ADVISOR二次開發(fā)的混合動力系統(tǒng)設計與仿真研究論文
引言
環(huán)境保護部最近發(fā)布的《2013年中國機動車污染防治年報》顯示，機動車的尾氣排放已成為我國空氣污染的重要來源�；旌蟿恿ζ嚭碗妱榆囀钱斍案纳苹蚪鉀Q汽車尾氣污染的一個行之有效的方法之一。計算機仿真是研究混合動力汽車的重要手段，有利于縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。目前，國內外研究者研究混合動力汽車使用的計算機仿真軟件主要有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言，最大的優(yōu)點在于其代碼完全公開，便于使用者自主掌握和二次開發(fā)。ADVISOR是由美國NationalRenewableEnergyLaboratory開發(fā)，采用后向仿真為主、前向仿真輔助的混合仿真方法，主要可以實現(xiàn)車輛總成參數(shù)匹配與優(yōu)化、車輛動力性能與經濟性仿真分析、車輛能量管理策略評價等功能。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動的車輛仿真。本文針對某后輪驅動的混合動力城市客車，以MATLAB/SIMULINK為平臺，利用其開放的代碼和內部通用的子模塊，對ADVISOR軟件進行二次開發(fā)，建立整車仿真模型，并進行仿真分析，為該車的研制提供了有力的依據。
1 ADVISOR混合動力仿真系統(tǒng)二次開發(fā)
1.1 混合動力系統(tǒng)結構與工作原理
文中所研究的混合動力汽車是一后輪驅動的城市公交車，其動力系統(tǒng)采用并聯(lián)式結構，系統(tǒng)結構組成如圖1所示。動力系統(tǒng)中采用了ISG電機，ISG是起動發(fā)電一體機，在混合動力汽車有較多的應用。動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種工作模式，如：1)在車輛起步或低速運轉，且蓄電池的荷電狀態(tài)SOC值大于下限值時，發(fā)動機關閉，由蓄電池組給ISG電機供電驅動車輛;2)當車輛在中高速運轉時，發(fā)動機效率較高，蓄電池組停止工作，由發(fā)動機單獨驅動車輛;3)當需求轉矩大于發(fā)動機能提供的轉矩時，發(fā)動機與蓄電池組同時工作，共同提供轉矩驅動車輛;4)車輛在怠速、制動、下坡時，機械能經ISG電機產生電能并存儲于蓄電池組中。
1.2 混合動力系統(tǒng)仿真模型的二次開發(fā)
混合動力系統(tǒng)采用的是后輪驅動形式，而ADVISOR軟件原有的仿真模型只有前輪驅動，差異性較大。為了達到研究目的，因此需要對ADVISOR中相關的仿真模塊進行二次開發(fā)。
ADVISOR中前驅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力學方程，再依據動力學方程創(chuàng)建SIMULINK模型。下面對坡度路面的后輪驅動車輛進行受力分析，如圖2所示，假設此時車輛是極限附著，車輛初始速度為V0，在最大附著力Fmax下產生的最大末速度為Vt。其中，F(xiàn)W、Ff、Fi分別是車輛所受的空氣阻力、滾動阻力和坡度阻力，F(xiàn)n是驅動輪所受的垂直載荷。
1.3 混合動力系統(tǒng)控制策略模型設計
ADVISOR中的部分模型是以經驗數(shù)據為基礎建立的`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，在此需要對控制策略進行重新設計。由于車輛本身是一個非線性系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的PID控制，需要將非線性系統(tǒng)進行線性化，控制器的設計很費時間。故文中并聯(lián)式混合動力車輛采用的是模糊邏輯控制，主要利用車輛的踏板開度、車速和SOC之間的關系作為動力分配的主要依據，經過模糊邏輯動力分配控制器模組，使發(fā)動機和馬達的動力保持最佳分配。
2 仿真與結果分析
在進行ADVISOR仿真分析時，選擇不同的道路循環(huán)工況會較大的影響仿真結果。為了讓仿真分析更趨近實際情況，本文將中國城市公交典型工況導入ADVISOR，并選用該工況對混合動力系統(tǒng)進行經濟性能仿真分析。圖7是中國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，因此在進行混合動力系統(tǒng)最高車速仿真時，又選擇了美國環(huán)境保護署城市道路循環(huán)工況CYC-UDDS進行車速仿真。
3 結論
1)本文充分利用了ADVISOR軟件代碼開放的特性，在其現(xiàn)有仿真模型的基礎上，進行二次開發(fā)建立了混合動力客車的后驅動力系統(tǒng)模型和控制模型，并將中國城市公交典型工況導入ADVISOR，這使仿真研究與實際工況更加吻合。
2)仿真結果表明，所建立的動力系統(tǒng)和控制策略能夠較好的仿真該混合動力汽車的動力性能和燃油經濟性，且與原車型相比，混合動力汽車的燃油經濟性提高較明顯，動力性能也能達到設計要求。這為混合動力汽車的實用化、產量化提供了技術支持，減少了產品的開發(fā)周期和成本。