混合动力轿车控制策略的仿真

混合动力轿车控制策略的仿真!张翔!钱立军!张炳力等

计算机应用

混合动力轿车控制策略的仿真

张翔!钱立军!张炳力!赵韩

%合肥工业大学机械与汽车工程学院!安徽合肥+5***F&

摘要!介绍了国家’G75(计划中)十五(重大专项电动汽车项目!采用的电动汽车仿真软件"#$%&’(+**+!并对国内某一混合动力轿车样车的控制策略进行建模与仿真的研究工作"该车与本田公司的混合动力轿车%-./012的动力系统结构相同!但是采用了不同的控制策略!因此在分析"#$%&’(的%-./012模型的基础上!重新设计控制策略模块并进行仿真!给出了结果和改进方案"

关键词!电动汽车*混合动力汽车*控制策略*仿真中图分类号!3H5"I=7F!,,*!+

文献标识码!"

文章编号!,**<J+<<K#+**=$*<J**+FJ*=

控制策略是混合动力轿车的灵魂!它根据汽车行驶过程中对动力系统的能量需求!动态分配发动机和电机系统的输出功率!使发动机尽量工作在最优工作区!从而达到降低能耗!改善排放的目的"通过仿真方法来辅助设计控制策略是当前混合动力轿车的开发趋势!它可以减少实验次数!加快开发进度"本文将介绍应用美国可再生能源实验室的电动汽车仿真软件"#$%&’()**+#,$仿真国内某一汽车企业的混合动力轿车样车的控制策略的研究工作"

收稿日期!+**=J*+J,F%修回日期!+**=J*5J,<

基金项目!国家)G75(计划!)十五(重大专项电动汽车资助项目%+**+""<*,5,*&

作者简介!张翔%,F6,J&!男!湖北!合肥工业大学副研究员!博士!从事电动汽车仿真方向的研究工作+

!混合动力轿车的模型

该混合动力轿车与日本本田公司的混合动力轿

车%-./012#+$的动力系统结构相同!采用3456789汽油机和,*:;直流永磁电机作为双能源!汽油机和电机同时连接到传动轴上!它们的转速相同"其中!电机同时具有电动机和发电机的功能"根据汽车的不同工况来辅助驱动或再生发电"配置为前轮驱动!手动<挡变速器!采用,==$镍氢电池组"

由于与%-./012的动力系统结构相同!所以该混合动力轿车的模型以"#$%&’(中%-./012模型为基础!重新设计了控制策略模块!同时修改了%-./012的发动机控制模块%>-0/->?-&和发动机模块%@A>B

C?-D>E2>E!燃料转换器!简称@C&的控制参数!其他模

件!合计+*美元!车!按,美元NGO7元%人民币&的汇率计算!折合,6+元!车*研制出的粉末冶金球头装车价

"

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

研制结果

%,&研制出的上,下球头的物理,力学性能,尺寸及几何形状精度见表<+

%+&台架试验

研制件于+**,年7月装入由东风汽车工程研究院,东风汽车公司工艺研究所,重庆汽车配件总厂组成的联合攻关小组所提供的上,下球头销总成中!模拟实际路况的多头加载强化试验装置上!根据-98L3J,+FJ,FFG.试验规范对其进行了可靠性考核!经过近<个月连续的台架验证!已顺利通过了不低于,**万次磨损的耐久性强化试验"

格6*元!车!其差价为,*+元!车!经济效益十分明显"

%+&基于国内技术力量,工艺装备及所制定的产品和工艺!采用国内的原,辅材料!能够制造出完全合乎产品设计要求的零件"研制的铁基粉末冶金大,小球头!其物理,力学性能,几何形状及尺寸精度均达到设计的目标!完全满足98,*5*轻型车使用性能的需求!并可推广到其他类似车型上"参考文献!

#,$黄培云!粉末冶金原理#P$!北京/冶金工业出版社!,FGG!#+$韩凤麟!粉末冶金机械零件#P$!北京/机械工业出版社!

#结束语

%,&参照其他进口件估算球头的进口价格/小球

,FF*!

#5$印红羽!张华诚!粉末冶金模具设计手册#P$!北京/机械工

业出版社!+**+!

#=$QRP费多尔钦科!粉末冶金原理#P$!北京/冶金工业出版

社!SF6=!

头=!<美元M件!大球头<!<美元!件!每台车上各装+

0+F0

计算机应用

型与.,/(012的模型相同!新设计的模型见图&!

汽车科技第!期"##$年%月

图&混合动力轿车的’()*+(,-模型

式中!%’&%’>&分别为当前时间步和下一时间步的汽车速度#"’&

!控制函数的设计

345.’67采用了独特的将前向仿真方法和后

"’>&分别为当前时间步和下一时间步的时间%

!"$制动踏板的加速度系数函数

制动踏板的加速度系数+-反映了汽车的减速度

向仿真方法相结合的混合仿真方法"8#!它的主要缺点是不能处理实际车辆中的可测量数据$例如在模型中不存在诸如节气门和制动器位置等控制信号$因此在控制策略的仿真中$不能直接对加速踏板和制动踏板等控制信号进行建模$必须将其转化为对车辆速度和加速度的处理%以下将建立其转化函数!

