混合動力汽車驅動防滑的聯(lián)合仿真

馬明生，都翔云，高軍豐

(河南省安陽市71352 部隊 a.70 分隊;b.67 分隊，河南 安陽 455112)

綠色環(huán)保已成為現代汽車工業(yè)發(fā)展的一大主題，混合動力汽車作為汽車工業(yè)解決節(jié)能和環(huán)保問題的一項新技術，目前已成為汽車研究和發(fā)展的重要方向。

ASR 作為車輛主動安全技術之一，能防止驅動輪的過度滑轉。傳統(tǒng)燃油汽車ASR 一般采用發(fā)動機輸出轉矩控制和制動力矩控制［1-3］。隨著混合動力汽車的面世，其ASR 開始受到研究者的關注。文獻［4，5］以電機輸出轉矩為控制方式對混合動力汽車ASR 進行了研究，但是沒有加入液壓制動系統(tǒng)協(xié)調控制。

在此針對混合動力汽車的特點，在AMESim 平臺中建立液壓制動系統(tǒng)模型并通過接口設置和Matlab/Simulink 中模型進行無縫連接，建立混合動力汽車ASR 聯(lián)合仿真模型并制定協(xié)調控制策略，分別在均一路面和分離路面上對混合動力汽車ASR 進行了聯(lián)合仿真分析。

1 汽車動力學模型

1.1 發(fā)動機和電機模型

在混合動力汽車ASR 的研究中，我們關心的是動力系統(tǒng)的輸入和輸出，對其內部過程可以盡量簡化。因此，在建立發(fā)動機和電機模型的時候采用實驗建模法。

通過臺架試驗獲得發(fā)動機和電機穩(wěn)態(tài)數據，采用一階慣性環(huán)節(jié)建立相應的動態(tài)輸出轉矩模型［6-7］

式中:Ms為發(fā)動機或電機穩(wěn)態(tài)轉矩;T1、T2為時間常數;s 為拉普拉斯算子。

1.2 整車模型

整個車輛作為一個整體，是一個多自由度的系統(tǒng)。根據研究需要，將整車簡化成7 自由度模型，即車身的縱向平移運動，橫向平移運動以及繞Z 軸的橫擺運動3 個自由度和4個車輪的旋轉自由度［8］，如圖1 所示。

圖1 整車動力學模型

分析時做如下假設:固結于汽車上的動坐標系原點與汽車質心重合;忽略懸架作用，認為汽車沒有垂直運動;忽略轉向系統(tǒng)影響，直接以前輪轉角作為輸入，并認為左右轉向輪轉角相同;汽車繞Y 軸的俯仰角以及繞X 軸的側傾角為零;各輪胎的機械特性相同。

1.3 液壓制動系統(tǒng)模型

車輛驅動防滑是一項主動安全技術，液壓制動系統(tǒng)對目標車輪采取的是主動干預，高壓制動液由電機帶動液壓泵建立并儲存于高壓蓄能器中，因而實際制動系統(tǒng)中的制動踏板、制動主缸和真空助力裝置等部件不參與ASR 的工作。ASR 只對驅動輪進行制動壓力的干預，本文研究的是前輪驅動型混合動力汽車，因此ASR 液壓制動系統(tǒng)模型中只需建立驅動輪部分。根據上述建模過程，在AMESim 平臺中建立的ASR 液壓制動系統(tǒng)模型如圖3 中所示。

2 聯(lián)合仿真平臺

AMESim 軟件是一款用于液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真和動力學分析的優(yōu)秀軟件，可以對復雜的液壓/機械系統(tǒng)進行精確的建模和仿真。因此，采用AMESim 軟件對車輛液壓制動系統(tǒng)進行建模及分析。Simulink 是Matlab 的重要組成部分，是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成軟件包。Simulink 借助MatlabB 強大的數值計算能力，能夠在Matlab環(huán)境下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境構造模型對象，是當今主流的仿真軟件［9］。利用二次開發(fā)工具箱，Simulink 能夠比較容易的建立強大的控制系統(tǒng)。

聯(lián)合仿真平臺充分利用AMESim 和Matlab/Simulink 在液壓系統(tǒng)建模仿真與數值處理能力方面的優(yōu)勢對系統(tǒng)進行仿真分析。既保證了模型建立的精度，又能達到比較好的控制效果。

在Simulink 中通過S-函數來實現軟件接口的設置。S-函數是系統(tǒng)函數(System Function)的簡稱，是用戶用指定語言描述的一個非圖形化的功能模塊。用戶可以采用Matlab 語言、C、C++、FORTRAN 等語言來編寫S-函數，可以用來描述和實現離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)等模型。S-函數是Matlab 與其他語言的接口，可以接受Simulink 求解器的命令并與AMESim 等軟件進行通訊。

