dòng)力汽車有較多的應(yīng)用。動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式，如：1)在車輛起步或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，且蓄電池的荷電狀態(tài)SOC值大于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由蓄電池組給ISG電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛;2)當(dāng)車輛在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高，蓄電池組停止工作，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛;3)當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)能提供的轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與蓄電池組同時(shí)工作，共同提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛;4)車輛在怠速、制動(dòng)、下坡時(shí)，機(jī)械能經(jīng)ISG電機(jī)產(chǎn)生電能并存儲(chǔ)于蓄電池組中。
1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的二次開(kāi)發(fā)
混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的是后輪驅(qū)動(dòng)形式，而ADVISOR軟件原有的仿真模型只有前輪驅(qū)動(dòng)，差異性較大。為了達(dá)到研究目的，因此需要對(duì)ADVISOR中相關(guān)的仿真模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
ADVISOR中前驅(qū)仿真模型的建立思路是，首先建立并求解出車輛在坡度路面的動(dòng)力學(xué)方程，再依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程創(chuàng)建SIMULINK模型。下面對(duì)坡度路面的后輪驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行受力分析，如圖2所示，假設(shè)此時(shí)車輛是極限附著，車輛初始速度為V0，在最大附著力Fmax下產(chǎn)生的最大末速度為Vt。其中，F(xiàn)W、Ff、Fi分別是車輛所受的空氣阻力、滾動(dòng)阻力和坡度阻力，F(xiàn)n是驅(qū)動(dòng)輪所受的垂直載荷。
1.3 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略模型設(shè)計(jì)
ADVISOR中的部分模型是以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的穩(wěn)態(tài)模型，仿真效果不佳;并且本文研究的仿真車輛的控制策略與ADVISOR中現(xiàn)有的控制策略不同。因此，在此需要對(duì)控制策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于車輛本身是一個(gè)非線性系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的PID控制，需要將非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化，控制器的設(shè)計(jì)很費(fèi)時(shí)間。故文中并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛采用的是模糊邏輯控制，主要利用車輛的踏板開(kāi)度、車速和SOC之間的關(guān)系作為動(dòng)力分配的主要依據(jù)，經(jīng)過(guò)模糊邏輯動(dòng)力分配控制器模組，使發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)的動(dòng)力保持最佳分配。
2 仿真與結(jié)果分析
在進(jìn)行ADVISOR仿真分析時(shí)，選擇不同的道路循環(huán)工況會(huì)較大的影響仿真結(jié)果。為了讓仿真分析更趨近實(shí)際情況，本文將中國(guó)城市公交典型工況導(dǎo)入ADVISOR，并選用該工況對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能仿真分析。圖7是中國(guó)城市公交典型工況圖。由于該工況下的仿真車速上限是60km/h，因此在進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)最高車速仿真時(shí)，又選擇了美國(guó)環(huán)境保護(hù)署城市道路循環(huán)工況CYC-UDDS進(jìn)行車速仿真。
3 結(jié)論
1)本文充分利用了ADVISOR軟件代碼開(kāi)放的特性，在其現(xiàn)有仿真模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)建立了混合動(dòng)力客車的后驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)模型和控制模型，并將中國(guó)城市公交典型工況導(dǎo)入ADVISOR，這使仿真研究與實(shí)際工況更加吻合。
2)仿真結(jié)果表明，所建立的動(dòng)力系統(tǒng)和控制策略能夠較好的仿真該混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，且與原車型相比，混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性提高較明顯，動(dòng)力性能也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這為混合動(dòng)力汽車的實(shí)用化、產(chǎn)量化提供了技術(shù)支持，減少了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本。
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