大小&其值为#表示制动踏板完全松开&没有制动力’其值为&表示快速踩下制动踏板&汽车以最大减速度减速%它的计算公式如下(

+-9+-):;

$$%

式中!+-):;为最大制动减速度&参考欧洲经济共同体标准"8#!制动减速度!!BC)@/"D定义+-):;9A!BC)@/"’

!"#加速踏板的位置系数函数

加速踏板的位置系数!"#表示加速踏板的当前位

$

$%&

控制策略模块模型的设计

控制策略模块的仿真原理

在345.’67软件的.,/(012模型中&控制策略模

置&其值为#表示加速踏板完全松开’其值为&表示加速踏板完全踩下&它的计算公式如下(

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"$9

%):;

9

%

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!"!("=&>)?&"

)&*

块的计算过程"$#是(首先道路循环模块向车辆模块输出请求车辆的行驶速度&车辆模块和其他模块计算出对动力系统的请求扭矩./012和转速!/012&然后将这些参数输入到控制策略模块中&控制策略模块按照一定的算法将./012分配给发动机和电机系统&即计算出对发动机模块的请求扭矩.3412和转速!3412与电机模块的请求扭矩.5412和转速!5412%它们的关系为(

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!./0!E!29.34!E!2>.54!E!2

!/0!E!29!54!E!29!34!E!2!!!!!!!!!!!

,"-,!-(<%

式中&%+%):;分别为汽车速度和汽车最高速度’&):;为发动机最高转速’’&+’"分别为变速器和主减速器的传动比’(为车轮半径’*为车轮的滑移系数!

!"!加速踏板的加速度系数函数

加速踏板的加速度系数++反映了汽车的加速度

大小&其值为#表示加速踏板保持当前位置&汽车速度恒定’其值为&表示快速踩下加速踏板&汽车以最大加速度行驶!它的计算公式如下(

,&-加速踏板加速度的计算公式

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!++9

++):;

9

+

&##

.,/(012控制策略模块的输入参数是,./012&!/012-&输出参数是,.3412&!3412-和,.5412&!5412-%因为混合动力

轿车控制策略与.,/(012的差异主要存在于.5412的计算方法&两者的输出参数.3412&!3412和!5412的计算方法相同%因此在设计过程中&主要修改.5412的计算模型&其他模型可以保持不变%以下将建立控制策略模块的模型

%

式中!+"++):;分别为汽车的当前加速度和最大加速度#"&##为汽车由##&##-)@1的加速时间%

,"-汽车加速度的计算公式

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!+,

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混合动力轿车控制策略的仿真*张翔"钱立军"张炳力等

计算机应用

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./8

式中"$%&*+(为电机额定驱动扭矩$

"?#*@+

!"#判断加速!巡航和减速工况的模型

在混合动力轿车的控制策略中将车辆行驶过程

分为启动!怠速!加速!停车起步!巡航和减速六种工况"对每种工况设计了不同的控制函数#其中启动!怠速和停车起步工况属于发动机控制模块控制"加速!巡航和减速工况属于控制策略模块控制$

加速%

巡航和减速工况的判断方法如下&

以上模型见图A$

!"!下一时间步速度#当前速度!$%&’()*+,-./车辆处于巡航工况’

.0+.!"下一时间步速度1当前速度,-./车辆处

于加速工况’

.0+.车辆处于减速工况$

模型见图2"其中加速工况子系统%巡航工况子

系统和减速工况子系统分别为处理加速%巡航和减速工况的控制函数模型$

图A控制策略中加速工况的B!)C0!/D模型

$

$%&

图2

判断加速!巡航和减速工况的B!)C0!/D模型

发动机控制模块模型的设计

控制模块模型的分析

发动机控制模块位于车辆控制模块*E.-!30.

另外设计了校正子系统"用于根据蓄电池系统的荷电状态!"#值来控制电机扭矩的大小"使蓄电池系统的!"#值始终维持在(3+4054+53"3+4054+53)之间"避免蓄电池过度充电或过度放电#其主要内容为

!"$%&4’!’,-./

!"!"#!3+4054+53&,-./$%&!4!’6$%&!4!’.0+.$%&!4!’6’!.0+.