在仿真過程中，控制系統(tǒng)要對液壓單元的6 個電磁閥和1 個油泵電機進行控制，對兩個驅動輪輪缸進行壓力的采集，仿真框圖如圖2 所示。

圖2 Simulink 中聯(lián)合仿真接口框圖

在AMESim 中，首先要設置VC++作為編譯器，然后創(chuàng)建接口模塊。采用AMESim 與Simulink 的接口類型中的聯(lián)合仿真接口界面，聯(lián)合仿真時，兩者各自采用各自的求解器，AMESim 模型被看作時間的離散模塊處理。在AMESim 中建立的聯(lián)合仿真模型如圖3 中所示。

3 混合動力汽車ASR 控制策略

混合動力汽車只有在電池SOC 高于下限值時，電機才提供動力，否則，運行在發(fā)動機單獨驅動模式。

車輛在起步或低速加速行駛時，要求車輛提供較大的驅動力，能迅速提高車速，此時ASR 以最大加速度為控制目標;車輛在中高速加速行駛時(如超車過程等)，對車輛的穩(wěn)定性要求高，此時ASR 以穩(wěn)定性為主要控制目標。

車輛行駛的路面條件一般有均一路面，分離路面，對接路面和棋盤路面四種，其中棋盤路面可以看出前面3 種路面的綜合，而在均一路面和對接路面上車輛左右側驅動輪受力情況相同，控制相對簡單，因此下面以分離路面為典型路面，根據車輛的工作模式和行駛速度制定以下控制策略。

起步或低速行駛時，采取電機、發(fā)動機和制動系統(tǒng)協(xié)調控制，電機或發(fā)動機按照高選原則，制動系統(tǒng)只對低附著一側驅動輪施加制動力矩;中高速行駛時，采取電機和發(fā)動機按照低選原則協(xié)調控制。由于電機響應迅速，控制精度高，優(yōu)先采用電機輸出轉矩控制，只有當電池SOC 低于下限值或電機輸出轉矩達不到目標轉矩時發(fā)動機才介入控制。

圖3 AMESim 中液壓模型及聯(lián)合仿真接口

4 仿真分析

路面條件:右邊壓緊的冰雪路面，附著系數0.2;左邊壓緊干土路面，附著系數0. 68，初始車速2 m/s，油門開度100%。

1)電池電量充足，電機輔助驅動。車速小于8 m/s 時，制動系統(tǒng)介入干預，以獲得較大的加速度，并且將橫擺角速度控制在0.2 以下。當車速超過8 m/s 時，以穩(wěn)定性主要為控制目標，退出制動控制。

如圖4 所示，圖4(d)中虛線表示控制后發(fā)動機的輸出轉矩，實線表示控制后電機的輸出轉矩，其他圖4(a)、4(b)、4(c)、4(e)、4(f)、4(g)中則分別表示控制前和控制后相應變量的曲線。由于電機的驅動，初始階段車速上升明顯，但是加速后期由于橫擺的影響，車速上升減緩，經過6 s 加速車速由7.45 m/s 增長到8.80 m/s，增長18.1%。在第5 s，車速達到8 m/s，制動干預退出，相應輪缸減壓閥打開，增壓閥關閉，壓力卸載。

2)電池電量不足，電機不參與控制。車速小于8 m/s時，采用制動力矩控制，橫擺角速度控制在0.2 以下，以獲得較大的驅動力，當車速超過8 m/s 時，以穩(wěn)定性為主要控制目標，退出制動控制。

如圖5 所示，圖中虛線和實線分別表示控制前和控制后相應變量的曲線。在2.72 s，驅動輪開始發(fā)生過度滑轉，制動系統(tǒng)介入干預。對低附側驅動輪施加制動力矩后，高附側的驅動輪滑轉率有所增長，總的驅動力矩相應增長。在5.96 s，車速達到8 m/s，制動系統(tǒng)退出干預，相應輪缸減壓閥打開，增壓閥關閉，壓力卸載。經過10 s 加速，車速由，10.70 m/s 增長到11.92 m/s，增長11.4%。

圖4 分離附著路面(1)

圖5 分離附著路面(2)

5 結束語

結果表明，電機響應快、控制精度高的特點明顯，結合液壓制動系統(tǒng)和發(fā)動機控制，在分離路面上能夠有效地防止車輛驅動輪的過度滑轉。在起步及低速行駛階段，經過ASR控制后，能充分利用地面附著力，快速提升車速;在中高速行駛階段，經過ASR 控制后，能縮小兩側驅動輪驅動力的差異，降低車輛橫擺角速度，有利于車輛的行駛穩(wěn)定性。

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