!"!"#"3+4-!4+537,-./$%&!4!’6$%&!4!’.0+.$%&!4!’6’!./8

F5/,<50"简称EF+内"其作用是根据车辆各种不同的行驶工况来控制发动机的状态*开*关+和请求转速$由于G/+!H-,的发动机控制模型基本符合要求"因此无需修改其模型$现分析G/+!H-,发动机控制模块的

控制规则如下$

*(+发动机开的控制条件

!车辆速度1定值*变量&3+4.0.3,<!348.3.04+I8+’"车辆加速’

#蓄电池的!"#>定值*变量&3+4054+53+’$发动机的冷却系统温度>定值*变量&"34,+,J,+’

%当车辆行驶过程中换挡时$*2+发动机转速的控制方法

!"发动机关,-./发动机转速6%K!"*发动机开J/8车辆当前速度6%J/8下一时间步道路循环的速度1%+J/8*离合器脱开+,-./发动机转速6车辆起步转速.0+.发动机转速6请求转速$$%’怠速工况的模型

下面以怠速工况为例"介绍控制策略模块的建模方法$其控制规则如下&

*L+启动后怠速"当!"#"9%:"发动机在;%%<*)!/

,A(,

!"!加速工况的模型

下面以加速工况为例"介绍控制策略的建模方

法#其控制规则如下&

*(+!"#"9’:"各种状况下发动机转速!;’’

<=)!/"电机都辅助驱动"辅助驱动扭矩大小与加速

踏板的加速度成比例’

*2+当2’:"!"#"9’:"只有全油门加速"电机才辅助驱动$

现定义蓄电池系统的!"#"9’:和!"#>9’:两种工况"!"#>2’:的情况由校正子系统处理$其主要内容为

计算机应用

!即%$&"’()*+"怠速#当!"#!!#,$发动机转速为-

-##’./01$给蓄电池充电%

!""减速停车工况时$当满足条件2冷却系统温

度正常!设!3#""和!"#!!#,$在车速小于4#5-!

6/*7!即3548!/*+"时$如加速踏板松开$停车挂空挡

!或踩下制动踏板"则发动机&电机自动停止运转#如不满足以上条件$则按发动机怠速运行%

以上控制规则与91+0:7;相同$因此只修改以下控制变量值即可%

发动机起步转速设置成其最高转速的-*<’

=>?@(A1>7?+B)C/(D!E>?/(B?+B)".<F

发动机怠速’=>?@(A1>7?+B)C%$G"#发动机的冷却系统温度’E>?;+;(;C3#F

再生制动的最小速度’>+?H@H>;’0>?)H>H@?+B)C

3&48!#

蓄电池!"#最小值’>+?@I?+I>C#&"#蓄电池!"#最大值’>+?70?+I>C-%

!

仿真与分析

!"#

仿真结果

选择美国环境保护署JKL制订的城市道路循环

MNNO!M’P(1NQ1(/I/H;H’N’0=01:O>7H)A@H"作为道路循环$设置蓄电池系统!"#的初始值为#G8$对

混合动力轿车进行仿真%仿真结果百公里油耗为

3G$R$!"#值!变量’H++?+I>?70+;"由#G8充电至#G84"$

其变化过程见图$%电机系统的实际扭矩值$%&’(!变量’/>?;’S?IA;?("的变化过程见图!$当$%&’(T#时表明电机系统处于辅助驱动状态$$%&’(!#时$表明电机系统处于再生发电状态

%

图

$

蓄电池系统的工作过程!

!"#值"

图!电机系统的工作过程!扭矩值"

*4"*

汽车科技第!期"##$年%月

!"$改进方案

从上面结果可以看出$百公里油耗偏高的原因

是汽车在行驶过程中耗费了多余的燃料用于对蓄电池系统进行充电%下面将修改加速工况的控制策略$使电机加大对混合动力轿车的辅助驱动力度$具体方案是将公式!8"和公式!3"同时修改为

!$%&’()&-$%&’*+

式中$&-为系数%

通过实验$当&-调整为#G<时$百公里油耗下降到最低<G8R$但是蓄电池系统的!"#值由#G8放电至

#G!-左右%蓄电池系统释放能量使发动机的油耗降低$导致百公里油耗下降%其仿真结果见图<和图8%为使汽车在市区和市区外公路两种路况下发动机的油耗都较低$&-应该分别取不同的值%

图<

蓄电池系统的工作过程!!"#值"

图8

电机系统的工作过程!扭矩值"

%结论

混合动力轿车控制策略的仿真目的不仅是要求

得到仿真结果$更重要的是要通过仿真来确定最优的设计方案$通过比较多种方案来达到优化设计的目的%在控制策略的优化方面$其优化目标要同时考虑汽车的能耗和排放等多种因素$因此建模和优化

在控制策略的仿真中具有同样重要的位置%参考文献2

(-)张翔$赵韩$钱立军$等#电动汽车仿真软件LNU9OVW

(X)#汽车研究与开发$"##4$!$"-$Y-<#

(")陈清泉$孙逢春$祝嘉光#现代电动汽车技术(Z)#北京’

北京理工大学出版社$"##"#

(4)张翔$赵韩$钱立军$等G电动汽车仿真软件LNU9OVW的应

用(X)#交通科技与经济$"##$$!4"G

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